ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И РАЗМЕРОВ РУБАШКИ, ЗМЕЕВИКА ИЛИ ТРУБЧАТКИ

Конструкция аппарата с рубашкой с механическим перемешивающим устройством представлена на рис. Б.1, основные размеры приведены в табл. Б.1. прил. Б [4]. Рассчитаем площадь теплообменной поверхности выбранного нами реактора в п. 3 по формуле (4.1).

У емкостных аппаратов с рубашками площадь теплообменной поверхности F, м², равна:

, (4.1)

где D – внутренний диаметр аппарата, м; – высота цилиндрической части аппарата, заключенной в рубашку, м; – площадь поверхности днища, м².

м².

Если в процессе расчета необходимая площадь поверхности теплообмена больше площади поверхности рубашки, то внутри реактора устанавливается змеевик с площадью поверхности равной:

. (4.2)

Площадь поверхности теплообмена , м², реактора периодического действия определяется из основного уравнения теплопередачи [3,4,5]:

, (4.3)

где Q – тепловая нагрузка теплообменника (из теплового баланса), Дж;
К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К); – средний температурный напор между теплоносителями, К; – время проведения процесса, с.

4.1 Расчёт необходимой площади поверхности теплообмена при нагревании сахарного сиропа в емкостном реакторе

Для определения большей и меньшей разностей температур составим схему тепловых потоков.

Схема тепловых потоков при прямотоке:

119,6 °С 119,6 °С

пар

сироп

20 °С 80 °С

= 99,6 °С = 39,6°С,

где 119,6 °С – температура греющего пара при заданном давлении; 20 °С и 80 °С – начальная и конечная температуры сахарного раствора;
– начальная разность температур между температурами теплоносителей, °С; – конечная разность температур между температурами теплоносителей, °С.

Для прямотока расчёт температурного напора, °С проводим по формуле:

, (4.4)

°С.

Поверхность теплообмена , м², определим из уравнения (4.3):

,

где – время растворения сахара, с.

м².

Следовательно, выбранный нами реактор с площадью поверхности теплообмена = 1,57 м²обеспечит нагрев реакционной массы (сахарного сиропа) до заданной температуры, т. к. она больше необходимой > .

4.2 Расчёт необходимой площади поверхности теплообмена при охлаждении инвертного сиропа в емкостном реакторе

Составим схему тепловых потоков теплоносителей:

80 °С 60 °С

сироп

вода

20 °С 40 °С

где 80 °С и 60 °С – начальная и конечная температуры инвертного сиропа; 20 °С и 40 °С – начальная и конечная температуры охлаждающей воды.

Температурный напор, °С определили по уравнению (3.21).

Поверхность теплообмена , м², определим по уравнению (4.3):

,

где ‑ время охлаждения инвертного сиропа, с.

м².

Следовательно, выбранный нами реактор с площадью поверхности теплообмена = 1,57 м²обеспечит охлаждение инвертного сиропа до заданной температуры, т. к. она больше необходимой > .

5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ МЕШАЛКИ

Для приготовления эмульсий, суспензий, смесей, гомогенизации растворов, а также для интенсификации тепло- и массообменных процессов, химических и биохимических реакций применяется перемешивание [3, 5].

Наиболее распространенным способом перемешивания в жидких средах является механическое перемешивание при помощи лопастных, якорных, рамных, турбинных или пропеллерных мешалок. Основные конструктивные параметры и условия работы всех указанных мешалок приведены в таблице В. 1 прил. В.

Для нашей системы выбрали лопастную мешалку. Определяем мощность, затрачиваемую на перемешивание. Для этого необходимо определить центробежный критерий Рейнольдса.

Центробежный критерий Рейнольдса находим по формуле:

, (5.1)

где – центробежный критерий Рейнольдса; – плотность перемешиваемой среды, кг/м³; n – частота вращения мешалки, с^-1; – диаметр лопасти мешалки, м.

Диаметр мешалки (диаметр окружности, ометаемой кромками лопастей мешалки) предварительно определяли по соотношению , указанному в табл.В.1, а окончательно по табл.5.1. выбирают стандартизованную мешалку.

