Способы производства пищевых красителей (стр. 8 из 14)
, (4.3)где Lн – расход исходного раствора, L= 5,56кг/с.
кг/с.Расход соли с исходным раствором определится:
Lн.р. = Lн. Х1н (4.4)
Lн.р. = 5,56 . 0,008 = 0,044 кг/с.
Содержание соли (потери в пермеате) в пермеате:
(4.5)Lпот = 4,39 . 1,31 . 10-3 = 5,75 . 10-3 кг/с,
что в процентах от количества, содержащегося в исходном растворе (5,75 . 10-3. 100)/ 0,044 = 13,07 %.
Полученное значение больше допустимого (10 %), поэтому рассмотрим следующую по удельной производительности мембрану – МГА – 95.
кг соли/кг раствора; 
кг/с; 
кг/с.Потери соли в % от количества, содержащегося в исходном растворе: (3,234 . 10-3. 100) / 0,044 = 7,35 %. Это значение находится в пределах допустимого, поэтому выбираем для дальнейших расчетов мембрану МГА – 95, имеющую селективность по NaCl φи = 0,95 и удельную производительность по воде Gо = 2,3 .10-3 кг/(м2. с).
3.3 Приближенный расчет рабочей поверхности мембран
При концентрациях электролита, не превышающих 0,4 моль/л воды, можно считать, что удельная производительность по воде равна удельной производительности по пермеату G, доля свободной воды Св = 1, вязкость пермеата равна вязкости воды и не меняется в процессе концентрирования раствора. В первом приближении пренебрегаем влиянием концентрационной поляризации и будем считать, что осмотическое давление у поверхности мембраны равно осмотическому давлению в объеме разделяемого раствора: π3 = π1. Примем также, что осмотическое давление пермеата пренебрежимо мало: π2 = 0. С учетом этих допущений удельная производительность мембран определится:
G = Gо. (1 - π1 /Δ Р ) (4.6)
По данным работы [10] строим зависимость осмотического давления от концентрации NaCl.
Рисунок 3.1
По графику (рисунок 3.1) находим величины π1н = 0,5 МПа; π1к = 3,8 МПа. Удельная производительность на входе разделяемого раствора в аппараты обратного осмоса и на выходе соответственно равна:
Gн = 2,3 . 10-3 (1 - 0,5 / 5) = 2,07 . 10-3 кг/(м2. с);
Gк = 2,3 . 10-3 (1 – 3,8 / 5) = 5,52 . 10-4 кг/(м2. с).
В первом приближении принимаем, что средняя удельная производительность мембран может быть выражена как арифметическая величина:
G = (Gн.Gк) / 2 (4.7)
G = (2,07 . 10-3 + 5,52 . 10-4) / 2 = 1,311 . 10-3 кг/(м2. с).
Тогда рабочая поверхность мембран составит:
F = Ln/ G(4.8)
F = 4,39 / (1,311 . 10-3) = 3349 м2.
3.4 Уточненный расчет поверхности мембран [10]
Определяем массовую долю соли в растворе на входе в аппараты первой секции
Х2н = (1 - φ) ×Х1н, (4.9)
Х2н = (1 - 0,9) . 0,008 = 0,000564 кг соли/кг раствора.
Х3н = Х2н / (1 - φ), (4.10)
Х3н = (1 - 0,9) . 0,000564 = 0,000982 кг соли/кг раствора.
По графику (рисунок 4.1) находим П3н = 0,62 МПа, П2н = 0,08 МПа.
Удельная производительность мембран на входе:
Gн = G0 (l - (П3н - П2н)) / ∆р, (4.11)
Gн = 2,3 . 10-з (1 - (0,62 –0,08 )) / 5 = 2,04 ×10-з кг/(м2×c).
Удельная производительность мембран на выходе из аппарата:
Gк = А (l - (П3н - П2н)) / ∆р, (4.12)
где А = GO / Dp- константа проницаемости мембраны по воде.
Gк = 2,3 ×10-з (1 - (0,62 - 0,08) / 5 =5,755 ×10-4 кг/(м2.c)
Выразим удельную производительность в виде функции от концентрации раствора по уравнению:
G = G0 - с .X1 , (4.13)
где с - константа для данной системы.
