Расчет установки для фильтрования

Необходимое разряжение

        = – р = 0,1 –0,06 = 0,04МПа = 300 мм рт.ст.

где - атмосферное давление, МПа

Требуемая производительность при поверхности фильтрации одной установки составит    1,25 х 40 =50 . Два параллельно установленных сухо воздушных водокольцевых вакуум-насоса ВВН-25 обеспечат необходимую производительность. Номинальная производительность (при вакууме70%), приведенная к условиям всасывания по справочным данным, у этого насоса 28

Воздуходувка служит для отдувания полотна от поверхности барабана при съеме осадка ножом. В качестве воздуходувки применим насосы РМК или ВВН(более новые). Насос выбираем из расчета подачи 0,1…0,4 на 1 фильтрующей поверхности,

Требуемую производительность  0,4х40 =16   обеспечит одна воздуходувка

ВВН – 25

 Для отвода паров  и газов растворенных в отводимых фильтрате и промывной воде используют вакуум-ресивер, рисунок 2.2,представляющий собой цилиндр, закрытый снизу и сверху сферическими крышками. Фильтрат или промой через боковой патрубок 4 в нижней части корпуса поступает внутрь цилиндра и собирается в нижней части ресивера, откуда удаляется насосом через патрубок 5 в дне сборника. Скопившиеся пары и газы из верней части ресивера по трубе 1 поступают в барометрический конденсатор.

 

Полезный объем вакуум- ресивера обычно соответствует минутной производительности по фильтрату или промывной воде. Ресиверы устанавливаются одинаковых размеров и подбираются по большему объему. В нашем случае при расходе фильтрата на одну установку

            = =   = 0,26      :

     расход по промывной воде     = = =  

         = 

Следовательно, полезный объем ресивера для фильтрата составляет 0,26

Полный объем вакуум-ресивера должен быть на 30…35% больше полезного объема:    = 0,26х1,35 =0,35

Устанавливаем стандартный вакуум-ресивер минимальной емкости – 1,6

Кроме того, при фильтровании суспензий с температурой свыше (наш случай) для конденсации паров и охлаждения воздуха между ресиверами и вакуум-насосами необходимо устанавливать конденсатор, что предусмотрено в технологической схеме вакуум- фильтровальной установки.

 

2.4 Тепловой расчет аппарата

 

2.4.1 Расчет спирального теплообменника

Для подогрева промывной воды заданной установке необходимо рассчитать и подобрать спиральный теплообменник.

Исходные данные:

   - расход промывной воды на одну установку,  = 0,14 = 0,0023

   - начальная температура, = 15

   - конечная температура, = 75

   - давление пара, = 0,1167МПа

  - температура пара, = 104,

Определяем среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике,,

                   104------------------104

                   75------------------15

                 -----------------------------

                    29                      89

где  = 89 - наибольшая разность температур теплоносителей;

       = 29 - наименьшая разность температур теплоносителей;

        =                                                   (15)

после подстановки  числовых величин в формулу (15) имеем

        = = 53,5

Средняя температура воды при этом

        = - = 104 – 53,5 = 50,5

Количество тепла, необходимое для нагрева воды при средней температуре воды,

            Q = (- )                                  (16)

где  – удельная теплоемкость воды, , при

  - плотность воды, , при

после подстановки  числовых величин в формулу (16) имеем

            Q= 0,0023988 4187 (- ) = 570872

Задаем скорость движения воды в теплообменнике, * = 0,5 и ширину канала,

 b =12мм, тогда высота канала, h = = = 0,4 м

Определим коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к вертикальной стенке,  приняв предварительно отношение коэффициента теплопередачи , К, коэффициенту теплоотдачи,  , равным  =0,2

Вычисляем температуру пленки конденсата,

           = - 0,5 = 104 – 0,50,2 53,5 = 98,65

При этой температуре выбираем физические параметры и число Прандтля конденсата по таблице,

    удельная массовая  изобарная теплоемкость, с =4,23 ;

    плотность,  = 959 ;

    коэффициент теплопроводности,  = 68,2

     динамическая вязкость,  = 0,285 Пас ;

      число Прандтля,  Pr = 1,76

Скрытую теплоту конденсации,  , , определяем по таблицам, , при температуре насыщения,  = 104:   = 2246,6 . Вычисляем

частную разность температур, входящую в критерий конденсации,

  = - = 104 – 93,3 = 10,7:, здесь величина найдена из условия

  = 0,5( + )

Тогда комплекс критериев 

  = Pr = 1,76 =

    = 6,21

При  применимо расчетное критериальное уравнение, :