Таблица 5.1 – Диаметры стандартизованных мешалок

Тип мешалки	Диаметр мешалки, мм
Лопастная, трехлопастная, турбинная	80; 100; 125; 160; 180; 200; 220; 250; 280; 320; 360; 400; 450; 500; 560; 630; 710; 800; 900; 1000; 1120; 1250; 1400;1600; 1800; 2000; 2240; 2500
Якорная. рамная	200; 220; 250; 280; 300; 320; 360; 400; 450; 500; 530; 580; 600; 630;710; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1060; 1120; 1180; 1250; 1320; 1400;1500; 1600; 1700; 1800; 1900; 2000; 2120; 2240; 2360; 2500; 2650; 2800; 3000; 3150; 3550; 3750; 4000; 4250; 4500; 4750

Для лопастной мешалки = 1,4÷1,7, где D – диаметр аппарата, м;

= 0,428÷0,325 м. Оптимальное число оборотов мешалки, с^-1 определяют из соотношения:

, (5.2)

где – окружная скорость вращения мешалки, м/с.

Окончательно частота вращения устанавливается при выборе привода перемешивающего устройства. Для быстроходной мешалки при непосредственном соединении её с валом электродвигателя выбирается из ряда: 12; 16; 24; 47, с^-1. Для тихоходных мешалок ( < 4,2 с^-1) частота вращения выбирается из ряда: 0,21; 0,27; 0,33; 0,42; 0,53; 0,67; 0,83;1,05; 1,33; 1,67; 2,08; 2,67; 3,33; 4,17, с^-1.

Для лопастной мешалки = 1,5 ÷ 5 м/с, = 1,19 ÷ 3,98 с^-1, = 0,16 ÷ 0,4м. Выбираем стандартизованную мешалку с = 0,4 м, = 1,33 с^-1 и = 0,3 м. Рассчитываем центробежный критерий Рейнольдса по уравнению (5.1):

.

Мощность, Вт, затрачиваемая на перемешивание в типовых химических реакторах, определяется по зависимости:

, (5.3)

где – критерий мощности (определяется по графику рис. 3.4 кривая 1 [5]); – плотность перемешиваемой среды, кг/м³; n – частота вращения мешалки, с^-1; – диаметр лопасти мешалки, м; .

Вт.

Проверяем режим работы мешалки на наличие кавитационных явлений. По табл. 3.1 [6], определяем для выбранной мешалки
, следовательно, в аппарате имеет место турбулентный режим с сохранением плотности, так как .

Время гомогенизации t, с, в первом приближении, определяем по уравнению:

, (5.4)

где – постоянная, определяется типом мешалки (табл. 5.2); ‑ сиплекс геометрического подобия, .

Для гладкостенного аппарата = 35. Тогда время гомогенизации при предельных значениях определяется соответственно:

с ~ 1 мин,

с ~ 4 мин.

Таблица 5.2 – Значения постоянной

Тип мешалки	для аппарата
гладкостенного	с отражательными перегородками
Трехлопастная
Винтовая
Открытая турбинная		6,2
Шестилопастная		12,9
Закрытая турбинная		5,1
Лопастная		9,2
Клетьевая		‑

6 РАСЧЁТ И ВЫБОР РАМНОГО ФИЛЬТР-ПРЕССА

В пищевой промышленности фильтрация сахарных сиропов производится в рамных, сетчатых и мешочных фильтрах. Для проектируемой линии по приготовлению инвертного сиропа используем рамный
фильтр-пресс [9].

Фильтр-прессы рамные РОР, РОМ, РЗР, РЗМ предназначены для фильтрования нейтральных, кислых и щелочных суспензий с содержанием твердой фазы до 500 кг/м³. В качестве фильтровальных перегородок используются ткани из хлопка, полипропилена, полэфира и полиамида [7].

Для выбора фильтра необходимо рассчитать производительность, поверхность фильтрования и по каталогу выбрать ближайший фильтр-пресс.

Опытное фильтрование полученной суспензии на лабораторном фильтр-прессе при том же давлении и той же толщине слоя осадка показало, что константы фильтрования, отнесенные к 1 м² площади фильтра, имеют следующие значения: К = 20,7×10⁴ м²/ч и С = 1,45×10^-3 м³/м². Временем фильтрования зададимся: t_фильтр = 30 мин.

По уравнению фильтрования при постоянном давлении определим производительность V, фильтр-пресса, м³/м² :

, (6.1)

где V – объем фильтрата, прошедшего через 1 м² фильтрующей поверхности, м³/м²; C – константа фильтрования, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки (ткани), м³/м²; К – константа фильтрования, учитывающая режим процесса фильтрования и физико-химические свойства осадка и жидкости, м²/ч; t – продолжительность фильтрования, ч.

