Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФГБОУ ВО ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ПензГТУ)

Факультет биотехнологий (ФБТ)

Кафедра «Биотехнологии и техносферная безопасность»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина: «Процессы и аппараты биотехнологии»

на тему: «Расчет вакуум-барабанного фильтра»

Выполнил: студент гр. 14БТ1бз

Епифанова Ю.А.

Проверил: к.т.н., доцент каф. БТБ

Красная Е.Г.

Пенза, 2017 г.



ЗАДАНИЕ на курсовую работу по дисциплине «Процессы и аппараты биотехнологии» Студенту Епифановой Юлии Абдулхаковне Группы 14БТ1бз

Вариант - 02

Тема работы: «Рассчитать вакуум-барабанный фильтр производительностью V=1,4 т/сут.»

Исходные данные:

1.Вакуумное давление в аппарате составляет Дp =400 мм.рт.ст;

2.Среднее удельное сопротивление осадка r=43,21•10 ¹⁰ м/кг сухого осадка;

3. Удельное сопротивление фильтрующей ткани r_тк=11,43 •10 ¹⁰ м/м² ;

4. Масса твердого вещества отлагающегося на фильтре, при получении 1 м³ фильтрата с=207,5 кг/м³;

5. Заданная толщина слоя осадка д=10 мм;

6. Объем влажного осадка, получаемого при прохождении через фильтр 1 м³ фильтрата, 0,686 м³;

7. Плотность влажного осадка 1220 кг/м³ (при влажности 75,2% плотность фильтрата 1110 кг/м³);

8. Общее число секции фильтра z = 24 (по аналогии с применяющимися барабанными фильтрами);

9. Динамический коэффициент вязкости фильтрата (при температуре фильтрования 50° С = 1,51 * 10^-3Па•с;

10. Время просушки осадка на фильтре ф_с=1,5 мин;

11. Концентрация исходной суспензии 18 %.

Руководитель Красная Е.Г.

Задание получил «13» июня 2017 г.

Студент Епифанова Ю.А. __________

Реферат

Пояснительная записка курсовой работы содержит 29 листов, 12 рисунков, список литературы из 8 наименований источников.

Графическая часть состоит из одного листа формата А1.

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ, ПРОЦЕСС ПЕРЕМЕШИВАНИЯ, БАРАБАННЫЙ ВАКУУМ-ФИЛЬТР, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, ФИЛЬТРАТ.

Целью курсовой работы является:

Рассчитать необходимую поверхность фильтрации барабанного вакуум фильтра, подобрать по каталогам стандартный фильтр и определить число фильтров, обеспечивающих заданную производительность.

Теоретический вопрос: "Процесс перемешивания жидких, сыпучих и пастообразных материалов"

Объектом разработки является:

· технологический расчет вакуум-барабанного фильтра;

· выполнение чертежа общего вида фильтра.



Содержание

барабанный вакуум фильтр материал

1. Процессы перемешивания

1.1 Основные характеристики

1.2 Смеси

1.3 Способы перемешивания

2. Перемешивающие устройства

2.1 Лопастные мешалки

2.2 Листовые мешалки

2.3 Пропеллерные мешалки

2.4 Турбинные мешалки

2.5 Специальные мешалки

2.6 Выбор мешалки

3. Принцип работы барабанного вакуум-фильтра

4. Расчет барабанного вакуум-фильтра

Заключение

Библиографический список



1. Процессы перемешивания

1.1 Основные характеристики процесса перемешивания

Перемешивание - один из самых распространенных процессов на предприятиях пищевой и химической промышленности. При перемешивании частицы жидкости или сыпучего материала многократно перемещаются в объеме аппарата или емкости друг относительно друга под действием импульса, который передается перемешиваемой среде от механической мешалки или струи жидкости, газа или пара

Цели перемешивания:

1. ускорение течения химических реакций или процессов;

2. обеспечение равномерного распределения твердых частиц в жидкости;

3. обеспечение равномерного распределения жидкости в жидкости;

4. интенсификация нагревания или охлаждения;

5. обеспечение стабильной температуры по всей жидкости.

Существует много конструкций перемешивающих устройств, но наиболее распространены механические мешалки с вращательным движением перемешивающих органов. Наряду с этим осуществляется перемешивание газом или паром, перемешивание циркуляцией жидкости, вибрационное или пульсационное перемешивание.

Каждый из перечисленных типов перемешивающих устройств имеет свои специфические преимущества и недостатки и определенную область применения.

При подборе перемешивающего устройства или способа перемешивания используются следующие основные понятия:

Степень перемешивания или степень взаимного распределения двух или более веществ или жидкостей после окончания перемешивания всей системы. Степень перемешивания, иногда называемая показателем однородности, определяется опытным путем на основании взятых проб и используется для определения эффективности перемешивания.