         Nu = 1,15 = 1,15 = 5741

 Тогда коэффициент теплоотдачи, = = = 9788

Находим коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде,

Предварительно определяем  эквивалентный диаметр канала, по которому движется вода. В данном случае теплопередающими стенками являются вертикальные стенки канала, поэтому

       = = = 2b  то есть = 2 х 0,012 = 0,024м

Рассчитаем значение критерия Рейнольдса

   Re =                                                      (17)

после подстановки  числовых величин в формулу (17) имеем

   Re= = 21556

Здесь параметры воды, , , определены по таблице, : при определяющей температуре   = 50,5

по критериальному уравнению вида,

       Nu = 0,023 = 0,023 =112

Тогда коэффициент теплоотдачи, = = 3017

Коэффициент теплопередачи, К, определяем по формуле (18)

                     К =                                 (18)

где  - толщина стенки (листа), м;

       - коэффициент теплопроводности, , для стали

после подстановки  числовых величин в формулу (18) имеем

          К= = 1921

Проверим принятый температурный перепад на пленке конденсата по уравнению     = ,  отсюда

                         = = = 10,5

Полученное отношение  = = 0,196 близко к принятому вначале расчета и зависит от точности  округлений сделанных при вычислениях.

Поверхность нагрева, F, вычисляем по формуле теплопередачи

          F = = = 9,4

По таблице, выбираем стандартный спиральный теплообменник ТС1-2 -10 -6 -1, рисунок 2.3,  из коррозионностойкой стали (тип1, исполнение 2, поверхность теплообмена – 10 м2, рассчитанный на

давление 6 ат

 

 

2.4.2 Расчет подогревателя  суспензии (крахмального молочка)

При расчете выбраны стандартные размеры теплообменника «труба в трубе»: наружная труба 1596 мм, внутренняя труба 1084,5мм

Исходные данные:

    - расход суспензии на одну установку, = = 12 кг/с

    - начальная температура, = 15

     - конечная  температура, = 65

     - давление  пара, = 0,1167МПа

     - температура  пара, = 104,

Определяем расход тепла на нагревание продукта, Q,

        Q = (- ) = 12 (- ) = 1980000   

где -  – удельная теплоемкость суспензии с содержанием сухих веществ 32%, определяем по формуле, предложенной В.З. Жадан для продуктов богатых на содержание углеводов,

    = = = 3300

Определяем среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике

                   104------------------104

                   65------------------15

                 -----------------------------

                    39                      89

где  = 89 - наибольшая разность температур теплоносителей;

       =39 - наименьшая разность температур теплоносителей;

        = = = 60,6

Средняя температура суспензии при этом

        = - = 104 – 60,6 = 43,4

Задаемся разностью температур теплоносителя (пар) и  стенки по формуле, :

   = = 0,2660,6 = 16   

где - – коэффициент теплопередачи, ;

- коэффициент  теплоотдачи,   ( пар – наружная стенка трубы);

Разность температур стенки и продукта находим по формуле,

     = = 0,49660,6 = 30 

          - коэффициент теплоотдачи, (внутренняя стенка трубы– продукт);

Вычисляем температуру стенки со стороны теплоносителя

    = - = 104 – 16 = 88 

Температура стенки со стороны продукта

    = + = 43,4 + 30 = 73,4

 Вычисляем температуру пленки конденсата

    = 0,5(+) = 0,5(+) = 96

По таблице, определяем теплофизические параметры пленки конденсата при = 96

    удельная массовая  изобарная теплоемкость, с =4,19 ;

    плотность,  = 962 ;

    коэффициент теплопроводности,  = 68

      динамическая  вязкость,  = 0,3 Пас 

      число Прандтля,  Pr = 1,86                    

 Коэффициент теплоотдачи  от теплоносителя к стенке  трубы определяем используя обобщенную  формулу расчета числа Нусельта, с коэффициентом ,С = 0,72, для одиночной горизонтальной трубы:

         Nu = 0,72 = 0,72=

 = 0,72=

тогда коэффициент теплоотдачи, = = 9690

где  = = = 0,041м

площадь сечения  = = = 0,00828

смоченный периметр        =  ) = ) = 0,807 м

Определяем плотность суспензии при средней температуре по формуле, :

        = = = 1130

где  – массовая доля твердой фазы в суспензии.