,

м³/м².

Следовательно, для заданной производительности = 0,1083 м³ (определяем из материального баланса, табл. 1.1) необходима поверхность фильтрования F, м²:

, (6.2)

м².

По каталогу (прил. Г, табл.Г.1 ) выбираем рамный фильтр-пресс РОР-4 с площадью поверхности фильтрования 4 м², размер рам в свету ‑ 315´315 мм, толщина рам 45 мм, рабочее давление в аппарате 1 МПа.

7 РАСЧЁТ ПЛАСТИНЧАТОГО НАСОСА

В пищевой промышленности для перекачивания пищевых продуктов малой вязкости, таких как молоко, соки, пиво используются в основном центробежные пищевые насосы или многоступенчатые центробежные насосы.

Там где требуется перемещать вязкие, высоковязкие или труднотекучие продукты, такие как творог, кетчуп, джемы, фарш или похожие пищевые продукты, применяют насосы объемного типа. Насос объемного типа имеет расширяющуюся полость на стороне всасывания и сужающую полость на стороне нагнетания. Перекачиваемая среда поступает в насос, когда полость на стороне всасывания расширяется и выталкивается, когда полость сужается. Этот принцип применим ко всем типам объемных насосов, будь то роторный, плунжерный шестеренный, поршневой, диафрагменный, коловратный или винтовой [3, 9].

Для транспортирования высоковязких жидкостей в основном применяют, поршневые, одновинтовые, роторные, шнековые и насосы трения.

Для транспортирования инвертного сиропа используются центробежно- шнековые (дисковые), пластинчатые (шиберные) насосы, а также монжю, работающие под давлением сжатого воздуха.

Для проектируемой линии по приготовлению инвертного сиропа используем пластинчатый (шиберный) насос.

Пластинчатый (шиберный) насос предназначен для перекачивания вязких, пластичных масс (глазурь, пюре, патока, пралиновые массы, сгущенное молоко) и других различных жидкостей. Применяется в пищевой, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Принцип работы насоса: рабочий орган пластинчатого (шиберного) насоса выполнен в виде эксцентрично расположенного ротора, имеющего продольные радиальные пазы, в которых скользят плоские пластины (шиберы), прижимаемые к статору центробежной силой. Так как ротор расположен эксцентрично, то при его вращении пластины, находясь непрерывно в соприкосновении со стенкой корпуса, то входят в ротор, то выдвигаются из него.

Во время работы насоса на всасывающей стороне образуется разрежение и перекачиваемая масса заполняет пространство между пластинами и далее вытесняется в нагнетательный патрубок.

При расчёте насоса определяют необходимый напор и мощность двигателя при заданном расходе жидкости, далее следует выбор марки насоса по каталогу с учётом свойств перемещаемой жидкости. Причём выбранный насос должен иметь производительность, напор и номинальную мощность электродвигателя, ближайшие большие по отношению к расчетным. По величине мощности на валу определяют тип электродвигателя к насосу [7].

Полезная мощность N_п, затрачиваемая на перемещение жидкости, кВт:

, (7.1)

где Q – производительность насоса, м³/с; H – напор, развиваемый насосом, м; – плотность перекачиваемого сиропа, кг/м³.

Мощность N, которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы, кВт:

, (7.2)

где , – коэффициенты полезного действия (к.п.д.) соответственно насоса и передачи от электродвигателя к насосу = 0,93÷0,98.

Коэффициент полезного действия насоса :

, (7.3)

где – объёмный к.п.д., учитывающий перетекание сиропа из зоны большего давления в зону малого давления = 0,85÷0,95; ‑ гидравлический к.п.д, учитывающийгидравлическое трение и вихреобразование (для современных насосов = 0,85÷0,96); – общий механический к.п.д., учитывающий механическое трение в подшипниках и уплотнениях вала и гадравлическое трение нерабочих поверхностей колес = 0,92÷0,96.

Напор насоса, м:

, (7.4)

где – давление в сироповарочном реакторе, из которого перекачивается инвертный сироп, Па; – давление в аппарате (фильтр-пресс), в который подается сироп, Па (прил. Г, табл.Г.1); – геометрическая высота подъёма сиропа, м; = 8 ÷ 15 м; – напор, теряемый на преодаление гидравлических сопративлений (трения и местных сопротивлений) в трубопроводе, м.