Определяем величину с для крайних сечений
сн = (G0 – Gн) / х1н , (4.14)
сн = (2,3 • 10-3 – 2,04 . 10-3) / 0,008 = 0,0325;
ск = (G0 – Gк) / х1к , (4.15)
ск = (2,3 ×10-3 – 5,755 ×10-4) / 0,032 = 0,0539.
Разница между полученными значениями, выраженная в процентах, составляет:
(ск - сн) . 100 / ск = (0,0539 – 0,0325) . 100 / 0,0539 = 14 %.
Это расхождение невелико, поэтому уравнение (4.13) применимо ко всей установке при использовании среднеарифметического значения с.
с = ( сн + ск) / 2 = (0,0539 + 0,0325) / 2 = 0,0432.
3.5 Расчет и конструирование фланцевого соединения
Определим основные геометрические размеры фланцевого соединения мембранного аппарата для очистки продукта, проведем расчет на прочность и герметичность соединения, работающего под внутренним давлением. При этом будем использовать следующие данные:
Внутренний диаметр аппарата Д, мм595
Толщина стенки корпуса S, мм5
Внутреннее давление в аппарате Р, МПа0,3
Рабочая температура t,0С25
Прибавка к расчетной толщине стенки С, мм1
Коэффициент прочности сварных швов j1
Материал фланцевого соединенияСталь 12Х18Н9Т
Материал болтового соединенияСталь 35Х
Диаметр болтовой окружности фланцев определяем по следующей формуле:
Дб = Д + 2(2 .S + dб + u), (4.16)
где dб – наружный диаметр болта, принимаемый в зависимости от давления и диаметра аппарата, м;
u – нормативный зазор между гайкой и втулкой, м.
Дб = 0,595 + 2 (2 . 0,005 + 0,018 + 0,005) = 0,661 м.
При диаметре аппарата Д = 0,595 м и рабочем давлении Р = 0,3 МПа принимаем диаметр болтов dб = 0,018 м.
Наружный диаметр фланцев определим по формуле:
Дн = Дб + а , (4.17)
где а – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, м
Дн = 0,661 + 0,035 = 0,696 м.
Наружный диаметр прокладки для плоских приварных фланцев определится по формуле:
Дн.п = Дб – е, (4.18)
где е – нормативный коэффициент, зависящий от типа прокладки, м.
Дн.п = 0,661 – 0,025 = 0,636 м.
Средний диаметр прокладки определится по формуле:
Дс.п. = Дн.п. – в , (4.19)
где в – ширина прокладки, м.
Дс.п. = 0,636 – 0,01 = 0,626 м.
Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности фланцевого соединения, определится по формуле:
, (4.20)где tш – рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от величины давления в аппарате, м.
При величине давления Р = 0,3 МПа шаг расположения болтов определится по формуле:
tш = (3,8 ¸ 4,8) .dб, (4.21)
откуда tш = (3,8 ¸ 4,8) . 0,018 = 0,07 ¸ 0,086 м.
Подставляя в формулу (4.20) известное значение tш, окончательно получим:
шт.
На основании выше проведенных расчетов выполняем конструктивную проработку фланцевого соединения. В связи с частой заменой мембран возникает необходимость в его быстрой разборке. Исходя из этих соображений, конструируем фланцевое соединение в соответствии с рисунком 3.2
Рисунок 3.2
Расчет фланцевого соединения на герметичность сводится к определению нагрузок при монтаже - Fs1 и в рабочих условиях - Fs2. Нагрузки, действующие на фланцевое соединение даны в соответствии с рисунком 3.3.
Рисунок 3.3
Равнодействующая сила от действия внутреннего давления определится по формуле:
, (4.22)после подстановки известных величин получим:
Н.Реакция прокладки определится по следующей формуле:
, (4.23)где в0 – эффективная ширина прокладки, м;
Кпр – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки.
Н.Усилие, возникающее от температурных деформаций, определится по следующей формуле:
, (4.24)где aф,aб – соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца, болта, 1/0С;
tф, tб – соответственно температура фланца, болта, 0С;
Уб, Уn, Уф – соответственно податливость болтов, прокладки, фланца;
Еб – модуль упругости материала болтов, МПа;
Fб - расчетная площадь поперечного сечения болта, м2.
Рассчитаем податливость болтов по формуле:
, (4.25)где
длина болта, рассчитываемая по следующей формуле: 
, (4.26)где
расстояние между опорными поверхностями головки болта, рассчитываемое по зависимости: 
(4.27)Подставляя известные величины в формулу (4.27), определим: