Контрольная работа по "Общей химии"

 

3. Розрахунок вертикальної осаджувальної центрифуги періодичної дії

Центрифугуванням називається процес розділення неоднорідних систем під дією відцентрових сил у центрифугах – апаратах з ротором (барабаном), який швидко обертається навколо своєї осі.

За принципом дії центрифуги поділяються на осаджувальні та фільтрувальні. В осаджувальних (рис.3.1) центрифугах стінка ротора виконується суцільною, а у фільтрувальних – перфорованою, покритою зсередини звичайно тканинною фільтрувальною перегородкою.

Мета розрахунку – визначення продуктивності центрифуги й потужності її привода.

Позначення вихідних величин

d_min – мінімальний розмір частинок твердої фази в суспензії, м;

f  – коефіцієнт тертя в підшипниках;

Н  – висота ротора центрифуги, м;

М – маса ротора центрифуги, кг;

n  – частота обертання ротора, хв^–1;

r_в  – радіус вала ротора в цапфах, м;

R  – радіус ротора центрифуги, м;

r_т – густина матеріалу частинок твердої фази, кг/м³;

r_р – густина дисперсійного середовища, кг/м³;

h  – коефіцієнт корисної дії привода центрифуги;

y_т – коефіцієнт форми частинок твердої фази;

 – масова частка твердої фази у вихідній суспензії;

n_р – кінематична в'язкість дисперсійного середовища, м²/с.

Рис.3.1. Схема вертикальної осаджувальної центрифуги періодичної дії

Порядок розрахунку

1. Значення критерію Архімеда частинок кулястої форми, які осаджуються

.

 

де g = 9,81 м/с² – прискорення вільного падіння.

2. Кутова швидкість обертового ротора, c^–1

=3.14*1300/30=136.07

3. Внутрішній радіус шару неоднорідної системи в роторі, м

=0.71*0.5=0.355

4. Колова швидкість внутрішньої поверхні стінки ротора, м/с

=136.07*0.5=68.035

5. Середнє значення фактора розділення центрифуги

=

6. Значення критерію Рейнольдса для частинок кулястої форми, які осаджуються

, якщо   ;

,  якщо   ;

, якщо   .

R0=2633.93

7. Швидкість осадження частинок кулястої форми, м/с

 

8. Швидкість осадження частинок, які мають коефіцієнт форми y_т, м/с

=0.73*148.92=108.71

9. Час осадження, с

, якщо   ;

, якщо   .

                τ=

У випадку, якщо осадження  не є ламінарним (при  ), час осадження можна визначити шляхом графічного інтегрування.

З цією метою для кількох  поточних радіусів R_і з проміжку [r, R] обчислюють значення фактора розділення К_с (за п.5, підставляючи замість виразу (R + r)/2 значення поточного радіуса R_і), значення критерію Рейнольдса Re₀ (за п.6), а потім w₀, w_oc та 1/w_oc. Після цього в координатах (R_і; 1/w_oc) будують графік залежності 1/w_oc = f (R_і). Площа криволінійної трапеції, розташованої під утвореною кривою між границями R_і = r i R_і = R, з урахуванням масштабів на обох осях і буде шуканою величиною t_ос.

10. Час проведення допоміжних операцій, с

=50+50+40+80=220

де t_п – час пуску центрифуги (за дослідними даними t_п = 50–70 с); t_з – час завантаження центрифуги суспензією (t_з = 50–70 с); t_г  – час гальмування ротора (t_г = 40–60 с); t_зр – час зрізання осаду (t_зр = 80–150 с).

11. Час циклу центрифугування, с

=220+2.98=222.98

 

12. Об'єм ротора центрифуги, м³

=3.14*0.25*0.7=0.55

13. Продуктивність центрифуги за фугатом, м³/с

=

14. Густина вихідної суспензії, кг/м³

 

15. Об'ємна частка твердої фази у вихідній суспензії

=

16. Масова продуктивність центрифуги за осадом, кг/с

=994*0.001(

17. Потужність, яка витрачається на подолання інерції ротора, Вт

=

18. Потужність, яка витрачається на подолання інерції суспензії, Вт

=

19. Потужність, яка витрачається на подолання тертя в підшипниках, Вт

=210*9.81*0.062*136.07*0.035=608.3

20. Потужність, яка витрачається на подолання тертя ротора з повітрям, Вт

=0.00815*

21. Потужність привода ротора, Вт

=

 

