Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова.

Кафедра: «Процессы и аппараты пищевых производств».

Курсовая работа

на тему: Расчет трехкорпусной выпарной установки

Выполнила:

Мартынова Татьяна



Содержание

Введение

1. Состояние вопроса

1.1 Общие сведения

1.2 Способы выпаривания

1.3 Принцип действия

2. Методика и расчеты

2.1 Теплотехнический

2.2 Конструктивный

2.3 Механический

Используемая литература

Приложение



Введение

Выпарные установки применяются в технологии для концентрирования или разделения растворов, суспензий и эмульсий. Требуемым конечным продуктом обычно является концентрированная, но все еще пригодная для перекачки жидкость. В процессе выпаривания может также решаться задача извлечения летучих компонентов или дистиллята, например, в системах отделения растворителей. В ходе этих процессов обычно требуется достичь и сохранить определенное качество продукта. Это требование наряду со многими другими привело к разработке разнообразных типов выпарных аппаратов, рабочих режимов и схем компоновки. Первым выпарным аппаратом Wiegand был созданный в 1908 году запатентованный многокорпусной выпарной аппарат с циркуляцией раствора. Этот аппарат концентрировал жидкости с беспрецедентной для того времени мягкостью и эффективностью. Он отличался удобством управления и компактной конструкцией. Дальнейшее техническое развитие привело к созданию в 1952 году первого выпарного аппарата с падающей пленкой Wiegand, который в дополнение к тем же, но значительно усовершенствованным чертам, обладал новыми возможностями обработки, особенно в отношении термолабильных продуктов. В то же время существенно улучшился и тепловой кпд выпарных аппаратов. Благодаря этим преимуществам выпарной аппарат с падающей пленкой фактически вытеснил другие типы выпарных аппаратов из многих сфер применения. Выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора в некоторой степени сохранили свое значение, тогда как специальные типы аппаратов - спиральные, противоточные, с перемешиванием - используются только для решения особых задач. В центре исследований и разработок имеется множество лабораторных и пилотных установок для проведения тщательных анализов и испытаний в области выпаривания и дистилляции. В этом исследовательском центре измеряются важнейшие физические характеристики продукта, такие как температурная депрессия, поверхностное натяжение, растворимость и максимально достижимая концентрация. Некоторые из пилотных установок являются передвижными и могут быть установлены на предприятии заказчика. Сбор данных и моделирование работы установок производится посредством новейших компьютерных программ. К настоящему времени на наших установках было испытано более 3000 типов продуктов.



1. Состояние вопроса

1.1 Общие сведения

При кипении растворов нелетучих веществ в паровую фазу переходит только растворитель. При этом по мере испарения растворителя и удаления его в виде паров концентрация раствора, т. е. содержание в нем растворенного нелетучего вещества, повышается. Нелетучими веществами называют вещества, обладающие при температуре процесса ничтожно малым давлением пара, например большинство твердых тел и некоторые высококипящие жидкости (серная кислота, глицерин и др.). Процесс концентрирования растворов, заключающийся в удалении растворителя путем испарения при кипении, называется выпариванием. Большей частью из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в выпарных аппаратах обычных конструкций упаренный раствор должен оставаться в текучем состоянии. Полное удаление растворителя в таких аппаратах возможно в тех случаях, когда растворенное вещество либо является жидким (например, выпаривание растворов глицерина), либо при температуре процесса находится в расплавленном состоянии (например, выпаривание растворов аммиачной селитры или едкого натра). Полное удаление растворителя из раствора возможно также в некоторых аппаратах специальной конструкции, например в распылительных сушилках. В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т. е выделение из него растворенного твердого вещества. Выпаривание широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации. В промышленности в большинстве случаев выпариваются водные растворы различных веществ, поэтому в дальнейшем рассматривается только выпаривание водных растворов. Однако описываемые ниже выпарные аппараты и методы их расчета применимы для выпаривания растворов с любыми растворителями, а также для испарения чистых жидкостей.