Интенсивность перемешивания, выражаемая с помощью определенных величин, таких как частота вращения мешалки, расходуемая на перемешивание мощность, приведенная к единице объема или плотности продукта. На практике интенсивность перемешивания определяется временем достижения конкретного технологического результата, т.е. равномерности перемешивания.

Эффективность перемешивания, определяемая возможностью достижения требуемого качества перемешивания за кратчайшее время и с минимальными затратами энергии. Таким образом, из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором результат достигается с наименьшими затратами энергии. [2]

1.2 Смеси

Любое сырье и промежуточные продукты представляют собой определенные технические продукты, которые подвергаются переработке: разделение на чистые вещества или наоборот, добавление к ним других компонентов для создания новых смесей.

Смеси веществ делятся на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные). В таблице-1 представлены примеры различных смесей.

Таблица 1

Варианты смеси веществ в разных агрегатных состояниях

Агрегатное состояние составных частей (до образования смеси)	Гомогенная смесь (гомогенная система)	Гетерогенная смесь (гетерогенная система)
Твёрдое - твёрдое	Твёрдые растворы, сплавы (например латунь, бронза)	Горные породы (например гранит, минералосодержащие руды и др.)
Жидкое - жидкое	Жидкие растворы (например, уксус - раствор уксусной кислоты в воде)	Двух- и многослойные жидкие системы, эмульсии (например, молоко - капли жидкого жира в воде)
Твёрдое - жидкое	Жидкие растворы (например, водные растворы солей)	Твёрдое в жидком - суспензии или взвеси (например, частицы глины в воде, коллоидные растворы) Жидкое в твёрдом - жидкость в пористых телах (например, почвы, грунты)
Твёрдое - газообразное	Хемосорбированный водород в платине, палладии, сталях	Твёрдое в газообразном - порошки, аэрозоли, в том числе дым, пыль, смог Газообразное в твёрдом - пористые материалы (например, кирпич, пемза)
Жидкое - твёрдое	Твёрдые жидкости (например, стекло - твёрдое, но всё же жидкость)	Может принимать разную форму и фиксировать её (например, посуда - разной формы и цвета)
Жидкое - газообразное	Жидкие растворы (например, раствор диоксида углерода в воде)	Жидкое в газообразном - аэрозоли жидкости в газе, в том числе туманы Газообразное в жидком - пены (например, мыльная пена)
Газообразное - газообразное	Газовые растворы (смеси любых количеств и любого числа газов), напр. воздух.	Гетерогенная система невозможна

В гомогенных смесях составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов, поскольку вещества находятся в раздробленном состоянии на микроуровне. Гомогенными смесями являются смеси любых газов и истинные растворы, а также смеси некоторых жидкостей и твёрдых веществ, например сплавы. [3]

В гетерогенных смесях либо визуально, либо с помощью оптических приборов можно различить области (агрегаты) разных веществ, разграниченные поверхностью раздела; каждая из этих областей внутри себя гомогенна. Такие области называются фазой.

Гомогенная смесь состоит из одной фазы, гетерогенная смесь состоит из двух или большего числа фаз. Гетерогенные смеси, в которых одна фаза в виде отдельных частиц распределена в другой, называются дисперсными системами. В таких системах различают дисперсионную среду (распределяющую среду) и дисперсную фазу (раздробленное в дисперсионной среде вещество).

Необходимо различать смеси и сложные вещества. Смеси в отличие от сложных веществ:

· образуются с помощью физического процесса-смешивания чистых веществ;

· свойства чистых веществ, из которых составлена смесь, остаются неизменными;

· чистые вещества (простые и сложные) могут находиться в смеси в любом массовом соотношении. [3]

Смеси образуются в результате смешения различных компонентов. Смешение является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии и смежных с ней отраслей промышленности. Смешение может протекать:

· самопроизвольно за счет диффузии смешиваемых компонентов;

· под действием внешних сил, создаваемых рабочими органами смесительных машин;

· в результате действия обоих факторов.

Смешение и перемешивание являются словами синонимами. Принято для твердых сыпучих и пастообразных материалов применять термин смешение. Для жидких сред и газообразных веществ используют термин перемешивание.

При смешении распределение частиц отдельных компонентов в смешиваемой среде случайно и происходит под действием множества сил, например сил тяжести, инерционных и различных гидродинамических и механических сил. При этом одновременно может происходить их дистанцирование и сегрегация, распределение в объеме и седиментация.