Потери напора , м:

, (7.5)

где w – скорость сиропа, м/с; w = 0,5 ÷ 1,5 м/с; l и d – длина и диаметр трубопровода, м; l = 10 ÷ 20 м; – коэффициент трения; – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Из основного уравнения расхода, определим диаметр трубопровода d, м.

, (7.6)

где Q – производительность насоса (объёмный расход), м³/с.

Для определения производительности, м³/с (объёмного расхода) зададимся временем перекачивания инвертного сиропа t_нас = 5 мин. Объём полученного инвертного сиропа расчитывали в гл.1. Берем из материального баланса (табл. 1.1) V=108 л. Тогда объёмный расход Q, м³/с:

м³/с, (7.7)

м³/с,

м.

Для определения коэффициента трения рассчитываем величину критерия Re:

, (7.8)

где , – плотность, кг/м³ и вязкость, Па с инвертного сиропа при температуре нейтрализации 60 °С.

.

Режим ламинарный. В этих условиях величина коэффициента трения практически не зависит от шероховатости стенок трубопровода и определяется:

, (7.9)

.

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений :

(7.10)

Коэффициенты местных сопротивлений равны [6]:

вход в трубопровод (с закругленными краями) = 0,2;

выход из трубопровода = 1,0;

колено с углом 90° (для трубы d = 31 мм, R_o/d = 4,0); = 0,11;

вентиль прямоточный = 0,94×1,4=1,32 (для трубы d = 31 мм);

.

Примем H_г = 0,5 Наппарата плюс 2 метра, H_г = 0,5 · 0,754 + 2 = 2,4 м.

Тогда по формулам (7.2) и (7.4):

м.

кВт.

По приложению Д табл. Д.1 устанавливаем, что данной подаче больше всего соответствует пластинчатый насос марки НП-2,2, для которого в оптимальных условиях работы Q = 33 л/мин (5,5×10^-4 м³/с). Насос обеспечен электродвигателем номинальной мощностью N = 2,2 кВт.

8 РАСЧЁТ ОБЪЁМА И РАЗМЕРОВ ЁМКОСТЕЙ

Ёмкости для хранения и выдачи жидкостей представляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндрические аппараты. При проектированиии емкостей основными руководящими документами являются нормали и Государственные стандарты, предусматривающие нормальный ряд цилиндрических аппаратов и сосудов до 200 м³ (прил Б табл. Б.1) [4].

По номинальному объёму аппарата выбирают его основный конструктивные размеры (диаметр, высоту), которые должны соответствовать ГОСТ 9941-72, ГОСТ 9671-72.

Для изготовления сосудов малого размера допускается применение стальных труб с наружным диаметром в мм: 159, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 630, 720, 820, 920, 1120, 1220, 1420.

Длина (высота) ёмкостей принимается равной (1÷1,5) D.

Расчет ёмкостей для хранения и выдачи жидкости ведем из условий шестичасовой (сменной) работы ёмкостного реактора. Ёмкость сборников рассчитывается на двухсуточную потребность завода в сиропе. Для периодического процесс надо знать время цикла t_ц , мин.

t_ц = t_загр + t_нагр + t_гидр + t_охл + t_нас + t_ф + t_разгр, (8.1)

где t_загр – время загрузки, принимаем t_загр = 10 мин; t_нагр – время нагревания сахарного сиропа, t_нагр = 15 мин; t_гидр – время гидролиза, t_гидр = 20 мин;
t_охл – время охлаждения инвертного сиропа, t_охл = 20 мин; t_нас – время перекачивания сиропа насосом, t_нас = 5 мин;t_ф – время фильтрования, t_ф = 30 мин; t_разгр – время заполнения ёмкости для хранения,принимаем t_разгр = 10 мин.

t_ц = 10 + 15 + 20 + 20 + 5 + 30 + 10 = 110 мин.

За смену, при шестичасовой сменной работе реактора, можно сделать количество загрузок реактора n:

.

Следовательно объём ёмкости для полученного инвертного сиропа за двое суток:

, (8.2)

где G, – масса, кг и плотность, кг/м³ при 40 °С инвертного сиропа;
– коэффициент заполнения ёмкости, = 0,85 ÷ 0,95: n – количество загрузок за смену; m – количество суток.

м³.

Для удобства работы устанавливаем две ёмкости объёмом по 0,4 м³. Диаметр емкости D = 0,7 м; длина L = 1,2 м (прил В табл. В.1).