Скорость движения продукта в трубе, Ду 100,

    * =   =   =1,35

где  – площадь сечения трубы, Ду 100,

             = = =

Критерий Рейнольдса для продукта

             Re = = = 1,26

где  – динамическая вязкость суспензии, Па

  = (1+4,5) = (1+4,5) = 0,61(1+ 4,5) = 1,21 Па

где  объемная доля твердой фазы в суспензии

        = = =0,22

Таким образом, для приблизительной оценки коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к продукту, , имеем следующие теплофизические параметры по продукту  при = 43,4

    удельная массовая  изобарная теплоемкость, =3,3 ;

    плотность,  = 1130 ;

      динамическая  вязкость,  = 1,21 Пас ;

Из-за недостатка данных по теплофизическим параметрам по продукту, в частности по величине коэффициента теплопроводности, , воспользуемся соотношением величин, входящих в критерий подобия, число Прандтля:

                :  Pr = = ………………………………(1)

Известно, что разбавление суспензии водой уменьшает коэффициент температуропроводности, ,. Отсюда можно сделать вывод, что содержание в суспензии сухих веществ( 32%) богатых на содержание углеводов скажется на его увеличении. Если по воде при = 43,4 : число Прандтля равно Pr = 3,6, , то учитывая тенденцию уменьшения отношения  для суспензии  по сравнению с тем же отношением для воды назначим коэффициент уменьшения  0,9. Тогда число Прандтля для суспензии Pr = 3,60,9 = 3,24

Из формулы (1)  имеем   =   = = 1,23

Определяем число Нусельта

      Ny = 0,021 = 0.021 419

И далее находим  = = 5150

Правильность расчета, правильность выбранных величин при назначении температур стенки со стороны горячего теплоносителя , , и со стороны продукта, проверяют по уравнению равенства тепловой нагрузки по  обеим сторонам стенки: =  …………………….(2)

Подставим найденные величины в формулу (2), получим

                 969016 = 515030

Таким образом, условие (2) выполнено, определяем коэффициент теплопередачи

   К = = 2530

ориентировочное значение поверхности нагрева подогревателя найдем по формуле

                  F = = = 13

Назначаем теплообменник стандартный ТТ114.002.152, рисунок 2.4, из коррозионно-стойкой стали с наружной трубой диаметром 159х6  и внутренней -108х4,5, состоящий из пяти элементов ,длиной 9000 мм, соединенных калачами.

 

2.5.Гидравлический расчет продуктовой линии, подбор

                      нагнетательного оборудования

 

2.5.1 Гидравлический расчет продуктовой линии

Определяем режим течения суспензии в трубопроводе,. Ду 100

Скорость движения продукта в трубе, Ду 100,

    * = =   =1,35

где  – площадь сечения трубы, Ду 100,

        = = = 0,0314

Определяем критерий Рейнольдса для продукта

             Re = = = 1,26

Полученная величина числа Рейнольдса, Re = 1,26

 соответствует турбулентному движению в гидравлически шероховатых трубах :доквадратичной области (20 500 )  Для этого случая коэффициент сопротивления трения,, может быть определен по формуле, :

      = 0,11 = 0,11 = 0,02

Гидравлическое сопротивление напорной линии и аппарата складывается из потерь давления на преодоление сопротивления трения, и на преодоление местных сопротивлений,  и избыточного давления в аппарате (в нашем случае вакуум).

   р = + ,  += +) +

Принимаем для расчета  

                      общую длину трубопровода  = 10м;

коэффициенты местных сопротивлений, :

                   вход в трубу……………………………….. = 0,2

                  выход из трубы……………………………….. = 1

                   колено ( поворот на )……………..…….. = 1

                  задвижка , Ду100……………………………… = 0, 5

тогда      р = + +=

  = + – 40000 = - 32071 Па

Теоретически усилие, создаваемое вакуумом, способно поднять жидкость на высоту  Н = = 3 м

На самом деле, подсос  воздуха через неплотности  в соединениях трубопровода 

может  привести к срыву столба жидкости, поэтому следует подобрать насос, чтобы обеспечить производительность по  продукту

       Q = = = 38 и подъему ее на высоту установленного вакуум-фильтра, допустим, h = 5м. Необходимый напор, H, рассчитаем с учетом потерь на местных сопротивлениях, и по длине, ,назначенного трубопровода^

                    H = h+ = 

         = 5+ 5,7м

Полезная мощность насоса = = 12 = 671 Bm

Необходимая мощность двигателя  = = 1,3 Bm

где  – полный  к.п.д. насоса

 

2.5.2  Подбор нагнетательного оборудования

Для подачи суспензии из сборника в корыто аппарата выбираем консольный центробежный насос с параметрами по подаче, напору и мощности близкими к расчетным. Но такового в каталоге может и не быть. Известно, что в настоящее время производители центробежных насосов широко стали оснащать их электронными устройствами частотного регулирования. Остается только подобрать частоту вращения вала электродвигателя, ,и изменить паспортные номинальные характеристики приблизив их к расчетным.

Например, выбираем консольный насос К160/20. Мощность насоса =10,9 кBm, подача- =-160, напор, развиваемый насосом, = 20м