OPERATII UNITARE IN INDUSRTIA ALIMENTARA - TRANSPORTUL PNEUMATIC AL PARTICULELOR SOLIDE

UNIVERSITATEA DE STIINTE AGRICOLE SI MEDICINA VETERINARA A BANATULUI

TIMISOARA

FACULTATEA DE TEHNOLOGIA PRODUSELOR ALIMENTARE

Disciplina: OPERATII UNITARE IN INDUSRTIA ALIMENTARA

TRANSPORTUL PNEUMATIC AL    PARTICULELOR SOLIDE

1.INTRODUCERE

Instalatiile de transport pneumatic au o larga raspandire in multe domenii industriale. Ele sunt folosite pentru transportul materialelor granulat

e sau in forma de praf, intre diversele faze de fabricatie in cadrul unei uzine, pe santiere de constructii, la transbordare la transportul fluvial si maritim. Dimensiunile materialelor utilizate pot varia de la cativa microni pana la 50 mm, iar in cazul lemnului tocat 100mm lungime.

Materialele care au un continut mare de apa nu se pot transporta pneumatic datorita fenomenului de infundare a palniei de alimentare.

Materialele fibroase se pot transporta pneumatic folosind cantitati mari de aer. Concentratia acestor materiale nu trebuie sa depasasca 0,2 kg de material la 1 kg de aer.

Toate sortimentele de seminte si granule se transporta pneumatic fara a intampina dificultati.

Curentii diispersi de tipul « aer-particule solide » din candrul sistemelor eterogene primesc in contemporaneitate, o utilizare tot mai larga in diferite domenii ale industriei, agricultura,transport, s.a.

Particularitatile cararcteristice sistemelor etreogene disperse, respectiv a curentilor dis persi, sunt existenta a cel putin doua faze si actiunea reciproca dintre ele. Cele doua faze sunt:

-faza dispersanta ( dupa alti autori denumita faza continua ori faza externa sau mediul de dispersie)

-faza dispersata ( ori faza discontinua sau faza interna) sub forma de particule marginite pe intreg conturul lor de faza dispersanta

Actiunea hidromecanica dintr cele doua faze ale curentului dispers, excluzand procesele in masa care pot avea loc intre faze ,pot duce la modificari calitative ale mediului dispers "aer-particule solide". Aceste modificari calitative devin esentiale numai la modificarea calitatii sistemului dispers, adica la modificarea concentratiei amestecului.

Barth, Dziadzio, si altii, analozand sub aspect hidrodinamic curentii dispersi deosebesc trei tipuri principale de de sisteme disperse si anume:

sisteme disperse sau strat penetrant

sisteme disperse pseudo- fluid, sau strat in suspensie ori strat fierbator

Sisteme disperse direct( transport pneumatic, transport hidraulic)

Clasificarea instalatiilor de transport pneumatic

Se deosebesc 3 grupe de instalatii de transport:

1) -la care transportul se face prin antrenarea particulelor in curentul de gaze , care se subdivid in 3 grupe:

a) cu concentratii reduse

b) cu concentratii medii

c) cu concentratii mari

2) -utilizate doar la produse macinate fin, la care materialul e adus in st are de fluidizare prin difuzarea unui curent de gaze, in spatiul dintre particule:

a) in rigola cu panta redusa

b) in conducta, pe verticala

3) la care se transporta o singura capsula pe conducta

Alimentarea prin sorb

Sistemul de alimentare prin sorb permite introducerea materialelor sub forma de praf, boabe sau bulgari. El se compune din doua tuburi cilindrice coaxiale printre care trece aerul comprimat spre capatul sorbului unde se produce amestecul ce patrunde prin tubul central in instalatia de transport pneumatic. Concentratia amestecului obtinut se regleaza prin cota care se afla la capetele celor 2 tuburi cu ajutorul prezoanelor, piulitelor si contra piulitelor.

In cadrul instalatiilor de transport pneumatic cu absorbtie la care materialul este doza de insusi instalatie tehnologica, sorbul se inlocuiestecu o simpla palnie de incarcare.

Caderea de presiune in portiunea de accelerare

Intr-o instalatie de transport pneumatic, exista mai multe portiuni de accelerare. Prima portiune cuprinde locul de incarcare a materialului in conducta si lungimea de conducta dreapta pe care materialul se accelereaza pana la o viteza mai mica decat viteza de regim cu 5%. Dupa fiecare curba viteza materialului este mai redusa decat viteza de regim si din nou exista o portiune de accelerare.

