CC BY
20
УДК 664.1.039
Профессор В.А. Голыбин, доцент В.А. Федорук,
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра технологии сахаристых веществ, тел. (473) 255-07-51
преподаватель О.С. Насонова
(ФГОУ СПО «Жердевскийколледж сахарнойпромышленности»), тел. (47535) 5-45-08
Расчет контура предсатурации в аппаратах карбонизации сока
Предложена методика расчета контура интенсивной карбонизации гидроксида кальция в аппарате типа «сатурация в трубе». Обоснована возможность создания восходящего потока рабочей среды в аппарате при изменяющихся технологических параметрах.
Method of calculation circuit intense carbonation of calcium hydroxide in the apparatus of the «saturation in the pipe» was proposed. The possibility of creating upward fluid flow in the device under varying process parameters was justified.
Ключевые слова: карбонизация, сатурационный газ, гидроксид кальция, движущий напор.
Для осуществления быстрой стадии сатурации предложен и испытан в производственных условиях способ карбонизации свекловичных соков «в трубе» [1]. Положительное влияние рециркуляции сока в процессе II сатурации показано нами в ранее выполненной в производственных условиях работе [2].
Для практических целей важным является получение расчетных данных, позволяющих сделать вывод о технической возможности осуществления рециркуляции с одновременной карбонизацией гидроксида кальция с учетом следующих технологических факторов: состава и расхода сатурационного газа, содержания гидроксида кальция в обрабатываемом соке.
В случае «сатурации в трубе» задача, в отличие от использования сжатого воздуха в гидропневматических подъемниках, усложняется вследствие значительных изменений рабочего агента (сатурационный газ) - снижается объемная доля С02, увеличивается температура, происходит его насыщение водяными парами. Кроме того, состав вводимого в аппарат сатурационного газа (в частности, объемная доля С02), не является постоянным и изменяется в широком диапазоне от 26 до 32-34 %, а в неблагоприятных условиях снижается до 20-22 %.
В предлагаемом нами варианте очистки диффузионного сока с предварительной быстрой карбонизацией (предсатурацией) части гидроксида кальция в устройстве «сатурация в трубе» основной задачей является достижение щелочности сока 0,10±0,02 % СаО с одновременным его подъемом на определенную
© Голыбин В.А., Федорук В.А., Насонова О.С., 2013
высоту и подачей в аппарат II сатурации (рисунок 1) в режиме однократной циркуляции. Эта стадия необходима для обеспечения эффектив -ной адсорбции продуктов распада несахаров, образовавшихся в процессе предыдущей горя -чей известковой обработки фильтрованного сока I сатурации с расходом гидроксида кальция 0,2-0,6 % к массе сока при объемной доле С02 в сатурационном газе от 18 до 34 %. Для расчетов была принята величина Кисп С02 в быстротечном сатураторе - 85 % [3].
О
Рисунок 1 - Схема газожидкостного подъемника на II сатурации
Расчет производительности подъемника выполняется при кратности циркуляции сока 1,0 для сахарного завода мощностью 3000 т свеклы/сутки.
При доле фильтрованного сока I сатурации 130 % к массе свеклы и плотности 1,06 т/м3 его секундный расход составляет: 0 = (3000-130)/(100-1440-60-1,06) = 0,0426 м3/с Уровень заполнения (Н1) напорной трубы 4,5 м (рисунок 1) позволяет получить отношение в = НДН1 + Н2), выраженное в % - 50. Объемный к.п.д. в зависимости от в и общей высоты подъема определяется по выражению [4]:
^о = (134в - 0,68 в2)/(10000+75Н) = (134-50 -- 0,68-502)/(100 00+75-9)= 0,468 (1)
где Н - общая высота подъема, м.
Рассчитывается необходимый секундный расход рабочего агента:
У1 = Нг9 / [21 (10 + Ьх/10 )] = = (4,5-0,0426)/ (21-0,468 ^ 1,45) = 0,121 м3/с,(2) Выполняются расчеты, исходя из задачи проведения карбонизации определенной доли вводимого гидроксида кальция и устанавливается техническая возможность подъема сока сатурационным газом с учетом величины гидравлического сопротивления движению двухфазного потока.
