Процессы и аппараты пищевых производств 2

Контрольная работа №1 по

Процессам и аппаратам пищевых производств

Студента 3 курса ФБО ВГТА (г. Калуга)

Специальность 260601

Картанова Андрея Игоревича

Шифр 09-741

Задача № 1.

Определить необходимую длину песколовки шириной b для осаждения из промышленных стоков примесей минерального и органического происхождения, если в ней осветляется V сточных вод, их температура t , минимальный размер улавливаемых частиц d , плотность частиц rт
. Скорость движения стоков в песколовке v . Действительную скорость осаждения принять вдвое меньше теоретической. Описать методы интенсификации процесса осаждения.

Значения V
,
b
и v
принять по предпоследней цифре шифра:

Предпоследняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
V. 102 , м3 /с	1,0	1,4	1,8	2,2	2,6	3,0	3,4	3,8	4,0	4,4
B , м	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75
v , м/с	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9

Значения t
,
d
и r
т

принять по последней цифре шифра:

Последняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
t , 0 С	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30
d. 106 , м	75	72	70	65	60	55	50	45	40	35
r т , кг/м3	1550	1600	2120	1800	1750	1700	2230	2350	2700	1900

Решение задачи

Воспользуемся уравнением расхода

,

где b.
h –площадь поперечного сечения потока.

Тогда

.

Здесь v - скорость движения жидкости в песколовке

b -ширина песколовки

V – расход жидкости

м

Определим физические свойства жидкости для t=14о
С

ρс
=1000 кг/м3
, μс
=1,31.
10-3
Па.
с (приложение 1)

Рассчитаем число Архимеда

,

,

следовательно, режим осаждения ламинарный. Для расчета скорости осаждения воспользуемся формулой Стокса

,

м/с.

Найдем действительную скорость осаждения частиц

м/с.

Находим время пребывания частиц в песколовке

c

Найдем длину песколовки

l
=
v.
τ=1,4.
5,72=8 м.

Рассмотрим способыинтенсификации процесса осаждения.

Для ускорения процесса необходимо увеличть температуру, так как с повышением температуры согласно формуле Стокса уменьшается вязкость и увеличивается скорость осаждения частиц; а также увеличить размер осаждающихся частиц путем добавления специальных веществ - флокулянтов.

Задача №
2
.

Определить продолжительность разделения объема V
суспензии через 1 м2
фильтра, если при лабораторных исследованиях в подобных условиях с 1 м2
фильтра собрано фильтрата: q
1
через t
1
, q
2
через t
2
,q
3
через t
3
, q
4
через t
4
после начала фильтрования. Привести схему рамного фильтр-пресса, описать его устройство и работу.

Значение V
принять по предпоследней цифре шифра.

Предпоследняя цифра шрифта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
V × 103 , м3	10	12	14	16	18	20	22	24	21	19

Соответствующие значения t
и q
принять по последней цифре шифра.

Последняя цифра шрифта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
q 1 × 103 , м3 /м2	7,5	4,6	4,6	7,6	4,6	7,6	2,3	3,6	3,7	4,6
t 1 ,с	47	53	40	59	54	92	15	40	30	20
q 2 × 103 , м3 /м2	13,7	16,8	13,7	23,0	13,7	13,6	7,1	15,1	15,0	16,8
t 2 ,с	115	195	175	290	190	189	78	115	135	160
q 3 × 103 , м3 /м2	23,0	23,0	19,8	29,2	19,8	23,0	15,1	20,9	20,9	26,2
t 3 ,с	281	320	320	405	300	385	152	205	240	360
q 4 × 103 , м3 /м2	29,2	29,2	26,2	35,3	26,2	29,2	21,0	26,9	26,9	32,2
t 4 ,с	448	470	500	600	455	559	277	315	365	540

решения задачи

Определение констант процесса фильтрования выполним по традиционной методике .

Из графика м2
/с,

K – константа, учитывающая режим процесса фильтрования и физико-химические свойства осадка и жидкости, м2
/с;

С
– константа, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрованной перегородки, м3
/м2
.

Решим основное уравнение процесса фильтрования при постоянном перепаде давления при найденных значениях констант К
и С
.