 

Завдання для  розрахунку

За даними табл.3.1 визначити потужність привода і продуктивність вертикальної осаджувальної центрифуги періодичної дії, призначеної для розділення суспензії. Маса ротора центрифуги М, радіус R, висота Н, радіус шийок вала ротора r_в, частота обертання n, коефіцієнт тертя в підшипниках f, коефіцієнт корисної дії привода ротора h. Масова частка твердої фази у вихідній суспензії . Мінімальний розмір частинок твердої фази в суспензії d_min, коефіцієнт їх форми y_т, густина матеріалу частинок r_т. Густина дисперсійного середовища r_р, кінематична в'язкість n_р.

 

 

Таблиця 3.1. Варіанти завдань для розрахунку вертикальної осаджувальної

центрифуги періодичної  дії

Варі-	М,	R	Н	rв	Варі-	n,	f	h		dmin,	yт	rр	rт	nр ×106,
ант	кг	м			ант	хв–1				мм		кг/м3		м2/с
0	210	0,5	0,7	0,035	7	1300	0,062	0,83	0,13	0,013	0,73	994	1700	0,735

 

4. Розрахунок пластинчастого електрофільтра

Мета розрахунку – визначення основних розмірів, гідравлічного опору електрофільтра й потужності, яка ним споживається.

Позначення вихідних величин

d_min – найменший розмір уловлюваних частинок, м;

p  – тиск газу, МПа;

R₀  – рухомість іонів газу за нормальних умов, м²/(В×с);

t  – температура газу, °С;

V⁰  – об'ємна витрата газу, м³/год;

m_г  – динамічна в’язкість газу, Па×с;

r_г – густина газу, кг/м³;

y _т  – коефіцієнт форми частинок.

Порядок розрахунку

1. Об'ємна витрата газу за робочих умов, м³/с

=

2. Середню швидкість газу w’ між осаджувальними електродами пластинчастого електрофільтра обирають рівною 0,5...1,5 м/с.

3. Загальна площа поперечних перерізів прямокутних каналів електрофільтра, м²

=3,26/0,5=6,52

4. Діаметр коронуючого електрода (катода) dкат: а) для неагресивних – нейтральних  та(чи) низькотемпературних (t£100 °С) газів – 1...2мм; б) для агресивних газів, тобто таких, що містять компоненти, які реагують з матеріалом катода, та(чи) високотемпературних (t>100°С), – 3...4мм. 5. Відстань між осаджувальним та коронуючим електродами Re обирається рівною 0,1...0,2 м. 6. Відстань між сусідніми осаджувальними електродами (анодами), м 7. Крок розташування катодів tкат приймається рівним (0,8...1,6)Re (рис.4.1).

Рис.4.1. Схема пластинчастого електрофільтра

8. Висота анодів Н обирається рівною 1,0...2,0 м.

9. Розрахункова кількість анодів:

=

n=34

Дійсною кількістю анодів n є найближче ціле, яке більше, ніж n¢.

10. Уточнене значення площі  поперечних перерізів прямокутних  каналів електрофільтра, м²

=(34-1)*0.203*1=6.7

11. Уточнене значення середньої  швидкості газу між осаджувальними електродами, м/с

=3.26/6.7=0.487

12. Відносна густина газу

=

13. Критична напруженість електричного поля, за якої виникає коронний розряд, В/м

 

14. Критична напруга між електродами при коронному розряді, В

.

=3.5*(

15. Рухомість іонів газу за робочих умов, м²/(В×с)

=1.63*

де R₀ – рухомість газу за нормальних умов, м²/(В×с).

16. Напруга на  електрофільтрі U приймається рівною (1,5...2,0)U₀.

                     U=1.5*31841=47761.5

17. Лінійна густина струму  на коронуючому електроді, А/м

,

 

де k = f (R_e/t_кат) – конструктивний коефіцієнт; можна приймати k = 0,03.

18. Напруженість електричного  поля в електрофільтрі, В/м

,

 

де e₀ = 8,85×10^–12 Ф/м – діелектрична проникність вакууму.

19. Швидкість осадження завислих частинок кулястої форми під дією сил електричного поля, м/с:

якщо d_min складає від 0,1 до 2 мкм включно,

,

якщо d_min складає від 2 до 50 мкм,

,

 

де g = 9,81 м²/с – прискорення вільного падіння; А = 0,429d_min + 0,772.