Основное уравнение газожидкостных подъемников показывает, что движущий напор Н2 (рж - рг)фг • g полностью поглощается сопротивлением подъемной трубы [4]. Следовательно, необходимо выполнить неравенство:
Щрж - рг )фг • g > АРн, (3)
где Н2 - высота подъема сока, м; рж и рг - плотности сока и газа, кг/м3; фг - объемная доля газовой фазы в среде, ед; g - ускорение свободного падения, м/с2; АРн - потери напора в подъемной трубе, м.
Суммарное гидравлическое сопротивление движущейся двухфазной среды складывается из потерь на трение и преодоление местных сопротивлений:
АРн = АРтр + АРм + АРин, (4) В выражение введена величина АРин -инерционный напор двухфазного потока, обусловленный изменением его газосодержания (фг) по высоте подъемной трубы.
Потери на трение при движении газожидкостной смеси определяются по выражению [4]:
АРтр = X (НМ) [1/(1 - Фг )2 ] • [ ( шж2 -рж )/2 ], (5) где юж - скорость движения жидкости, приведенной на полное сечение, м/с; Н - общая длина пути движения жидкости, м; X - коэффициент сопротивления трения; d - диаметр подъемной трубы, м.
Коэффициент сопротивления трения труб круглого сечения с гидравлически гладкими стенками при Яе > 4 • 103 определяется по формуле Филоненко-Альтшуля [5]:
X = 1 /(1,8^Яе - 1,64)2, (6)
Для определения юж, Яеж, фг и d задаемся следующими исходными величинами: расход гидроксида кальция для обработки сока 0,2-0,6 % СаО; коэффициент поглощения С02 85 %; температура отработавшего газа 82 °С; начальная объемная доля С02 во вводимом газе 34 % [6].
В сок вводится 0,2 % СаО, что составит (0,0426-1,06-0,2 ) /100 = 9,03-10"5 т/с Для перевода гидроксида кальция в карбонат с учетом объемной доли С02 34 % и Кисп 85 % вводится сатурационного газа: (9,03-10"5-1000-44-100-100 )/(56-67,3-85) = = 0,124 м3/с, где 67,3 - массовая доля С02 в 100 м3 сатурационного газа, кг.
Соответственно для других расходов гидроксида кальция: 0,3 % - 0,186; 0,4 % -0,248; 0,5 % - 0,310; 0,6 % - 0,372 м3/с.
Определяются расходы вводимого гидроксида кальция в виде известкового молока плотностью 1,19 т/м3:
(0,0426- 0,2-1,06-1000)/(100-258) = = 0,35-10"3м3/с, при вводе 0,3 % СаО - 0,53-10"3; 0,4 % -0,70-10"3; 0,5% - 0,88-10"3; 0,6 % - 1,0510-3 м3/с.
Общий расход жидкой фазы (м3/с ) соответственно составит (4,30; 4,31; 4,33; 4,35; 4,37 )-10"2.
Рассчитывается диаметр газожидкостного реактора (подъемной трубы) и значение критерия Яе для различных скоростей движения жидкой фазы: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 м/с при ее усредненном расходе 0,0433 м3/с (таблица 1).
Таблица 1
Отдельные параметры движения сока
Скорость движения жидкой фазы, м/с 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Диаметр подъемной трубы, м 0,525 0,371 0,303 0,263 0,235
Критерий Яе-10-6 0,219 0,309 0,379 0,438 0,490
Определяются величины газосодержания в газожидкостной смеси:
Фг = Уг /V см, (7)
где V г - объем газа, заключенного в объеме
смеси; Vcм - объем смеси.
Расчет выполняется исходя из секундных расходов компонентов рабочей среды (таблица 2).