Pierderea de presiune in curbe

In curbe materialul se taraste deasupra peretelui asupra caruia actioneaza forta centrifuga iar aerul circula in portiunea lasata libera, contribuind in mica masura la antrenarea materialului. In timpul salturilor curentul de aer actioneaza asupra particulelor. Viteza aerului ramane constanta, viteza materialului scade.

1.1. SISTEMUL DISPERS DIRECT

Este caracteristic faptul ca ambele faze se deplaseaza. Un caz particular al acestui sistem il reprezinta transportul pneumatic si transportul hid particulelor solide.In cazul curentului ascendent acest regim incepe in momentul cand viteza fluidului depaseste viteza de plutire a particulelor

In particular in cadrul transportului pneumatic in conducte orizontale se deosebesc diferite situatii caracteristice, functie de viteza curentului de aer si de concentratia particulelor solide, astfel:

transport pneumatic cu deplasarea particulelor solide in suspensie;

transport pneumatic cu deplasarea particulelor solide in salturi;

transport pneumatic prin migratie in dune.

IMPORTANTA MISCARII PARTICULEOR SOLIDE IN CONDITIILE TRANSPORTULUI PNEUMATIC

Miscarea particulelor solide in conditiile transportului pneumatic constitue obiectul multor cercetari, iar viteza este apreciata ca unul dintre cei mai importanti parametrii ai procesului de transport pneumatic.Miscarea particuleor solide are importanta insemnata asupra urmatorilor factori:

.- calitatea procesului pneumatic care apreciaza modul in care sunt pastrate caracteristicile si proprietatile fizico- mecanice ale particuleor solide

.- uzura conductelor instalatiei de transport pneumatic: in timpul transportului pneumatic particulele solide vin de repetate ori in contact cu peretii conductei, ciocnindu-se sau rostogolindu-se pe suprafata acestora. Acest proces duce la uzura conductelor.

.- economocitatea procesului de transport pneumatic: consumul specific de energie in cadrul transportului pneumatic este functie de viteza particulelor solide. Cu cat viteza este mai mare atat consumul de nergie pentru modificarea starii de miscare a particulelor este mai mare.

.- siguranta procesului de transport : la viteze mici de deplasare a particulelor solide concentratia gravimetricz creste, apra aglomerarii de particule, se formeaza depuneri, iar transportul pneumatic nu mai are loc.

 .- eficacitatea proceselor tehnologice realizate paralel cu procesul de transport pneumatic

1.3.AMESTECATOARE

Amestecatoarele se clasifica astfel:

-amestecatoare fara elemente mobile

-amestecatoare cu elemente mobile

Amestecatoarele fara elemente mobile se pot realiza prin circulatia fortata a lichidelor.

In cazul maselor alimentare solide (materii prime, semifabricate sau produse finite) , tipul de amestecator care poate asigura o omogenizare eficienta este functie de modul de prezentare a acestora: masa pulverulenta, granulara sau bucati.

Pentru produsele pulverulente se folosesc amestecatoare cu snecuri orizontale sau verticale.

Majoritatea amestecurilor sunt amestecuri neideale care nu verifica legea lui Raoult.

Relatiile de echilibru stabilite pentru amestecurile ideale sunt valabile si in cazul celor neideale, cu mentiunea ca presiunea substantei trebuie inmultita cu un factor de corectie- coeficientul de activitate.

Coeficientii de activitate depind de natura componentilor amestecului, ale concentratiei si de temperatura.

Pentru amestecuri cu abateri mari de la varianta ideala, coeficientii de activitate variaza puternic cu compozitia si difera mult de unitate.

Amestecurile cu compozitia corespunzatoare temperaturilor de fierbere maxima si minima fierb la temperatura constanta- amestecuri azeotrope.Acestea pot fi pozitive sau negative.

1.4.TRANSPORTUL LICHIDELOR

Transportul lichidelor pe orizontala sau la un nivel superiorr se realizeaza cu ajutorul pompelor. Aceastea transmit lichidului vehiculat prin ele energia mecanica a unei surse exterioare, marindu-i presiunea.

Pentru vehicularea lichidelor din industrie alimentara se folosesc urmatoarele tipuri de pompe:

- centrifugale-la care asteptarea energiei lichidului se datoreaza actiunii centrifuge ce apar la rotirea unui rotor in contact cu lichidul.