Найдем приращения удельных объемов фильтрата Dq
1
, Dq
2
, Dq
3
, Dq
4
и приращения времени отбора известных объемов фильтрата Dt
1
, Dt
2
,Dt
3
, Dt
4
:

Dq
1
= q
1
= 4,6 × 10-3
м3
/м2
;

Dq
2
= q
2
– q
1
= (16,8 – 4,6) × 10-3
= 12,2 × 10-3
м3
/м2
;

Dq
3
= q
3
- q
2
= (23-16,8) × 10-3
= 6,2 × 10-3
м3
/м2
;

Dq
4
= q
4
- q
3
= (29,2 – 23) × 10-3
= 6,2 × 10-3
м3
/м2

и

Dt
1
= t
1
= 53 с;

Dt
2
= t
2
- t
1
= 195 – 53 = 142 с;

Dt
3
= t
3
- t
2
= 320 – 195 = 125 с;

Dt
4
= t
4
- t
3
= 470 – 320 = 150 с.

Для построения графической зависимости вычислим отношения :

;

.

Строим график зависимости (рисунок 1).

, тогда

,

, отсюда

м3
/м2
, м3
/м2
.

Т.к. удельная производительность не может быть отрицательной, то q
= q
1
= 1,86 × 10-4
м3
/м2
.

При постоянной движущей силе процесса фильтрования объем фильтрата V
, проходящий через 1 м2
фильтрованной поверхности за время t и время процесса фильтрования связаны уравнением

.

Подставив в него найденные константы процесса фильтрования К
и С
, определим продолжительность процесса фильтрования

с = = 2 мин 9 с.

Фильтр-пресс состоит из ряда чередующихся друг с другом плит и полых рам. Между рамами и плитами помещают фильтровальный пористый материал, пропускающий жидкость (фильтрат) и задерживающий твердые частицы, образующие на его поверхности осадок. После заполнения пространства рамы осадком фильтр разбирают, осадок удаляют, заменяют фильтрова

льный материал и вновь плотно сжимают плиты с рамами.

На рисунке 3 изображены плиты и рамы фильтр-пресса, а на рисунке 2 – схема работы плиточно-рамного фильтр-пресса [2].

1- средний канал; 5 – рама;

2,9 – каналы; 6 – канал для отвода фильтрата;

3 – пространство между плитами; 7 – кран;

4- плиты; 8 – боковой канал.

Рисунок 2 – Схема работы плиточно-рамного фильтр-процесса

Рисунок 3 –Схема работы плиточно – рамнго фильтр – пресса : А – стадия фильтрования, В – стадия промывки; 1 – средний канал; 2, 9 – каналы; 3 – пространство между плитами; 4 – плиты; 5 – рама; 6 – канал для отвода фильтрата; 7 – кран; 8 – боковой канал

А – плита, Б – рама;

1 – гладкая поверхность плиты;

2 – желобок;

3 – фильтровальная перегородка;

4 – канал для удаления фильтрата и промывной жидкости;

5 – отверстия для прохода суспензии;

6 – отверстия для прохода промывной жидкости.

Рисунок 3 – Плиты и рамы фильтр-пресса

Задача №
3.

Определить мощность электродвигателя мешалки диаметром d
для перемешивания суспензии слоем H
, если плотность жидкой фазы r
, а ее вязкость m
. Объемное содержание твердых частиц в суспензии x, плотность твердых частиц r
ч
. Окружная скорость лопастей мешалки w
.

Значения d
, H
, w
, x
и тип мешалки принять по предпоследней цифре шифра.

Предпоследняя цифра шифра:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
d , м	1,00	0,60	0,80	0,70	0,30	0,60	0,95	0,40	0,25	0,50
H , м	2,0	1,7	2,2	1,4	1,1	2,0	1,9	1,2	1,0	1,8
w , м/с	4,0	5,2	6,3	3,5	11,5	7,1	2,9	8,0	12,5	7,9
x , % об.	5	9	15	6	10	18	7	22	12	25
Тип мешалки	лопастная	пропеллерная	турбинная	лопастная	пропеллерная	турбинная	лопастная	турбинная	пропеллерная	турбинная

Значения r, m и rч
принять по последней цифре шифра.

Последняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
r , кг/м3	1000	1050	1100	1150	1200	1250	1080	1130	1180	1210
m , Па×с	0,025	0,040	0,065	0,050	0,075	0,080	0,090	0,100	0,125	0,085
r ч ,кг/м3	1400	1500	1600	1700	1650	1800	1700	1900	2000	1850

Пример решения задачи

Суспензией называется жидкая неоднородная система, состоящая из жидкой фазы и равномерно распределенной в ней твердой фазы.

Определим плотность и вязкость суспензии [1].