Таблица 2 в трубу от расхода гидроксида кальция
Изменение газосодержания смеси при входе
Показатели Расход гидроксида кальция, %
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Расход сока, м3/с 0,0430 0,0431 0,0433 0,0435 0,0437
Расход вводимого газа, м3/с 0,1059 0,1588 0,2118 0,2647 0,3177
Расход смеси, м3/с 0,1489 0,2019 0,2551 0,3082 0,3614
Газосодержание при входе в трубу, ед. 0,711 0,787 0,830 0,859 0,879
Примечание: расход сатурационного газа при входе в подъемную трубу принят для 30 °С.
Определяются потери на трение при заданном расходе гидроксида кальция для выбранного диапазона скоростей.
Рассчитываются потери на преодоление местных сопротивлений для тех же условий:
ДРм= ( ^вх + ^вых +3^пов +^вент +^короб )х
х( ю ж-р ж )/2,
(8)
Коэффициенты местных сопротивлений приняты по [5].
Инерционный напор двухфазного потока определяется по выражению: ДРин= [1/ (1-ф г2)2 - 1/(1-Ф г:)2]( ш2ж • Рж)/2, (9) Рассчитываются значения фг2 с учетом Кисп С02 85 % и температуры отработавшего сатурационного газа 82 0С (таблица 3).
Таблица 3
Изменение газосодержания смеси на выходе из трубы от расхода гидроксида кальция
Показатели Расход гидроксида кальция, %
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Расход отработанного газа, м3/с 0,2411 0,3616 0,4823 0,6027 0,7234
Расход смеси, м3/с 0,2841 0,4047 0,5256 0,6462 0,7671
Газосодержание на выходе из трубы, ед. 0,849 0,894 0,918 0,933 0,942
Величина движущего напора при расхо- Н2 (р ж - р г )• ф г - g = 4,5-(1060,0 -
де СаО 0,2 % составит: - 1,49)-0,711-9,81 = 33223,6 кг/(м-с2), (10)
Таблица 4
Зависимость потерь от скорости рабочей среды
Скорость рабочей среды, м/с 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Потери на преодоление местных сопротивлений, кг/(м-с2) 2386,6 9715,5 21860,0 38862,1 60722,1
Потери на трение, кг/(м-с2) 98,7 523,3 1392,5 2771,9 4741,9
Инерционный напор, кг/(м-с2) 675,9 2703,4 6082,7 10813,7 16896,4
Общее гидравлическое сопротивление, кг/(м-с2) 3161,2 12942,2 29335,2 52447,7 82360,4
Таким образом, при скорости подъема сока 0,6 м/с движущий напор газожидкостного реактора практически полностью расходуется на преодоление суммы гидравлических сопротивлений. Подъем сока при увеличении скорости свыше 0,6 м/с осуществить уже невозможно. Исходя из величины достижимой скорости движения сока 0,5-0,6 м/с, расчетная продолжительность карбонизации 0,2 % СаО составит 24-20 с при подаче 130 % сока I сатурации и диаметре подъемной трубы 0,303 м.
Представляет практический интерес анализ возможности карбонизации увеличенных расходов СаО (0,4 и 0,6 % СаО) в газожидкостном реакторе при вводе сатурационного газа с различными объемными долями С02 - при отличной работе известняково-обжигательных печей 34 %, удовлетворительной - 26 %, и неудовлетворительной - 18 %. По ранее приведенным выражениям рассчитываются потери на трение, на преодоление местных сопротивлений, величины инерционного напора.
Рассчитываются величины газосодержа-
ния в смеси при расходе сока 0,0426 м/с и Изменение газосодержания смеси на входе в трубу от расхода гидроксида кальция и доли С02 в газе
изменяющихся расходах гидроксида кальция (таблица 5).
Таблица 5
Показатели Расход гидроксида кальция (%) и доля С02 в газе, %
0,2 0,4 0,6
34 26 18 34 26 18 34 26 18
Расход сока + СаО, м3/с 0,0430 0,0435 0,0440
Расход вводимого газа, м3/с 0,106 0,182 0,383 0,212 0,363 0,764 0,318 0,545 1,147
Расход смеси, м3/с 0,149 0,225 0,426 0,255 0,406 0,807 0,362 0,589 1,191
Газосодержание на входе, ед. 0,711 0,809 0,899 0,830 0,893 0,947 0,879 0,925 0,963
Примечание: температура газа на входе принята 30 °С.
