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 в , 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 фильтровальный 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 в 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.
|