4 Определение поверхности теплообмена и размеров рубашки, змеевика или трубчатки

Конструкция аппарата с рубашкой с механическим перемешивающим устройством представлена на рис. Б.1, основные размеры приведены в табл. Б.1. прил. Б [4]. Рассчитаем площадь теплообменной поверхности выбранного нами реактора в п. 3 по формуле (4.1).

У емкостных аппаратов с рубашками площадь теплообменной поверхности F, м², равна:

, (4.1)

где D – внутренний диаметр аппарата, м; – высота цилиндрической части аппарата, заключенной в рубашку, м;– площадь поверхности днища, м².

м².

Если в процессе расчета необходимая площадь поверхности теплообмена больше площади поверхности рубашки, то внутри реактора устанавливается змеевик с площадью поверхности равной:

. (4.2)

Площадь поверхности теплообмена , м², реактора периодического действия определяется из основного уравнения теплопередачи [3,4,5]:

, (4.3)

где Q – тепловая нагрузка теплообменника (из теплового баланса), Дж; К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К); – средний температурный напор между теплоносителями, К; – время проведения процесса, с.

4.1 Расчёт необходимой площади поверхности теплообмена при нагревании сахарного сиропа в емкостном реакторе

Для определения большей и меньшей разностей температур составим схему тепловых потоков.

Схема тепловых потоков при прямотоке:

119,6 °С 119,6 °С

пар

сироп

20 °С 80 °С

= 99,6 °С= 39,6°С,

где 119,6 °С – температура греющего пара при заданном давлении; 20 °С и 80 °С – начальная и конечная температуры сахарного раствора; – начальная разность температур между температурами теплоносителей, °С;  – конечная разность температур между температурами теплоносителей, °С.

Для прямотока расчёт температурного напора, °С проводим по формуле:

, (4.4)

С.

Поверхность теплообмена , м², определим из уравнения (4.3):

,

где – время растворения сахара, с.

м².

Следовательно, выбранный нами реактор с площадью поверхности теплообмена = 1,57 м² обеспечит нагрев реакционной массы (сахарного сиропа) до заданной температуры, т. к. она больше необходимой >.

4.2 Расчёт необходимой площади поверхности теплообмена при охлаждении инвертного сиропа в емкостном реакторе

Составим схему тепловых потоков теплоносителей:

80 °С 60 °С

сироп

вода

20 °С 40 °С

где 80 °С и 60 °С – начальная и конечная температуры инвертного сиропа; 20 °С и 40 °С – начальная и конечная температуры охлаждающей воды.

Температурный напор, °С определили по уравнению (3.21).

Поверхность теплообмена , м², определим по уравнению (4.3):

,

где ‑ время охлаждения инвертного сиропа, с.

м².

Следовательно, выбранный нами реактор с площадью поверхности теплообмена  = 1,57 м²обеспечит охлаждение инвертного сиропа до заданной температуры, т. к. она больше необходимой>.

5 Технологический расчёт мешалки

Для приготовления эмульсий, суспензий, смесей, гомогенизации растворов, а также для интенсификации тепло- и массообменных процессов, химических и биохимических реакций применяется перемешивание [3, 5].

Наиболее распространенным способом перемешивания в жидких средах является механическое перемешивание при помощи лопастных, якорных, рамных, турбинных или пропеллерных мешалок. Основные конструктивные параметры и условия работы всех указанных мешалок приведены в таблице В. 1 прил. В.

Для нашей системы выбрали лопастную мешалку. Определяем мощность, затрачиваемую на перемешивание. Для этого необходимо определить центробежный критерий Рейнольдса.

Центробежный критерий Рейнольдса находим по формуле:

, (5.1)

где  – центробежный критерий Рейнольдса; – плотность перемешиваемой среды, кг/м³; n – частота вращения мешалки, с^-1;  – диаметр лопасти мешалки, м.

Диаметр мешалки (диаметр окружности, ометаемой кромками лопастей мешалки) предварительно определяли по соотношению, указанному в табл.В.1, а окончательно по табл.5.1. выбирают стандартизованную мешалку.

Таблица 5.1 – Диаметры стандартизованных мешалок

Тип мешалки	Диаметр мешалки, мм
Лопастная, трехлопастная, турбинная	80; 100; 125; 160; 180; 200; 220; 250; 280; 320; 360; 400; 450; 500; 560; 630; 710; 800; 900; 1000; 1120; 1250; 1400;1600; 1800; 2000; 2240; 2500
Якорная. рамная	200; 220; 250; 280; 300; 320; 360; 400; 450; 500; 530; 580; 600; 630;710; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1060; 1120; 1180; 1250; 1320; 1400;1500; 1600; 1700; 1800; 1900; 2000; 2120; 2240; 2360; 2500; 2650; 2800; 3000; 3150; 3550; 3750; 4000; 4250; 4500; 4750

Для лопастной мешалки  = 1,4÷1,7, где D – диаметр аппарата, м;

= 0,428÷0,325 м. Оптимальное число оборотов мешалки, с^-1 определяют из соотношения:

, (5.2)

где – окружная скорость вращения мешалки, м/с.

Окончательно частота вращения устанавливается при выборе привода перемешивающего устройства. Для быстроходной мешалки при непосредственном соединении её с валом электродвигателявыбирается из ряда: 12; 16; 24; 47, с^-1. Для тихоходных мешалок ( < 4,2 с^-1) частота вращения выбирается из ряда: 0,21; 0,27; 0,33; 0,42; 0,53; 0,67; 0,83;1,05; 1,33; 1,67; 2,08; 2,67; 3,33; 4,17, с^-1.

Для лопастной мешалки = 1,5 ÷ 5 м/с,  = 1,19 ÷ 3,98 с^-1, = 0,16 ÷ 0,4м. Выбираем стандартизованную мешалку с  = 0,4 м,  = 1,33 с^-1 и  = 0,3 м. Рассчитываем центробежный критерий Рейнольдса по уравнению (5.1):

.

Мощность, Вт, затрачиваемая на перемешивание в типовых химических реакторах, определяется по зависимости:

, (5.3)

где  – критерий мощности (определяется по графику рис. 3.4 кривая 1 [5]); – плотность перемешиваемой среды, кг/м³; n – частота вращения мешалки, с^-1;  – диаметр лопасти мешалки, м; .

Вт.

Проверяем режим работы мешалки на наличие кавитационных явлений. По табл. 3.1 [6], определяем для выбранной мешалки , следовательно, в аппарате имеет место турбулентный режим с сохранением плотности, так как .

Время гомогенизации , с, в первом приближении, определяем по уравнению:

, (5.4)

где – постоянная, определяется типом мешалки (табл. 5.2);  ‑ сиплекс геометрического подобия, .

Для гладкостенного аппарата  = 35. Тогда время гомогенизации при предельных значениях определяется соответственно:

с~ 1 мин,

с~ 4 мин.

Таблица 5.2 – Значения постоянной

Тип мешалки	для аппарата
	гладкостенного	с отражательными перегородками
Трехлопастная	170	10
Винтовая	170	10
Открытая турбинная	90	6,2
Шестилопастная	80	12,9
Закрытая турбинная	65	5,1
Лопастная	35	9,2
Клетьевая	18	‑