Для определения величин инерционного напора, обусловленного поглощением диоксида углерода и насыщением водяными парами,
рассчитали газосодержание в смеси на выходе из трубы (таблица 6).
Таблица 6
Изменение газосодержания на выходе из трубы от расхода гидроксида кальция и доли С02 в газе
Показатели Расход гидроксида кальция (%) и доля С02 в газе, %
0,2 0,4 0,6
34 26 18 34 26 18 34 26 18
Расход газа на выходе, м3/с 0,241 0,454 1,039 0,482 0,906 2,073 0,724 1,360 3,113
Расход смеси, м3/с 0,284 0,497 1,082 0,525 0,949 2,116 0,768 1,404 3,157
Газосодержание, ед. 0,849 0,913 0,960 0,918 0,955 0,979 0,942 0,968 0,986
Несмотря на поглощение 85 % С02, объем отработанного газа увеличивается в 2 и более раз в сравнении с его показателями при вводе в подъемную трубу (таблица 2).
Это обусловлено значительным тепловым расширением и достижением состояния насыщения при испарении влаги. Изменение
80
ЧГ 70
а
X 60
4 50 а40
о
Й 30
и
к
а 20
н о
С 10
0
газосодержания на выходе из трубы оказало влияние на величину инерционного напора (таблица 7). Вследствие роста показателя газосодержания фг2 суммарные гидравлические потери также увеличиваются (рисунки 2-4).
300
250
0
*
л а о
«
а
<и н о
с
200
150
100
50
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Скорость движения рабочей среды, м/с
Рисунок 2 - Потери напора при расходе гидроксида кальция 0,2 % и объемной доле С02 в сатурацион-ном газе: 1-34; 2-26; 3 - 18 %.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Скорость движения рабочей среды, м/с
Рисунок 3- Потери напора при расходе гидроксида кальция 0,4 % объемной доле С02 в сатурационном газе: 1 - 34; 2 - 26; 3 - 18 %.
600
а 500
400
и «
а
<и н о
с
300
200
100
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Скорость движения рабочей среды, м/с
Рисунок 4- Потери напора при расходе гидроксида кальция 0,6 % объемной доле С02 в сатурационном газе: 1 -34; 2 - 26; 3 - 18 %.
Таблица 7
Изменение инерционного напора в зависимости от факторов карбонизации
Скорость, м/с Инерционный напор [кг/(м-с2)]-10-3 при расходе СаО (%) и объемной доле С02, %
0,2 0,4 0,6
34 26 18 34 26 18 34 26 18
0,2 0,67 2,22 11,16 2,42 8,59 40,53 4,86 16,93 92,68
0,4 2,70 8,88 44,66 9,68 34,37 162,1 19,43 67,74 370,7
0,6 6,08 19,98 100,5 21,79 77,33 364,7 43,71 152,4 834,1
0,8 10,81 35,51 178,6 38,74 137,48 648,4 77,71 270,9 1482,8
1,0 16,89 55,49 279,1 60,53 214,81 1013,2 121,4 423,3 2316,9
Для принятых расходов СаО при различном составе сатурационного газа рассчитан движущий напор газожидкостного реактора (рисунок 5).
и ^
о *
а о с
=я я
4,4 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0
я и
0,1
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Расход гидроксида кальция, % СаО
Рисунок 5 - Движущий напор при различной объемной доле С02 в сатурационном газе: 1 - 34; 2 -26; 3 - 18 %.