1.2 Способы выпаривания

Для обогрева выпарных аппаратов применяют нагревающие агенты. Наибольшим распространением пользуется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев. Нагревание выпариваемого раствора производится путем передачи тепла от нагревающего агента через стенку, разделяющую оба вещества, либо путем непосредственного соприкосновения веществ. Выпаривание путем непосредственного соприкосновения нагревающего агента с раствором применяется только при обогреве топочными газами. Выпаривание ведут как под атмосферным, так и под пониженным или повышенным давлением. При выпаривании раствора под атмосферным давлением образующийся так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым. При выпаривании под пониженным давлением (при разрежении) в аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-наcoca. Вакуум-выпарка позволяет снизить температуру кипения раствора и применяется для выпаривания чувствительных к высокой температуре растворов (например, растворов органических веществ), а также высококипящих растворов, когда температура нагревающего агента не дает возможности вести процесс под атмосферным давлением. Использование вакуума позволяет также увеличить разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором, а, следовательно, уменьшить поверхность теплообмена. Недостатком выпаривания в вакууме является удорожание установки (дополнительные затраты на конденсационное устройство) и ее эксплуатации (расход воды на конденсатор, затрата энергии на вакуум-насос, расходы по обслуживанию, амортизация конденсационного устройства). При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления и т. п. , а также для различных технологических нужд. Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения раствора, поэтому применение данного способа ограничено свойствами раствора и температурой нагревающего агента. Установки, состоящие из одиночного аппарата, вторичный пар из которого не используется (при выпаривании под атмосферным давлением или при разрежении) или используется вне аппарата, называются однокорпусными выпарными установками. Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединенных друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Образующийся в первом корпусе вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже, и т. д. Вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор (если этот корпус работает при разрежении) или используется вне установки (если последний корпус работает при повышенном давлении). Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), что позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара. Многократное использование тепла возможно также в однокорпусных выпарных установках, если сжать вторичный пар при помощи компрессора или пароструйного инжектора до давления, позволяющего применять пар для обогрева того же аппарата, в котором этот пар образовался. Выпарные установки с сжатием вторичного пара, называемые аппаратами с тепловым насосом (или с термокомпрессией).

1.3 Принцип действия

В многокорпусной выпарной установке вторичный пар каждого корпуса (кроме последнего) используется для обогрева следующего корпуса. Давление от корпуса к корпусу уменьшается так, чтобы температура кипения раствора в каждом корпусе была ниже температуры насыщения пара, обогревающего этот корпус. Применение многокорпусных выпарных установок дает значительную экономию пара. Если приближенно принять, что с помощью 1 кг греющего пара в однокорпусном аппарате выпаривается 1 кг воды, то в многокорпусной выпарной установке на 1 кг греющего пара, поступившего в первый корпус, приходится количество килограммов выпаренной воды, равное числу корпусов, т. е. расход греющего пара на выпаривание 1 кг воды обратно пропорционален числу корпусов. Так, в двухкорпусной выпарной установке одним килограммом греющего пара, поступившим в первый корпус, выпаривается в нем 1 кг воды, а образовавшимся при этом одним килограммом вторичного пара выпаривается во втором корпусе еще 1 кг воды; таким образом, всего на 1 кг греющего пара выпаривается 2 кг воды, а расход пара на 1 кг выпариваемой воды составляет 0,5 кг. Аналогично можно найти, что расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды в трехкорпусной выпарной установке составляет 0,33 кг, в четырехкорпусной - 0,25 кг и т. д. Действительный расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды несколько выше. Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно не целиком направлять на обогрев следующего корпуса, а частично отводить на сторону и использовать для предварительного подогрева раствора, поступающего на выпаривание, или для других технологических целей, не связанных с выпариванием. Отводимый на сторону вторичный пар называется экстра-паром. Экстра-пар может быть отобран из любого корпуса, кроме последнего. Из последнего корпуса не производят отбора экстрапара, так как вторичный пар оттуда направляется в конденсатор; если же выпаривание ведется под давлением, вторичный пар можно полностью использовать вне выпарной установки. Преимущество отбора заключается в том, что возрастание расхода греющего пара при отборе экстра-пара меньше, чем количество отбираемого экстра-пара; целесообразнее отбирать экстра-пар не из первых, а из последующих корпусов. В многокорпусных выпарных установках экономия пара достигается за счет увеличения поверхности теплообмена. Сравним, например, однокорпусную и двухкорпусную установки, работающие при одинаковой температуре греющего пара, равной 110° С и одинаковом вакууме в конденсаторе, соответствующем температуре конденсации вторичного пара 50° С. В этом случае, пренебрегая температурными потерями, получим для однокорпусной установки температурный напор 110 - 50 = 60° С. В двухкорпусной установке температура кипения в первом корпусе должна быть выше 50° С и ниже 110° С; примем ее равной 80° С, так что температурный напор в первом корпусе будет 110 - 80 = 30° С, а во втором корпусе составит 80 - 50 = 30° С. Тепловая нагрузка каждого корпуса двухкорпусной установки в 2 раза меньше нагрузки однокорпусной установки, температурный напор в каждом корпусе тоже в 2 раза меньше. Следовательно, поверхность каждого корпуса будет такой же, как поверхность однокорпусного аппарата. Полная поверхность обоих корпусов двухкорпусной установки будет в 2 раза больше, чем поверхность однокорпусного аппарата. Обобщая этот вывод, можно сказать, что поверхность многокорпусной установки больше поверхности однокорпусной в число раз, равное количеству корпусов. Если учесть температурные потери, то увеличение поверхности теплообмена многокорпусной установки будет еще больше. В приведенном примере температура кипения в первом корпусе была выбрана произвольно для того, чтобы получить равные температурные напоры по корпусам. В действительности температуры кипения по корпусам устанавливаются сами собой в зависимости от поверхности отдельных корпусов и коэффициентов теплопередачи в них. Если, например, в одном из корпусов коэффициент теплопередачи понизится, то поступающий на обогрев этого корпуса вторичный пар из предыдущего корпуса не будет полностью конденсироваться и давление (а, следовательно, и температура) в предыдущем корпусе повысится, пока не установится новое распределение температур. Таким образом, температуры в отдельных корпусах при работе установки не регулируются. Единственной возможностью регулирования этих температур является изменение отбора экстра-пара. При увеличении отбора экстра-пара из какого-либо корпуса количество пара, поступающего на обогрев следующего корпуса, уменьшится, и температура в нем понизится. В зависимости от способа подачи раствора различают следующие основные схемы многокорпусных выпарных установок. Схема с прямоточным питанием имеет наибольшее распространение. Слабый раствор подается в первый корпус, из него поступает во второй, из второго в третий и т. д. Таким образом, раствор и вторичный пар движутся в одном направлении. Раствор переходит из одного корпуса в другой вследствие разности давлений в корпусах. Так как температура кипения в каждом последующем корпусе понижается, то раствор поступает во все корпуса (кроме первого) с температурой более высокой, чем температура кипения. В результате раствор охлаждается и за счет отдаваемого при этом тепла испаряется некоторое количество воды (самоиспарение). Однако при питании первого корпуса холодным раствором значительное количество греющего пара в этом корпусе затрачивается на подогрев раствора.



Рис. 1 Схема трехкорпусной выпарной установки с прямоточным питанием

Поэтому при прямоточном питании целесообразно подавать в первый корпус предварительно подогретый раствор (путем установки подогревателей, обогреваемых зкстра-паром или конденсатом). Недостаток схемы с прямоточным питанием заключается в том, что в последнем корпусе, где температура кипения самая низкая, выпаривается наиболее концентрированный раствор. Одновременное понижение температуры и повышение концентрации раствора приводит к повышению вязкости и снижению коэффициентов теплопередачи; поэтому в данной схеме коэффициенты теплопередачи уменьшаются от первого корпуса к последнему. При схеме с противоточным питанием (рис. 2) слабый раствор подается в последний корпус, из него в предпоследний и т. д. ; следовательно, раствор и вторичный пар движутся из корпуса в корпус в противоположных направлениях. Так как в этом случае раствор поступает из корпуса с меньшим давлением в корпус с более высоким давлением, то для передачи раствора между корпусами устанавливаются насосы. При противоточном питании наиболее высокая концентрация раствора достигается в первом корпусе, где и температура кипения наибольшая. Поэтому значительного падения коэффициента теплопередачи в корпусе с наиболее концентрированным раствором не происходит и коэффициенты теплопередачи мало изменяются по корпусам. Это является наиболее существенным преимуществом противоточного питания перед прямоточным. Кроме того, при противоточном питании количество воды, выпариваемой в последнем корпусе, меньше, чем при прямоточном питании, что уменьшает