При перемешивании стремятся достигнуть совершенного взаимного распределения частиц. Совершенным, или полным, называют такое перемешивание, в результате которого бесконечно малые пробы смеси, отобранные в любом месте перемешиваемой системы, будут иметь одинаковый состав или одинаковую температуру. Поскольку достичь такого состояния не представляется возможным, на практике для качественной характеристики процесса смешения используют различные критерии качества смеси. [3]

Готовые смеси чаще всего представлены растворами, эмульсиями, суспензиями, пастами, зернистыми композициями, газожидкостными смесями.

Растворы - гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом, это также система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия.

Эмульсии - дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой (реже газовой) дисперсной фазой.

Суспензии - грубодисперсные системы с твёрдой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Зернистые смеси - смеси, состоящие из большого количества зернистых частиц.

Газожидкостные смеси - многофазные дисперсные системы, физико-химические свойства которых зависят от объемного соотношения жидкой и газообразной фаз в смеси. [4]

1.3 Способы перемешивания

Способы перемешивания в зависимости от физического состояния перемешиваемых компонентов.

1. Циркуляционное и поточное перемешивание.

При транспортировании жидкости по данным трубам с большой скоростью происходит интенсивное перемешивание - турбулизация потока. Поэтому для перемешивания жидкостей, содержащихся в аппарате, достаточно поставить рядом с аппаратом циркуляционный насос, который в течение некоторого времени будет перекачивать жидкость. Такое перемешивание называют циркуляционным. Эффективность перемешивания значительно возрастает, если жидкость в аппарате распыляется или вводится тангенциально. Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от расхода жидкости в циркуляционном насосе и объёма самого аппарата. Для смешивания чистых жидкостей, например, спирта-сырца и воды при ректификации спирта, используют струйные насосы. При этом перемешивание происходит в потоке и называется поточным. Для перемешивания невязких жидкостей в трубопроводах устраивают смесители, рабочий орган которых выполнен из последовательно установленных разно закрученных шнеков или турбинок. Поточное перемешивание осуществляется за счёт кинетической энергии потоков. Эти же устройства можно использовать для перемешивания жидкостей и газов.

В бродильных производствах применяют полочные смесители. На полках смешивается патока и вода. При этом холодная и горячая вода подаётся на разные полки по зонам, что позволяет поддерживать заданную температуру.

2. Гравитационное перемешивание

В подготовительных цехах химических производств часто требуется составить смесь из нескольких сухих сыпучих компонентов. При этом твердый сыпучий материал поднимается на определенную высоту и опускается под действием сил тяжести, описывая более или менее сложные траектории, перемешиваясь при этом. Наиболее распространены для этих целей шнековые смесители, рабочим органом которых является один или несколько шнеков. Хорошее перемешивание сыпучих материалов достигается во вращающихся барабанах. Ось вращения барабана наклонена к горизонту, и это обеспечивает перемещение материала не только в вертикальной плоскости, но и вдоль оси барабана. Барабаны вращаются, как правило, с малой частотой (5…10 об/мин). Для увеличения высоты подъёма материала на внутренней поверхности барабана устраивают специальные лопатки. Процессы перемешивания сыпучих материалов можно интенсифицировать, применяя механические вибрации, сопровождающие перемешивание шнеками, или вращающимися на валу лопатками. Такие устройства называют вибросмесителями.

3. Механическое перемешивание.

Механическое перемешивание является самым распространенным способом перемешивания в жидких средах. Оно производится при помощи специальных устройств - пропеллерных, лопастных, турбинных, якорных и рамных мешалок. Как правило, технические жидкости имеют различные характеристики, поэтому и механизмы для перемешивания отличаются по своим характеристикам и рабочим параметрам.

4 Пневматическое перемешивание

Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом используют, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки. Перемешивание сжатым газом является малоинтенсивным процессом. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Пневматическое перемешивание не применяют для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта. Перемешивание воздухом может сопровождаться окислением или осмолением веществ. Перемешивание сжатым газом проводят в аппаратах, снабженных специальными устройствами - барботером или центральной циркуляционной трубой. Барботер представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости. При циркуляционном (эрлифтном) перемешивании газ подают в циркуляционную трубу. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости. [5]

5 Электромагнитное перемешивание

Данный тип перемешивания может быть использован в способах интенсификации технологических процессов в жидких металлах. Согласно предлагаемому способу перемешивание электропроводных расплавов в миксерах, печах осуществляют одновременным воздействием бегущего электромагнитного поля и одного или нескольких пульсирующих электромагнитных полей, расположенных в зоне бегущего поля, действующих по всей высоте столба расплава с боковой стороны миксера. Воздействующие на расплав поля создают его движение в одну или попеременно в одну и другую стороны на протяжении всего времени перемешивания в плоскости, параллельной боковой стороне миксера или печи. Посредством варьирования интенсивности пульсирующих электромагнитных полей на входе и выходе бегущего электромагнитного поля, можно изменять траекторию движения электропроводного расплава в процессе перемешивания. Электромагнитное перемешивание в открытых либо закрытых стеклянных сосудах осуществляют часто с помощью электромагнитных мешалок.

Принцип функционирования этих мешалок основан на том, что укрепленный на оси вертикально расположенного мотора электромагнит при вращении с частотой до 24с^-1 приводит в движение якорь из мягкого железа. Последний помещают в графитовую, стеклянную или полимерную ампулу, которую запаивают и помещают на дно аппарата. Электромагнитные мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (при гидрировании, электролизе, титровании и т.д.), при работе в глубоком вакууме и др. При необходимости изолировать реакционную смесь от действия воды и воздуха, а также для предотвращения утечки летучих веществ мешалки герметизируют резиновыми или корковыми пробками, жидкостными затворами (ртутными или глицериновыми), цилиндрическими стеклянными шлифами.

Недостатками данного способа являются:

· низкая эффективность перемешивания расплава в "мертвой зоне" между входом и выходом канала и в углах миксера, печи;

· устройства, реализующие способ, в частности тонкостенный канал или металлопрокат, имеют низкую надежность при воздействии на них высокотемпературных металлических расплавов. [7]

Способы перемешивания в зависимости от организации самого процесса.

При периодическом перемешивании все отдельные стадии процесса протекают последовательно, в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен по времени для одной и той же точки объема. В таком процессе продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Параметры процесса изменяются во времени.

При непрерывном перемешивании все отдельные стадии процесса биохимического превращения вещества (подача реагирующих веществ, биохимические реакции, вывод конечного продукта) осуществляются параллельно, одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в каждый момент времени в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема. Параметры процесса постоянны во времени.

. При полунепрерывном перемешивании один из реагентов поступает непрерывно, а другой - периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают периодически, а продукты реакции выгружаются непрерывно. Данный способ применяется, когда изменение скорости подачи реагентов позволяет регулировать скорость процесса. [7]

2. Перемешивающие устройства

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или клиноременную передачу. По устройству лопастей различают мешалки лопастные, листовые, пропеллерные, турбинные и специальные. По типу создаваемого мешалкой потока жидкости в аппарате различают мешалки, обеспечивающие преимущественно тангенциальное, радиальное и осевое течения. При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Перемешивание происходит за счет вихрей, возникающих на кромках мешалки. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости равна скорости вращения мешалки.

Радиальное течение характеризуется направленным движением жидкости от мешалки к стенкам аппарата перпендикулярно оси вращения мешалки. Осевое течение жидкости направлено параллельно оси вращения мешалки определяют области их применения.

При высоких скоростях вращения мешалок перемешиваемая жидкость вовлекается в круговое движение и вокруг вала образуется воронка, глубина которой увеличивается с возрастанием числа оборотов и уменьшением плотности и вязкости среды. Для предотвращения образования воронки в аппарате помещают отражательные перегородки, которые, кроме того, способствуют возникновению вихрей и увеличению турбулентности системы. Образование воронки можно предотвратить и при полном заполнении жидкостью аппарата, т. е. при отсутствии воздушной прослойки между перемешиваемой жидкостью и крышкой аппарата, а также при установке вала мешалки эксцентрично к оси аппарата или применении аппарата прямоугольного сечения. Помимо этого, отражательные перегородки устанавливают во всех случаях при перемешивании в системах газ-жидкость. Применение отражательных перегородок, а также эксцентричное или наклонное расположение вала мешалки приводит к увеличению потребляемой ею мощности. [5]

2.1 Лопастные мешалки

Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу (рис. 1). К лопастным мешалкам относятся также и некоторые мешалки специального назначения: якорные, рамные и листовые. Вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки.

Развитие турбулентности в объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика. Поэтому лопастные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, вязкость которых не превышает 103 мн. сек/м 2. Эти мешалки непригодны для перемешивания в протоке, например в аппаратах непрерывного действия. Некоторое увеличение осевого потока жидкости достигается при наклоне лопастей под углом 30-45° к оси вала. Такая мешалка способна удерживать во взвешенном состоянии частицы, скорость осаждения которых невелика. С целью увеличения турбулентности среды при перемешивании лопастными мешалками в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру используют многорядные двухлопастные мешалки с установкой на валу нескольких рядов мешалок, повернутых друг относительно друга на 90°. Расстояние между отдельными рядами выбирают в пределах (0,3-0,8d), где d - диаметр мешалки, в зависимости от вязкости перемешиваемой среды.

Для перемешивания жидкостей вязкостью не более 104 мн. сек/м 2, а также для перемешивания в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашки или внутренних змеевиков, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка или загрязнение теплопередающей поверхности, применяют якорные (рис.2) или рамные (рис.3) мешалки. Они имеют форму, соответствующую внутренней форме аппарата, и диаметр, близкий к внутреннему диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений. [5]

Достоинства лопастных мешалок:

· простота устройства и дешевизна изготовления;

· вполне удовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей.

Недостатки:

· малая интенсивность перемешивания вязких жидкостей;

· непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.

Основные области применения лопастных мешалок:

· перемешивание жидкостей небольшой вязкости;

· растворение и суспендирование твердых веществ;

· грубое смешение жидкостей. [6]

Рисунок 1 Лопастная мешалка



Рисунок 2 Якорная мешалка

Рисунок 3 Рамная мешалка

2.2 Листовые мешалки

Листовые мешалки (рис.4) имеют лопасти большей ширины, чем у лопастных мешалок, и относятся к мешалкам, обеспечивающим тангенциальное течение перемешиваемой среды. Кроме чисто тангенциального потока, который является преобладающим, верхние и нижние кромки мешалки создают вихревые потоки, подобные тем, которые возникают при обтекании жидкостью плоской пластины с острыми краями. При больших скоростях вращения листовой мешалки на тангенциальный поток накладывается радиальное течение, вызванное центробежными силами. Листовые мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (вязкостью менее 50 мн. сек/м 2), интенсификации процессов теплообмена, при растворении. Для процессов растворения используют листовые мешалки с отверстиями в лопастях. При вращении такой мешалки на выходе из отверстий образуются струи, способствующие растворению твердых материалов. Основные размеры лопастных мешалок изменяются в зависимости от вязкости среды. Обычно для лопастных мешалок принимают следующие соотношения размеров: диаметр мешалки d = (0,66-0,9)D (D- внутренний диаметр аппарата), ширина лопасти мешалки b = (0,1 - 0,2)D, высота уровня жидкости в сосуде H = (0,8-1,3)D, расстояние от мешалки до дна сосуда h d 0,3D. Для листовых мешалок d = (0,3-0,5) D, b = (0,5-1,0)D, h = (0,2-0,5) D. Окружная скорость лопастных и листовых мешалок в зависимости от вязкости перемешиваемой среды может изменяться в широких пределах (от 0,5 - 5,0 сек-1), причем с увеличением вязкости и ширины лопасти скорость вращения мешалки уменьшается. При высоких скоростях вращения лопастных мешалок в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Листовые мешалки, как правило, без отражательных перегородок не применяют. [5]

Рисунок 4 Листовая мешалка

2.3 Пропеллерные мешалки

Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер (рис.5) - устройство с несколькими фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллеры. На валу мешалки, который может быть расположен вертикально, горизонтально или наклонно, в зависимости от высоты слоя жидкости устанавливают один или несколько пропеллеров. Вследствие более обтекаемой формы пропеллерные мешалки при одинаковом числе Рейнольдса потребляют меньшую мощность, чем мешалки прочих типов.



Рисунок 5 Пропеллерная мешалка

Рисунок 6 Пропеллерная мешалка с диффузором: 1- корпус аппарата, 2- вал, 3- пропеллер, 4- диффузор

Пропеллерные мешалки создают преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды и, как следствие этого,- большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность перемешивания. Их эффективность сильно зависит от формы аппарата и расположения в нем мешалки. Пропеллерные мешалки следует применять в цилиндрических аппаратах с выпуклыми днищами. При установке их в прямоугольных баках или аппаратах с плоскими или вогнутыми днищами интенсивность перемешивания падает вследствие образования застойных зон. [5]

Для улучшения перемешивания больших объемов жидкостей и организации направленного течения жидкости (при большом отношении высоты к диаметру аппарата) в сосудах устанавливают направляющий аппарат, или диффузор (рис. 6). Диффузор представляет собой короткий цилиндрический или конический стакан, внутри которого помещают мешалку. При больших скоростях вращения мешалки в отсутствие диффузора в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Пропеллерные мешалки применяют для перемешивания жидкостей вязкостью не более 2.103 мн. сек/м 2, для растворения, образования взвесей, быстрого перемешивания, образования маловязких эмульсий и гомогенизации больших объемов жидкости. Для пропеллерных мешалок принимают следующие соотношения основных размеров: диаметр мешалки d= (0,2-0,5) D, шаг винта s=(1,0- 3,0) D, расстояние от мешалки до дна сосуда h=(0,5-1,0) d, высота уровня жидкости в сосуде Н=(0,8-1,2)D. Число оборотов пропеллерных мешалок достигает 40 в секунду, окружная скорость - 15 м/сек. [5]

Достоинства пропеллерных мешалок:

· интенсивное перемешивание;

· умеренный расход энергии, даже при значительном числе оборотов;

· невысокая стоимость.

Недостатки:

· малая эффективность перемешивания вязких жидкостей;

· ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости.