20. Дійсна швидкість осадження частинок даної форми, м/с

=0.7*0.2=0.14

21. Час осадження, с

=0.1/0.14=0.71

22. Довжина кожного з анодів, м

=0.487*0.71=0.35

23. Площа осадження, м²

=2(34-1)0.35*1=23.1

24. Питома поверхня осадження, м²/(м³ × с)

=

25. Ступінь очищення газу від частинок розміру d_min

=1-

26. Розрахункова кількість катодів:

=

Дійсною кількістю катодів n_кат є найближче ціле, яке більше, ніж n¢_кат.

                                  145

27. Сила струму в електрофільтрі, А

=145*4,4*

28. Потужність, яка споживається електрофільтром, Вт

=47761,5*0,64+500=31067.36

де N_Д – потужність, яка споживається допоміжними пристроями (пристроями струшування та обдування тощо); звичайно приймають N_Д=500–1000 Вт.

29. Еквівалентний діаметр каналу осаджування прямокутного перерізу, м

,                якщо   ,

,        якщо   .

 

30. Критерій Рейнольдса газового потоку

=0.487*0.34*0.746/26*

31. Коефіцієнт форми для прямокутного каналу

y_К=1,5,  якщо   ;

,  якщо   .

     ᴪ=0.83

 

32. Коефіцієнт тертя газу по поверхні полиці

, якщо Re£2300;

,  якщо  Re > 2300.

λ=0.361*1.21/=0.0008

33. Сумарний коефіцієнт місцевих опорів:

=0.5+1+2*1+1+1=5.5

де z_вх=0,5 – коефіцієнт, який враховує вхід газу в апарат; z_вих=1,0 – коефіцієнт, який враховує вихід газу з апарата; z _90°=1,0 – коефіцієнт, який враховує поворот газу на 90°; z _рз=1,0 – коефіцієнт, який враховує раптове звуження газового потоку; z _рр=1,0 – коефіцієнт, який враховує раптове розширення газового потоку.

33. Гідравлічний опір електрофільтра, Па

.

∆p=

 

Завдання для  розрахунку

За даними табл.4.1. визначити основні розміри, гідравлічний опір пластинчастого електрофільтра й потужність, що ним споживається. Електрофільтр призначений для очищення V⁰ газової неоднорідної системи від завислих твердих частинок мінімальним розміром d_min і коефіцієнтом форми y_т. Температура газу t, тиск р, густина r_г, динамічна в'язкість m_г, рухливість іонів за нормальних умов R₀.

 

Таблиця 4.1.  Варіанти завдань для розрахунку пластинчастого електрофільтра

Варіант	V0,	R0 × 104,	y	р,	Варіант	dmin × 106,	t,	r,	m × 106,
	м3/год	м2/(В × с)		МПа		м	°С	кг/м3	Па × с
0	6500	1,63	0,70	0,097	7	4,0	200	0,746	26,0

5. Розрахунок апарата з механічним перемішуючим пристроєм

Мета розрахунку – визначення потужності привода мішалки.

Позначення вихідних величин

С, т – коефіцієнти критеріального рівняння;

d_в – діаметр вала мішалки в сальниковому ущільненні, м;

D  – внутрішній діаметр апарата, м;

Н  – висота рідини в апараті, м;

n  – частота обертання мішалки, с^–l;

р  – тиск в апараті, Па;

r_р – густина оброблюваного рідкого середовища, кг/м³;

m_р – динамічна в’язкість оброблюваного рідкого середовища, Па × с;

l  – висота сальникової набивки, м;

f  – коефіцієнт тертя вала по сальниковій набивці;

h  – коефіцієнт корисної дії привода мішалки.

Порядок розрахунку 1. Розрахунковий діаметр нормалізованої  мішалки d’ обирається з інтервалу (0,25...0,3)D  (рис.5.1). Діаметр мішалки d приймається як найближчий до розрахункового з ряду, мм: 100; 125; 160; 180; 200; 220; 250; 280; 300; 320; 360; 400; 450; 500; 530; 560; 580; 600; 630; 710; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1060; 1120; 1180; 1250; 1500; 1600; 1700; 1800; 2000. 2. Значення модифікованого критерію Рейнольдса = 3. Значення критерію потужності =4.05*

Рис.5.1. Схема апарата з механічним перемішуючим пристроєм