- axiale- la care cresterea energiei in miscarea de rotatie se datoreaza fortelor hidrodinamice generate de presiunea dintre fortele paletei

- cu canal lateral- la care asteptarea energiei lichidului se datoraeza diferentei de presiune intre zona de aspiratie si refulare prin variatia volumului dintre bratele radiale si suprafata libera inatalnita.

- volumice- la care cresterea energiei lichidului se datoreaza modificarii periodice a volumului unui spatiu sub actiunea unui organ de lucru

- cu fluid- motor la care cresterea energiei fluidului motor are loc prin efect de jet creat la scurgerea fluidului motor printr-un ajutaj amplasat intr-un difuzor, obtinandu-se la refulare un amestec intre agentul motor si fluidul pompat.

Fluidele care au nevoie ca tensiunea sa depaseasaca o tensiune prag, pentru ca sa inceapa sa curga se numesc fluide viscoplastice.Aceasta se explica prin existenta in fluidul in repaus a unei structuri capabile sa reziste aricarei tensiuni.

Dintre fuidele vascoplastice cel mai simplu model este fluidul Brimghan care descrie bine comportarea unor vopsele si noroaie.

Pentru a studia mediul fluid se detaseaza cu ajutorul unei suprafete inchise o anumita regiune din spatiu, ocupata de fluid.

Instalatiile de transport pneumatic se clasifica dupa mai multe criterii care iau in considerare fie modul de lucru, fie cel al amestecului.

Dupa modul in care se face antrenarea particulelor solide instalatiile pneunotransport se clasifica in:

-instalatii la care transportul se face prin antrenarea separata a particulelor solide in curentul de gaze chiar daca exista ciocniri intre particule.

- instalatii de transport la care materialul este adus in stare de fluidizare prin difuzia unui amestec, in acest caz gazul are rolul de a elimina fiecare dintre granule.

Dupa marimea presiunii din conducte de transport pneumatic instalatiile se clasifica in:

-instalati de depresiune racordata la un echaustor

- instalatii cu suprapresiune racordata la un compresor sau sulfoneta

Tipuri mai des utilizate de instalatii de transport pneumatic:

-instalati de depresiune

- instalatii de suprapresiune

- instalati de transport pneumatic cu sorb

- instalatii de transport pneumatic prin refulare

- rigola pneumatica

- instalatia de transport a materialului fluidizat pe verticala

- instalatia de transport pneumatic cu capsule cilindrice ( posta pneumatica ).

Tema proiectului

Sa se dimensioneze o instalatie de transport pneumatic (cu sorb) pentru grau, de la siloz la punctul de receptie dintr-o moara in cazul traseului orizontal si vertical indicat in figura de mai jos:

Date initiale:

-debitul in greutate al materialului solid transportat:

Q_GS = 88.000 [N/h] ,

-lungimea tronsoanelor L_1-2 =9,6 m si L_3-4 = 41 m,

-diametrul conductei, D = 110 mm =0,11 m,

-diametrul bobului de grau, d=4,6 mm = 0,0046m,

-masa particulei de grau, m=3,806 10^{-5 kg}

-viteza optima a gazului(aerului) la transportul pneumatic, v_g=20÷30 m/s,

-acceleratia gravitationala g=9,81 m/s^2,

-greutatea specifica a gazului la presiunea atmosferica, _g=12,9 N/m^3.

Tabelul 1. Constante legate de material

2.Stabilirea parametrilor de transport

Calculul concentratiei de transport:

C=k₀ F_r²=k₀ (v_g²/g D)² [ - ]

Unde C-concentratia de transport

k₀-constanta de infundare, k₀=3.1

v_g-viteza optima de curgere a aerului [m/s]

g-acceleratia graviatationala [m/s²]

D-diametrul conductei [m]

C=3,1 0,11]² => C=10,57

Calculul debitului de gaz Q_g

Q_g=(л D²/4) v_g    [ m³/s ]

Unde v_g-viteza optima de curgere a aerului [m/s]

D- diametrul conductei [m]

Q_g=3,14(0,0001/4) 24 => Q_g=0.22 m³/s

Calculul in greutate al gazului Q_Gg

Q_Gg=γ_g Q_g [N/h]

Unde _g -greutatea specifica a gazului la presiunea atmosferica _g [N/h]

Q_Gg=12,9 3600 => Q_Gg= 10216,8 N/h

Calculul debitului in greutate al solidului Q_Gs

Q_Gs=Q_Gg C [N/h]

Valoarea calculata a debitului in greutate al solidului trebuie sa fie superior cifrei impuse, functie de valoarea vitezei de curgere a aerului , v_g

Q_Gs=10216,8 10,57 => Q_Gs= 107991,57 N/h

Calculul vitezei de regim a particulei solide in sorb v_s

v_g- viteza de regim a aerului,

v_s- viteza de regim a particulei solide in sorb,

v_p- viteza de plutire a particulei,

v_p= [m/s]

unde d-diametrul particulei solide [m]

C_R-coeficient de rezistenta C_R=0,42

_s- greutatea specifica a solidului _s=12753 [N/m³]

_g- greutatea specifica a gazului la presiunea atmosferica _g=12,9 [N/m³]

g-acceleratia gravitationala

*_z-constanta vitezei de regim *_z=0,0024-0,0032 [ - ]

-coeficient de proportionalitate

D-diametrul conductei [m]

g-acceleratia gravitationala [m/s²]

Conditie: v_s < v_g

v_p= =>v_p=11.46 m/s

v_s²-103,2 v_s+1105,19=0

V_s1=42,01

V_s2=14,37

Determinarea timpului de accelerare a particulei pe prima portiune dreapta t_a

[s]

unde v_s∞-viteza de regim a particulei solide dupa atingerea timpului t_a

[-]

[-]

ζ_v - coeficient de impact

m - masa particulei de grau [kg]

C_R - coeficient de rezistenta C_R =0.42

D - diametrul conductei [m]

d - diametrul bobului de grau [m]

_g - greutatea specifica a aerului la presiunea atmosferica _g= 12.9 [N/m³]

g - acceleratia gravitationala

*_z - constanta vitezei de regim *_z = 0.0024 - 0.0032

_{v v}

=>

=>

=>

=> v_s∞ = 15,12

t_a =

t_a = -0.29 ln 0.05 => t_a=0.86 s

Determinarea lungimii portiunii de accelerare a particulei solide L_a [m]

[m]

t_a - timpul de accelerare

L_a= 13,003(1-1.69 ln 1.19) => L_a = 9,36 m

3. Calculul pierderilor de presiune la curgerea fluidului bifazic gaz- solid

Calculul pierderilor de presiune pe tronsonul 1-2

Pierderea de presiune in sorb si pe prima portiune orizontala

[N/m²]

unde _si - coefficient de impact in sorb _si

_g - greutatea specifica a aerului la presiune atmosferica _g=12.9 [N/m³]

v_si - viteza de regim initiala a particulei solide v_si = 0 [m/s]

=> p_a = 5383,7 N/m²

Pierderea de presiune in sorb

p₁+ p_a = p_at [N/m²]

unde p₁- pierderea de presiune in sorb

p_at- presiunea atmosferica p_at = 1.013*10⁵ N/m²

p_a - pierderea de presiune in sorb si per prima portiune orizontala

p₁ = p_at - p_a => p₁ = 101300-5383,7 => p₁ = 95916,3 N/m²

Pierderea aparenta de presiune pentru aerul curat per prima portiune dreapta L_1-2

Δp_1-2* = [N/m²]

unde _gaer - greutatea specifica a aerului curat, _gaer = 1 [N/m³]

- coeficient adimensional funcite de regimul de curgere caracterizat prin numarul lui Reynolds si rugozitatea relativa a conductei

p_1-2* = 0.023*87,27*29,35 => p_1-2* = 58,92 N/m²

Pierderea de presiune reala la curgerea aerului curat prin tronsonul 1-2

p_1-2 = [N/m²]

unde p₁ - presiunea in sorb

p_1-2 = => p_1-2 = 58,94 [N/m²]

Calculul pierderilor de presiune la curgerea fluidului bifazic pe tronsoane rectilinii (tronsonul 1-2)

Pierderea de presiune la transportul amestecului bifazic gaz - particule solide

[N/m²]

unde K₁ - coeficient experimental avand valoare practica

K₁ = 1.3*K^'₁ = 1.3*

K₁ - coefficient experimental avand valoarea obtinuta in laborator

C - concentratia de transport

Fr₁ = 576/(0.11*9.81) => Fr₁ = 538,31

_s

K₁ = 1.3*0,27 = 0,46

( p₁)_1-2 = 58,49*(1+0,36*10,57) = 281,05 [N/m²]

Pierderea de presiune in punctul 2 (la capatul tronsonului 1-2)

p₂=p₁-( p₁)_1-2 [N/m²]

p₂= 95916,3-281,05 =>p₂=95635,25 N/m²

Determinarea greutatii specifice si a vitezei gazului in punctul 2 ( _g2, v_g2)

[N/m³]

_g2 [N/m³]

[m/s]

v_g2 = 24,07 [m/s]

Calculul vitezei de regim a particulei solide in punctul 2

Conditie: v_s2 < v_g2

1,83 v_s2²-103,5 v_s2 + 1112,41 = 0

Δ = 2569,41

V_s2^' = 42,12

V_s2^''= 14,43

4.Pierderea de presiune la transportul amestecului in zona cotului zona 2-3

Pierderea de presiune la transportul aerului curat prin cot

[N/m²]

ζ =0.50

Δp_2-3 =189,87 [N/m²]

Pierderea de presiune la transportul amestecului bifazic in zona cotului

[N/m²]

(Δp₁)_2-3 = 911,37 [N/m²]

Viteza particulei solide la iesirea din cot

[m/s]

/2 ,unghiul curbei in radiani

v_s3 = 14,43*0.62 =>v_s3 = 8,94 m/s

Pierderea de presiune la reaccelerarea particulei solide se determina cu relatia:

[N/m²]

[N/m²]

Presiunea in punctul 3

[N/m²]

p₃ =95635,25 - 1767,39 = 93867,86 [N/m²]

Calculul greutetii specifice si a vitezei gazului in punctul 3

[N/m³]

_g3 = 12.86*0.98 = 12.62 [N/m³]

[m/s]

v_g3 = 24,52 [m/s]

5. Pierderea de presiune la deplasarea amestecului bifazic pe tronsonul 3-4

Pierderea de presiune aparenta pentru aerul curat:

p*_3-4= _g3

p^*_3-4 = 3315,58

Pierderea de presiune reala la curgerea aerului curat prin tronsonul 3-4 se calculeaza cu relatia:

[N/m²]

p_3-4 = 3376,3 [N/m²]

Pierderea de presiune la deplasarea amestecului bifazic gaz-solid se determina cu relatia:

[N/m²]

p₁)_3-4 = 16206,24 [N/m²]

6. Pierderea totala de presiune:

[N/m²]

Δp_tot = 5383,7 + 281,05 + 911,37 + 1767,39 + 16206,24 = 24549,75 [N/m²]

7. Puterea utilajului

[kW]

unde η- randamentul mechanic al utilajului η = 0.7

γ- greutatea specifica a apei = 10330.49 [N/m³]

P = 6,32 [kW]

Bibliografie :

Ancusa V. - Mecanica fluidelor si masini hidraulice - Inst. Politehnic "Traian Vuia", Timisoara 1979

Bratu Em. - Operatii si utilaje in ind. Chimica - Ed Tehnica, Bucuresti vol. I, 1969

Bulat A. - Instalatii de transport pneumatic - Ed Tehnica, Bucuresti, 1962

Floarea J., Robescu D. - Transportul hidraulic si pneumatic - Inst. Politehnic Bucuresti, 1979

Reynolds A.J. - Curgeri turbulente in tehnica - Ed Tehnica, Bucuresti, 1982

Gheorghe L. - Probleme de operatii si utilaje in ind. Alimentara - Ed Tehnica, Bucuresti, 1978

Rasenescu I. - Operatii si utilaje in ind. Alimentara - Ed Tehnica, Bucuresti, vol I, 1971, vol II, 1972

Banu C. - Manualul inginerului de industrie alimentara - vol.I, Ed Tehnica, Bucuresti, 1989

Teodor Ioan Trasca - Operatii unitare in industria alimentara - Ed Eurostampa, Timisoara, 2005

Kasatkin, a. - Procese si aparate principale in tehnologia chimica - Ed. Tehnica, Bucuresti, 1983

Julieta, F., Robescu, D., Tudorel, P., Stamatoiu, D.-Dinamica fluidelor polifazice si aplicatiile ei tehnice - Ed Tehnica, Bucuresti, 1987.