KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESU PROJEKTOWANIA ODSTOJNIKA

Transkrypt

1 Piotr KOWALIK Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Studenckie Koło Naukowe Informatyków KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESU PROJEKTOWANIA ODSTOJNIKA 1. Ciekłe układy niejednorodne Ciekły układ niejednorodny jest to mieszanina składająca się z co najmniej dwóch składników (faz), w której ciecz stanowi fazę ciągłą. Warunkiem niejednorodności jest występowanie w fazie ciągłej, fazy rozproszonej (nieciągłej). Mieszaniny takie dzieli się na układy dwufazowe i trójfazowe. Wśród układów dwufazowych wyróżnia się mieszaniny cieczy i ciała stałego, cieczy i gazu oraz cieczy z cieczą. Mieszanina trójfazowa to taka, która zawiera w sobie jednocześnie ciecz, ciało stałe i gaz. W zależności od składu fazowego oraz stanu dynamicznego wymienionych układów wyróżnia się zawiesiny, czyli mieszaniny cieczy i ciała stałego, emulsje, które są układami dwóch nie mieszających się cieczy o różnym stężeniu i rozmiarach cząstek fazy rozproszonej oraz piany, czyli układy dwufazowe ciecz-gaz, w których pęcherzyki gazu są otoczone warstewkami cieczy i zamknięte w ich strukturze. Rozdzielanie ciekłych układów niejednorodnych przeprowadza się metodami mechanicznymi i termicznymi. Metody mechaniczne stosuje za zwyczaj do rozdzielania zawiesin pod wpływem działania sił ciężkości, ssania lub odśrodkowych. W zależności od wykorzystywanych w procesie rozdziału sił, metody rozdzielania ciekłych układów niejednorodnych dzieli się na sedymentacyjne i filtracyjne. Wśród sedymentacyjnych wyróżnia się metodę grawitacyjną, którą przeprowadza się z wykorzystaniem odstojników oraz odśrodkową, prowadzoną z użyciem wirówek sedymentacyjnych lub hydrocyklonów. 2. Urządzenia do rozdzielania sedymentacyjnego grawitacyjnego- odstojniki

2 Odstojniki są ą zbiornikami o dużej powierzchni, wyposażonymi za zwyczaj w mieszadła grabiowe. Rozdzielanie w odstojniku oparte jest na opadaniu cząstek stałych z prędkością zależną od ich rozmiaru i stężenia. Efektem procesu rozdzielania jest uzyskanie cieczy klarownej i szlamu (fazy zagęszczonej). Każdy odstojnik dzieli się na 4 strefy (rys. 1): cieczy klarownej (1), opadania swobodnego (2), opadania zakłóconego (3) oraz szlamu. Rys. 1 Strefy odstojnika Podstawowym zastosowaniem odstojników jest oczyszczanie ścieków. Urządzenia te wykorzystywane są także w przemyśle spożywczym oraz przy prowadzeniu bardziej złożonych onych procesów we współpracy z filtrami, wirówkami czy wymiennikami ciepła. Odstojniki dzieli się na służące do pracy ciągłej, okresowej i półokresowej, jednak z powodu dużych wymiarów tego typu maszyn dąży się do zapewnienia możliwości ciągłego działania. Charakterystyczną ą cechą odstojnika do pracy ciągłej jest stały dopływ zawiesiny oraz stały odpływ szlamu i cieczy klarownej. Przykładem odstojnika do pracy ciągłej jest urządzenie firmy Dorr-Oliver nazywane odstojnikiem Dorra (rys. 2). Rys. 2 Odstojnik Dorra, (1)zbiornik, (2)rynna, (3)wał, (4)zgarniacz, (5)dopływ zawiesiny, (6)odpływ cieczy klarownej, (7)odpływ szlamu

3 3. Podstawy projektowania odstojnika Podstawową czynnością podczas projektowania odstojnika jest ustalenie wartości wyjściowych. Wartości te określają charakter pracy urządzenia. Szczególne znaczenie mają: masowe natężenie przepływu zawiesiny, średnica cząstki fazy stałej, początkowe i końcowe stężenie fazy stałej oraz gęstość fazy stałej i ciekłej. Po ustaleniu parametrów wyjściowych przystępuje się do wykonania szeregu obliczeń mających na celu wyznaczenie prędkości opadania cząstek ciała stałego w odstojniku oraz podstawowych wymiarów konstrukcyjnych urządzenia. Obliczenia prędkości teoretycznej i rzeczywistej opadania cząstek: = (1) u o prędkość teoretyczna opadania cząstek [m/s] d 2 średnica cząstki fazy stałej [m], gęstość faz stałej i ciekłej [kg/m 3 ] g przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ] lepkość dynamiczna fazy ciekłej [Pa*s] =, (2) u r prędkość rzeczywista opadania cząstek [m/s] Natężenie przepływu dla fazy ciekłej i stałej: = (3) Q Gc natężenie przepływu fazy ciekłej [kg/s] Q Gz natężenie przepływu zawiesiny [kg/s] c p początkowe stężenie fazy stałej [%] = (4) Q Gs natężenie przepływu fazy stałej [kg/s] Stosunek masowy fazy stałej na wlocie i wylocie odstojnika:

4 = (5)! =!! (6) Znając wyniki dla natężenia przepływu cieczy, prędkości opadania cząstki oraz stężeń fazy stałej na wlocie i wylocie oblicza się powierzchnię i średnicę odstojnika. "=! #!! (7) A k Q vc powierzchnia odstojnika [m] współczynnik nierównomierności rozpływu zawiesiny objętościowe natężenie przepływu fazy ciekłej [m 3 /s] $=,% " (8) D średnica odstojnika [m] Obliczenia wysokości odstojnika: '=( +( +( % (9) H h 1 h 2 h 3 całkowita wysokość odstojnika [m] wysokość swobodnego opadania cząstek fazy stałej [m] wysokość zakłóconego opadania cząstek fazy stałej [m] wysokość zgarniacza [m] ( = * +, * + = %- " (10) (11) m sf masa fazy stałej na 1m 2 powierzchni odstojnika [kg/m 2 ] ( % =,.- $ (12)

5 4. Programowanie jako pomoc przy projektowaniu Wykonanie obliczeń, omówionego toku pozwala uzyskać wszystkie niezbędne dane do zaprojektowania odstojnika. Ilość różnych danych i wielkości których używa się do obliczeń powoduje, że łatwo o pomyłkę, a wykonanie obliczeń dla kilku zestawów wartości wyjściowych jest dość czasochłonne. Dobrym pomysłem na przyspieszenie prac jest wykorzystanie narzędzi programistycznych. Zainwestowanie czasu w napisanie raz a dobrze programu pozwala uniknąć błędów obliczeniowych i w przypadku konieczności wykonywania obliczeń wielokrotnie daje sporą oszczędność czasu. Do pisania programów, które mają być pomocne przy obliczaniu własności projektowych różnych maszyn nadaje się w zasadzie każdy język umożliwiający programowanie proceduralne lub obiektowe. Może to być C++, Delphi, Visual Basic, Ruby czy Pascal. Głównymi założeniami tego typu programów powinno być przede wszystkim zapewnienie bezbłędności obliczeniowej, kontrola wpisywanych przez użytkownika danych oraz wygodny dla użytkownika sposób zapisu i eksportu wyników obliczeń. Poprawne obliczenie własności konstrukcyjnych jest niezbędnym krokiem do zapewnienia odstojnikowi czy dowolnej innej maszynie właściwego i zgodnego z oczekiwaniami funkcjonowania. Należy pamiętać jednak, że projektowanie maszyny nie sprowadza się jedynie do obliczenia wymiarów. Równie ważnymi elementami procesu projektowania są dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych oraz takie zaprojektowanie maszyny, aby jej użytkowanie było bezpieczne dla pracowników. Literatura [1] J.Warych - "Aparatura chemiczna i procesowa", OWPW, Warszawa 1996 [2] Stabnikow, Popow, Łysiński, Riedko - "Procesy i aparaty w przemyśle spożywczym", WNT, Warszawa 1978 [3] J. Pikoń - "Aparatura chemiczna", PWN, Warszawa 1978 [4] H. Bieszk - "Wybrane aparaty do rozdzielania zawiesin", Gdańsk 2007 [5] H. Bieszk - "Urządzenia do realizacji procesów mechanicznych w technologii chemicznej", WPG, Gdańsk 2001 Streszczenie Odstojniki są maszynami służącymi do sedymentacyjnego, grawitacyjnego rozdziału ciekłych układów niejednorodnych. Rozdzielanie w odstojnikach jest

6 oparte na opadaniu cząstek stałych z prędkością zależną od ich rozmiaru i stężenia. Oprócz zastosowania tych urządzeń w procesie oczyszczania ścieków, buduje się także odstojniki dla przemysłu spożywczego, a także przeznaczone do współpracy z innymi urządzeniami takimi jak filtry, wirówki czy wymienniki ciepła, aby możliwe było przeprowadzenie złożonych procesów. Wymiary projektowe odstojnika tak samo jak wielu innych maszyn np. cyklonu czy komory pyłowej uzależnione są od wielu czynników. W przypadku odstojnika bierzemy pod uwagę oczekiwaną wydajność, stężenie początkowe zawiesiny, stężenie końcowe odprowadzonego szlamu czy wielkość cząstek które chcemy z zawiesiny wydzielić. Proces projektowania maszyny zmusza do wykonania szeregu obliczeń, charakterystycznych dla danego urządzenia. Znajomość podstaw programowania w dowolnym języku umożliwia pewną automatyzację procesu, a poprawne napisanie programu wykonującego za nas obliczenia niweluje ryzyko popełnienia błędu. W pracy scharakteryzowany zostanie krótko proces rozdziału ciekłych mieszanin niejednorodnych, następnie omówiona będzie jedna z maszyn (odstojnik) służąca do przeprowadzania tego procesu oraz na przykładzie tej maszyny przedstawiony będzie tok obliczeniowy niezbędny do jej zaprojektowania. Na zakończenie krótko omówione zostaną narzędzia programistyczne dzięki którym proces projektowania można usprawnić.