Рис. 2 Схема трехкорпусной выпарной установки с противоточным питанием нагрузку на конденсатор (при выпарке в вакууме)

В отношении расхода тепла противоточное питание выгоднее прямоточного при питании холодным раствором, но уступает ему при питании горячим раствором. Основным недостатком противоточной схемы является необходимость в установке насосов между корпусами, что связано с дополнительным расходом электроэнергии, усложняет установку и затрудняет ее регулирование.



Рис. 3 Схема трехкорпусной выпарной установки с параллельным питанием.

При схеме с параллельным питанием (рис. 3) слабый раствор подается одновременно во все корпуса, а упаренный раствор отбирается из всех корпусов. Эта схема применяется редко, главным образом при незначительном повышении концентрации раствора и при выпаривании кристаллизующихся растворов, так как передача их из корпуса в корпус в этом случае затруднительна вследствие возможного закупоривания перепускных трубопроводов и арматуры.



2. Методика и расчеты

2.1 Теплотехнический расчет

1. Определение количества выпаренной воды во всей установке

W=S(1- )=4,5(1- )=3,9 кг/с;

Распределение количества выпаренной воды по корпусам. Для трехкорпусной прямоточной установки можно принять следующее соотношение: выпарной трехкорпусный растворитель конструктивный

W:W:W =1:1. 1:1. 24

тогда == =1,17 кг/с;

=1.1 =1. 11,17=1,28 кг/с;

=1.24 =1. 241,28=1,58 кг/с;

2. Определение концентрации раствора в корпусах:

= = =9,4%;

===15,3%;

= = =67%;



3. Предварительный расчет давления и температуры вторичногопара в корпусах:

=+1=72,05+1= 73,05 ;

Средний перепад давления в одном корпусе:

ДP= = =0. 0014923 МПа;

Давление вторичного пара во втором и первом корпусах:

=+=+0. 0014923=0. 0379846 МПа;

=+ДP=0. 0379846+0,0014923=0. 0394769 МПа;

4. Определение температурных потерь

5. Температурные потери от физико-химического депрессии зависят от концентрации раствора в корпусах и могут быть рассчитаны для целого ряда пищевых жидкостей по формуле:

=0.38 ;

= 0.38 =0,416739;

= 0.38 =0.427951;

=0.38 =0.5440035;

Сумма физико-химических температурных депрессий по корпусам:

=++=0. 416739+0. 427951+0. 540035=1. 384725;



5. Температурные потери от гидростатической депрессии можно принять равным 1.5 на каждый корпус. Тогда по трем корпусам температурные потери составят:

=++=1. 5+1. 5+1. 5=4. 5;

6. Температурные потери от гидравлической депрессии можно принять равным 1. Тогда по 3 корпусам температурные потери составят:

=++=1+1+1=3 ;

Сумма всех температурных потерь в установке будет равна:

=++=1,384725+4. 5+3=8. 884725 %;

7. Определение полезной разности температур в установке и её распределение по корпусам.