Пропеллерные мешалки применяются главным образом для следующих, целей:

· интенсивное перемешивание маловязких жидкостей;

· приготовление суспензий и эмульсий;

· взмучивание осадков, содержащих до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм. [6]

2.4 Турбинные мешалки

Эти мешалки имеют форму колес водяных турбин с плоскими, наклонными или криволинейными лопатками, укрепленными, как правило, на вертикальном валу (рис. 7). В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные потоки жидкости. При работе турбинных мешалок с большим числом оборотов наряду с радиальным потоком возможно возникновение тангенциального (кругового) течения содержимого аппарата и образование воронки. В этом случае в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Закрытые турбинные мешалки (рис. 7) в отличие от открытых (рис. 7 а, б, в) создают более четко выраженный радиальный поток. Закрытые мешалки имеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости; диски сверху и снизу привариваются к плоским лопастям. Жидкость поступает в мешалку параллельно оси вала, выбрасывается мешалкой в радиальном направлении и достигает наиболее удаленных точек аппарата. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата. При больших значениях отношения высоты к диаметру аппарата применяют многорядные турбинные мешалки. Мощность, потребляемая турбинными мешалками, работающими в аппаратах с отражательными перегородками, при турбулентном режиме перемешивания практически не зависит от вязкости среды. Поэтому мешалки этого типа могут применяться для смесей, вязкость которых во время перемешивания изменяется.

Турбинные мешалки широко применяют для образования взвесей (размер частиц для закрытых мешалок может достигать 25 мм.), растворения, абсорбции газов и интенсификации теплообмена. Для перемешивания в больших объемах (например, при гомогенизации жидкостей в хранилищах, объем которых достигает 2500 м3 и более) турбинные мешалки менее пригодны, чем пропеллерные мешалки или сопла. В зависимости от области применения турбинные мешалки обычно имеют диаметр d = (0,15-0,65) D при отношении высоты уровня жидкости к диаметру аппарата не более двух. При больших значениях этого отношения используют многорядные мешалки. Число оборотов мешалки колеблется в пределах 2-5 в секунду, а окружная скорость составляет 3-8 м/сек. [5]



а - открытая с прямыми лопатками; б - открытая криволинейными лопатками; в - открытая с наклонными лопатками; г - закрытая с направляющим аппаратом; 1- турбинная мешалка; 2- направляющий аппарат

Рисунок 7 Турбинная мешалка

Достоинства турбинных мешалок:

· быстрота перемешивания и растворения;

· эффективное перемешивание вязких жидкостей;

· пригодность для непрерывных процессов.

Недостатком турбинных мешалок является сравнительная сложность и высокая стоимость изготовления. Области применения турбинных мешалок:

· интенсивное перемешивание и смешивание жидкостей различной вязкости, которая может изменяться в широких пределах (мешалки открытого типа до 105 спз., мешалки закрытого типа до 5 * 105 спз);

· тонкое диспергирование и быстрое растворение;

· взмучивание осадков в жидкостях, содержащих 60% и более твердой фазы (для открытых мешалок - до 60%); допустимые размеры твердых частиц: до 1,5 мм для открытых мешалок, до 25 мм для закрытых мешалок.[6]

2.5 Специальные мешалки

К этой группе относятся мешалки, имеющие более ограниченное применение, чем мешалки рассмотренных выше типов.

Барабанные мешалки (рис. 8) состоят из двух цилиндрических колец, соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения. Высота мешалки составляет 1,5-1,6 ее диаметра. Мешалки этой конструкции создают значительный осевой поток и применяются (при отношении высоты столба жидкости в аппарате к диаметру барабана не менее 10) для проведения газожидкостных реакций, получения эмульсий и взмучивания осадков.

Рисунок 8 Барабанная мешалка

Дисковые мешалки (рис.9) представляют собой один или несколько гладких дисков, вращающихся с большой скоростью на вертикальном валу. Течение жидкости в аппарате происходит в тангенциальном направлении за счет трения жидкости о диск, причем сужающиеся диски создают также осевой поток. Иногда края диска делают зубчатыми. Диаметр диска составляет 0,1-0,15 диаметра аппарата. Окружная скорость равна 35 м/сек, что при небольших размерах диска соответствует очень высоким числам оборотов. Потребление энергии колеблется от 0,5 кВт для маловязких сред до 20 кВт для вязких смесей. Дисковые мешалки применяются для перемешивания жидкостей в объемах до 4 м3. [5]

Рисунок 9 Дисковая мешалка

Вибрационные мешалки имеют вал с закрепленными на нем одним или несколькими перфорированными дисками (рис. 10). Диски совершают возвратно-поступательное движение, при котором достигается интенсивное перемешивание содержимого аппарата. Энергия, потребляемая мешалками этого типа, невелика. Они используются для перемешивания жидких смесей и суспензий преимущественно в аппаратах, работающих под давлением. Время, необходимое для растворения, гомогенизации, диспергирования при использовании вибрационных мешалок, значительно сокращается. Поверхность жидкости при перемешивании этими мешалками остается спокойной, воронки не образуется. Вибрационные мешалки изготовляются диаметром до 300 мм и применяются в аппаратах емкостью не более 3 м3. [5]



Рисунок 10 Устройство дисков вибрационных мешалок

2.6 Выбор мешалки

Выбор того или иного типа мешалок определяется целевым назначением перемешивающих устройств и конкретными условиями протекания процесса. Какие-либо четкие рекомендации по этому вопросу пока не могут быть сформулированы. Поэтому при выборе того или иного типа перемешивающих устройств можно использовать ориентировочные характеристики условий целесообразного применения различных типов мешалок, приведенных в таблице 2. [6]

Таблица 2

Ориентировочные характеристики для выбора мешалки

Тип мешалок	Объем жидкости, перемешиваемой одной мешалкой, м3	Содержание твердой фазы при суспенди ровании, %	Динамическая вязкость перемешиваемой жидкости, кг/(м*с)	Окружная скорость мешалки, м/с	Частота вращения мешалки
Лопастные	<1,5	<5	< 0,01	1,7-5,0	0,3-1,35
Пропеллерные	<4,0	<10	<0,06	4,5-17,0	8,5-20,0
Турбинные: - Открытые - Закрытые	<10,0 <20,0	<60 60 и больше	<1,00 <5,00	1,8-13,0 2,1-8,0	0,7-10,0 1,7-6,0
Специальные	<20,0	<75	< 5,00	6,0-30,0	1,7-25,0



3. Принцип работы барабанного вакуум-фильтра

Рисунок 11 Схема работы и общий вид барабанного вакуум - фильтра непрерывного действия с наружной фильтрующей поверхностью: 1 - барабан; 2 - корыто

I - зона фильтрования и отсоса фильтрата; II - зона промывки осадка и отсоса промывных вод; III - зона съема осадка; IV - зона очистки фильтровальной ткани.

Рисунок 12 Барабанный вакуум фильтр с внутренней фильтрующей поверхностью: 1-барабан; 2- решетка; 3- нож; 4- бандаж; 5- разгрузочный желоб; 6 - оросительная труба; 7- распределительная головка

Фильтр имеет вращающийся цилиндрический перфорированный барабан 1, покрытый металлической сеткой 2 и фильтровальной тканью 3. Часть поверхности барабана (30-40%) погружена в суспензию, находящуюся в корыте. С помощью радиальных перегородок барабан разделен на ряд изолированных друг от друга ячеек (камер) 9.

Ячейки с помощью труб 10, составляющих основу вращающейся части распределенной головки 11, соединяется с различными полостями неподвижной части распределительной головки 12, к которым подведены источники вакуума и сжатого воздуха. При вращении барабана каждая ячейка проходит несколько зон (I-IV).

Зона I - зона фильтрования и подсушивания осадка; где ячейки соединяются с линией вакуума. Благодаря возникающему перепаду, давления фильтрат проходит через фильтровальную ткань 3, сетку 2 и перфорацию барабана 1 внутрь ячейки и по трубе 10 выводится из аппарата. На наружной поверхности фильтровальной ткани формируется осадок 4. При выходе ячеек из суспензии осадок частично подсушивается.

Зона II - зона промывки осадка и его сушки, где ячейки соединены с линией вакуума. С помощью устройства 8 подается промывная жидкость, которая проходит через осадок и по трубам 10 выводится из аппарата. На участке этой зоны, где промывная жидкость не поступает, осадок высушивается.

Зона III - зона съема осадка, здесь ячейки соединены с линией сжатого воздуха для распыления осадка, что облегчает его удаление. Затем с помощью ножа 5 осадок отделяется от поверхности ткани.

Зона IV - зона регенерации фильтровальной перегородки, которая продувается сжатым воздухом от оставшихся на ней твердых частиц.

В корыте 6 для суспензии происходит осаждение твердых частиц под действием силы тяжести, причем в направлении обратном движению фильтрата. В связи с этим возникает необходимость перемешивания суспензий, для чего используют мешалку 7. Ячейки при вращении барабана проходят так, называемые «мертвые» зоны в которых они оказываются отсоединенными от источников, как вакуума, так и сжатого газа.

Весь цикл операций повторяется. Таким образом, на каждом участке поверхности фильтра все операции происходят последовательно одна за другой, но участки работают независимо, поэтому в целом все операции происходят одновременно, и процесс протекает непрерывно.



4. Расчет барабанного вакуум-фильтра

Расчет вакуум- фильтра сводится к определению необходимой поверхности фильтрования и к подбору фильтра по каталогу.

Поверхность фильтрования F (в м²) можно определить из выражения:

F= /V' (1)

- производительность фильтра по фильтрату, м³/м²;

- производительность 1 м² фильтра по фильтрату, м³/ м³*ч

=Un (2)

где U- производительность 1м² фильтрата за один оборот;

n - частота вращения фильтра, об/ч.

Определяем производительность фильтра по фильтрату.

По сухому остатку производительность должна составить 1,4 т/сут или 58,33 кг/ч.

В пересчете на влажный осадок (влажность 75,2%), это будет:

58,33Ч100\(100-75,2)= 235,2 кг/ч.

Количество суспензии, поступающей на фильтрование, при её исходной концентрации 18 % составит

(58,33Ч100)\18= 324,06 кг/ч.

Тогда выход фильтрата будет равен:

324,06- 235,2 = 88,86 кг/ч или, при плотности фильтрата 1110 кг/м³:

88,86/1110=0,08 м³/ч, или 1,92 м³/сутки.

Таким образом, V_общ = 0,08 м³/ч

Определяем производительность

Известно, что объём влажного осадка, отлагающегося на фильтре при прохождении 1 м³ фильтра, равен 0,686 м³/м³. При заданной толщине слоя осадка 10 мм необходимая поверхность зоны фильтрования на 1 м³ фильтрата 0,686/0,010= 68,6 м²/м³. Очевидно, через поверхность зоны фильтрования в 1 м³ пройдет объём фильтрата:

Для определения частоты вращения фильтрата надо знать время фильтрования ф (время, за которое образуется осадок толщиной 11 мм). Для этого воспользуемся основным уравнением фильтрования:

(3)

Где U =0,015м³/м²= 15•10^-3 м³/ м²

Константу К определим по следующему уравнению:

(4)

Где , или 400мм.рт.ст.;

;

;

м/кг.

Константу С определим по следующему уравнению:

Тогда

Для определения частоты вращения барабана необходимо найти угловую скорость вращения фильтра по формуле:

Где - время подсушки осадка; - угол, занимаемый зоной съёма осадка и мертвой зоной. Тогда

Или

Общая продолжительность рабочего цикла, или продолжительность одного оборота барабана равна:

Частота вращения фильтра в 1 час:

Время просушки, съёма осадка и пребывания в мертвых зонах:

Число секций, одновременно находящихся в зоне просушки, в зоне съёма осадка и в мертвых зонах:

В зоне фильтрования находится секций 14, т.к.:

Ј=24-8,7=15,3

Необходимая поверхность фильтрата:

Принимаем вакуум-фильтр с поверхностью фильтрования 1 м².

По каталогу принимаем барабанный вакуум-фильтр типа БОН1-1,0-1 (У,К), с поверхностью фильтрования 1 м².



Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрен вакуум-барабанный фильтр, применяемый на производстве, приведено краткое описание устройства и принцип его работы. Также в теоретической части был рассмотрен процесс перемешивания жидких, сыпучих и пастообразных материалов. Был произведен расчет барабанного вакуум-фильтра и найдена необходимая поверхность фильтрования равная 1 м².

Мы рассчитали требуемую поверхность фильтра, подобрали стандартный фильтр и определили необходимое их число. По расчетам нашли тип барабанного вакуум-фильтра БОН1-1,0-1 (У,К).

В настоящее время в промышленности применяются различные виды фильтров, выбор зависит от его назначения, при подборе необходимо обратить внимание на технические характеристики, а также габариты.



Библиографический список

1. Айнштейн, В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник: в 2 кн./ В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов и др. под ред. В.Г. Айнштейна. М.: Логос; Высшая школа, 2006. Кн. 2. 872 с.

2. Баранов, Д.А. Процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие /Д.А. Баранов.; под ред. У.А. Косяковой. М.: Лань, 2016.

3. Егорова, Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. М.: Академия, 2008.

4. Кафаров, В.В. Системный анализ процессов химической технологии/ В.В. Кафаров, И.Н. Дорохов, С.Ю. Арутюнов. Москва: Химия, 1988. 214-298 с.

5. Кутепов, А.М. Процессы и аппараты химической технологии: учебник. В 2 т. / А.М. Кутепов. Москва: Логос, 2009.

6. Плаксин, Ю.М. Процессы и аппараты пищевых производств / Ю.М. Плаксин. М., 2006.760с.

7. Процессы и аппараты химической технологии / под ред. А.А. Захаровой. М., 2006. 528с.

8. Справочник химика. Т. 1, 2-е изд. М.Л., Химия, 2009, 1072 с.

Размещено на Allbest.ru

...