Из данных, приведенных на рисунке 5, в сравнении с результатами на рисунках 2-4 видно, что изменение движущего напора при
различных расходах гидроксида кальция и составе сатурационного газа незначительно и его величины могут обеспечить подъем сока лишь с малой скоростью. Например, при расходе СаО (0,2 %) и хорошем качестве сатурационного газа возможная максимальная скорость подъема сока около 0,6 м/с; при снижении объемной доли С02 до 26 % уменьшается и достижимая скорость - до 0,4 м/с. При увеличенном до 0,4 % расходе гидроксида кальция движущий напор может обеспечить малую скорость подъема 0,2-0,4 м/с даже при высоком качестве газа. При возрастании ввода СаО до 0,6 % циркуляция сока в подъемнике возможна лишь с минимальной скоростью при отличной работе обжигательных печей. Только при максимальной доле С02 (34 %) в газе движущий напор компенсирует суммы гидравлических сопротивлений при скорости подъема не более 0,20-0,23 м/с. При неудовлетворительной работе обжигательных печей и расходе гидроксида кальция более 0,25 % СаО увеличение расхода сатурационного газа в 5-11 раз (таблица 5) не позволит обеспечить восходящего потока сока даже с
1
минимальной скоростью вследствие интенсивного опережения суммы гидравлических потерь напора (рисунки 3 и 4).
Таким образом, при установке газожидкостного реактора с целью обеспечения предсатурации гидроксида кальция в процессах I и II сатурации необходимо обеспечить подачу сатурационного газа с высокой объемной долей диоксида углерода - только в этом случае возможна эффективная работа технологической установки «сатурация в трубе». При расчете реакторов подобного типа необходи-мо, прежде всего, обосновать рациональный расход гидроксида кальция для проведения последующей карбонизации с целью достижения высокого адсорбционного эффекта образовавшихся мелкодисперсных частиц карбоната кальция с нормативными фильтрационными показателями сатурационных соков.
ЛИТЕРАТУРА
1 Даишев, М. И. Пути ресурсосбережения и интенсификации в сахарном производстве (сокодобывание и очистка) [Текст] / М. И. Даишев // Сахарная промышленность. Обзорная информация. - 1991. - № 11. - С. 36.
2 Голыбин, В. А. Рециркуляция сока II сатурации [Текст] / В. А. Голыбин, Ю. Н. Казаков, И. Ф. Бугаенко и др. // Сахарная промышленность. Реферативный сборник. - 1984. - №. 4. - С. 1-2.
3 Голыбин, В. А. К вопросу о повышении эффективности адсорбционной очистки диффузионного сока [Текст] / В. А. Голыбин, Е. В. Калмыкова, Ю. И. Зелепукин // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Пути повышения эффективности свеклосахарного производства России в
условиях рыночной экономики», Рамонь. -1996. - С. 6-7.
4 Соколов, В. Н. Газожидкостные реакторы [Текст] / В. Н. Соколов, И. В. Доманский. - Л.: Машиностроение, 1976. - 216 с.
5 Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям [Текст]: справочник / И. Е. Идельчик, под ред. М. О. Штейн-берга. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.
6 Голыбин, В. А. О потерях тепла на сатурации [Текст] / В. А. Голыбин// Сахарная промышленность. - 1994. - № 2. - С. 18-19.
REFERENCES
1 Daishev, M. I. Ways of resource saving and intensification in sugar production (juice extraction and treatment) [Text] / M. I. Daishev // Sugar industry. Overview. - 1991. - № 11. - P. 36.
2 Golybin, V. A. Recycling juice II saturation [Text] / V. A. Golybin, Y. N. Kazakov, I. F. Bugaenko et al // Sugar industry. Abstract collection. - 1984. - №. 4. - P. 1-2.
3 Golybin, V. A. On the question of increasing the efficiency of adsorption juice purification [Text] / V. A. Golybin, E. V. Kalmikova, Y. I. Zelepukin // Abstracts of the Russian scientific-practical conference "Ways of increasing the effectiveness of beet sugar Russian production in a market economy, Ramon. - 1996. - P. 6-7.
4 Sokolov, V. N. Gas-liquid reactors [Text] / V. N. Sokolov, I. V. Domanski. - L.: Mashi-nostroenie, 1976. - 216 p.
5 Idelchik, I. E. Handbook of hydraulic resistance [Text]: handbook / I. E. Idelchik, ed. by M. O. Steinberg. - M.: Mashinostroenie, 1992. - 672 p.
6 Golybin, V. A. Losses of heat during saturation [Text] / V. A. Golybin // Sugar Industry. -1994. - № 2. - P. 18-19.