8. Полная разность температур в установке:

= -=137,9-73,05=64,85;

9. Полезная разность температур в установке:

=- = 64,85-8,884725=55,96;



10. Тепловые нагрузки по отдельным корпусам:

= =1,172320,85=2,715 МВт;

==1,172323,23=2,718МВт;

= =1,282325,61=2,976 МВт;

11. Распределение полезной разности температур по корпусампри равенстве поверхностей нагрева:

= = 16;

= = 17,8 ;

= =22;

12. Расчет температурного режима выпарной установки. Для определения температурного режима установки вычисляются температуры кипения раствора, вторичного и греющего пара:

=- =137,9-16=121. 9;

==121. 9-0. 416739-1. 5=119. 98;

= 119,98-1=118,98;

= -=118,98-17,8=101,18;

= =101,18-0. 427951-1. 5=99,2;

=99,2-1=98,2;

= -=98,2-22=76,2;



Таблица 1 - Температурный режим установки

Наименование величины	Корпус	Конденсатор
	1	2	3
Гидравлическая депрессия		1	1	1
Температура греющего пара	137,9	118. 98	98,2
Полезная разность температур	16	17,8	22
Температура кипения раствора	121,9	101,18	76,2
Физико-химическая депрессия	0. 416739	0. 427951	0. 540035
Гидростатическая депрессия	1. 5	1. 5	1. 5
Температура вторичного пара	119. 98	99,2	73,05

13. Расчет коэффициентов теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи определяется по уравнению:

= 1739 Вт/();

= 1984 Вт/();

Для аппаратов с естественной циркуляцией коэффициент теплоотдачи определяется по критериальному уравнению для конденсации пара на вертикальной стенке:

N =1. 15(GPK );

Коэффициент теплопередачи определяется по критериальному уравнению Кичинга и Тобилевича имеет вид:

;

= 3265 Вт/();

= 4187 Вт/();

= 4612 Вт/();



15. Определение температурного напора:

= 5.75

= 10.08 ;

= 14,40 ;

= 5,90 ;

= 10.40 ;

= 15 ;

= 6 ;

= 10,80 ;

= 15,60 ;

Рисунок 4 - Нагрузочные характеристики корпусов выпарной установки



Определение коэффициентов теплопередачи:

= 21,55;

= 2047;

= 1942;

16. Определение расхода греющего пара.

Таблица 2 - Параметры теплоносителей по корпусам

Наименование величин	Ед.изм.	1 корпус	2 корпус	3 корпус
1.Температура		137.9	118,98	98,2
2.Энтальпия греющего пара	Дж/кг	27356	270802	26768
3.Энтальпия конденсата	Дж/кг
4.Температура вторичного пара		119,98	99,2	73,05
5.Энтальпия вторичного пара	Дж/кг	27096	26774	262147

Расход греющего пара в первом корпусе:

;

;



где 0.0000037818 кг/Дж;

0.0005319522 кг/Дж;

0.0000862356 кг/Дж;

Уточненный расчет количества выпаренной воды по корпусам:

кг/с;

кг/с;

кг/с;

Определение поверхности нагрева корпусов.

Поверхность нагрева каждого корпуса выпарной установки:

;

;

;

где ;

;

;



Расчет тепловой изоляции.

Толщина изоляционного слоя:

Вт/();

Определение тепловых потерь в окружающую среду.

Потери тепла в окружающую среду:

;

;

;

;

Коэффициенты тепловых потерь:

;

;

;

Уточнение расхода греющего пара в первом корпусе:



Удельный расход пара:

м;

2.2 Конструктивный расчет аппарата

Греющая камера

Число труб греющей камеры:

;

Диаметр циркуляционной трубы:

м;

Диаметр греющей камеры:

м;

Определение объема парового пространства.

Необходимый объем парового пространства:

м ;



Высота парового пространства:

м;

Определение диаметров патрубков.

Диаметры патрубков для подвода и отвода пара и жидкости:

м;

м;

м;

2.3 Механический расчет

Определение толщины стенки греющей камеры и надсокового

пространства:

см;

Толщина трубной решетки:

см



Список использованной литературы

1. Иоффе И. Л. «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии» Химия, 1991.

2. «Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств». Под редакцией Ставникова. Киев, 1982.

3. Курсовое проектирование по предмету: «Процессы и аппараты химической промышленности». Кувшинский М. Н. , Соболева А. П. «Высшая школа», 1968.

4. «Основные процессы и аппараты химической технологии». Борисов Г. С. , Быков В. П. и др. М. Химия, 1991.

Размещено на Allbest. ru