Плотность

,

где x
= 9 % (0,09) – объемное содержание твердых частиц в суспензии; r
тв
= r
ч
= 1700 кг/м3
– плотность твердых частиц; r
ж
= r
= 1080 кг/м3
– плотность жидкой фазы.

Тогда5

кг/м3
.

Т.к. объемная концентрация твердой фазы в суспензии меньше 10 %, то динамическую вязкость суспензии определим по формуле Бачинского А.И. [1]

,

где = m
= 0,090 Па×с – вязкость жидкой фазы.

Тогда

Па×с.

Определим скорость вращения мешалки из выражения

,

где w
– окружная скорость лопастей пропеллерной мешалки, м/с; n – частота вращения мешалки, ; d
– диаметр мешалки;

w
= 5,2 м/с (по условию) .

Тогда

.

Для пропеллерных мешалок в аппаратах без перегородок диаметр аппарата D
= 3d
= 0,30×3=0,9 м.

Т.к. , то мешалка отличается от геометрически подобных мешалок (для которых проведены исследования и в литературе представлены значения коэффициентов мощности С) и следует определить поправку по формуле [9]

.

Рассчитаем модифицированный критерий Рейнольдса:

.

По графику зависимости коэффициента сопротивления С
от критерия Рейнольдса [1] для пропеллерной мешалки в аппарате без перегородок (кривая 6) С
= 0,30 (приложение 2).

Мощность на перемешивание в рабочий период

ND
=0,3*0,35
*12,2083
*1082,741*1,127=1618,488 Вт = 1,1618488 кВт

Лопасти пропеллерных мешалок изогнуты по профилю судового винта. Пропеллер обычно имеет три лопасти. Диаметр пропеллера равен 0,25 – 0,3 диаметра аппарата. Скорость вращения пропеллера составляет 160 – 1000 об/мин.

Пропеллерные мешалки создают интенсивные осевые потоки, способствующие лучшему перемешиванию суспензии.

Задача
4
.

Определить коэффициент теплоотдачи от стенки трубки конденсатора к охлаждающей воде, если средняя по длине температура стенки tс
, внутренний диаметр трубки d, температура воды на входе и выходе из трубки равны соответственно t1
и t2
и средняя скорость воды v.

Определить также количество передаваемой теплоты и длину трубки.

Значения tс
, t1
и t2
принять по предпоследней цифре шифра.

Предпоследняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
tс , о С	1000	1050	1100	1150	1200	1250	1080	1130	1180	1210
t1 , о С	0,025	0,040	0,065	0,050	0,075	0,080	0,090	0,100	0,125	0,085
t2 о С	1400	1500	1600	1700	1650	1800	1700	1900	2000	1850

Значения d и υ принять по последней цифре шифра.

Предпоследняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
d∙103 , м	10	15	20	25	32	40	50	65	80	100
υ,м/с	1,1	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2

Пример решения задачи.

Определим среднюю температуру воды

о
С

По приложению 1 [2] определим теплофизические свойства воды

при tср
= 20 о
С

ρ=998 кг/м3
плотность воды

μ= 1·10-3
Па·с динамический коэффициент вязкости

λ=0,599 Вт/(м·К) коэффициент теплопроводности

с=4190 Дж/(кг·К) коэффициент теплоемкости

Рr= 7,02 число Прандтля

Определим режим течения, критерий Рейнольдса равен

Т.к. Re>10000, то режим течения турбулентный и критериальное уравнение для расчета критерия Нуссельта имеет вид

,

где Prст
=3,26 - число Прандтля, определенное при tс
=55 о
С

Nu=0,021·239520,8
·7,020,43
(7,02/3,26)0,25
=187,5

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

Вт/(м2
·К)

Расход воды

кг/с

Количество отдаваемого тепла с учетом потерь в окружающую среду

0,752·4190·(32-8)·1,04=78646 Вт

χ=1,03-1,05 – коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду.

Удельный тепловой поток

2808·(55-20)=98280 Вт/м2

Длина трубки

м

Список литературы

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 2004.
Практикум по процессам и аппаратам пищевых производств: Учеб пособие/ А.В. Логинов, Л.Н. Ананьева, Ю.В. Красовицкий, С.В. Энтин; Воронеж. Гос. Технол. Акад. Воронеж, 2003.336 с.
Асмолова Е.В. Процессы и аппараты пищевых производств (руководство по изучению курса) [Текст] : учеб. пособие / Е.В. Асмолова, Ю.В. Красовицкий, А.В. Логинов; Воронеж. гос. технол. акад. – Воронеж : ВГТА, 2007 – 308 с.