Расчет вакуум-выпарного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Выпаривание - концентрирование (сгущение) растворов, суспензий и эмульсий (чаще твердых веществ в воде) при кипении. В процессе выпаривания парообразование (кипение) происходит в объеме выпариваемой жидкости за счет подвода тепловой энергии. При выпаривании вода из раствора удаляется в виде пара, а растворенное вещество или дисперсная фаза остается в неизменном количестве. Тепло для выпаривания подводится различными теплоносителями. Однако основным теплоносителем является глухой водяной пар, называемый греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящих растворов, называется вторичным.

Выпаривание проводят под атмосферным, повышенным давлением или под вакуумом. При проведении процесса выпаривания под атмосферным давлением вторичный пар, как правило, не используется и выбрасывается в атмосферу. При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий элемент в подогревателях, для отопления, технологических нужд.

Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому применение данного способа ограничено свойством раствора и температурой нагревающего агента. Например, при таких условиях ухудшается качество многих пищевых продуктов. Кроме того, повышается стоимость установки.

При выпаривании под вакуумом можно проводить процесс при более низких температурах, что важно для растворов, склонных к разложению. При использовании греющего пара тех же параметров, что и при выпаривании под атмосферным давлением, увеличивается движущая сила процесса. Это позволяет уменьшить поверхность нагрева в аппарате или сокращает время проведения процесса.

Выпаривание под вакуумом требует установки дополнительного оборудования и большего расхода тепла на испарение. Однако этот способ широко используется для концентрирования высококипящих и легкоразлагающихся растворов.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда под вакуумом производят в одиночных выпарных однокорпусных аппаратах.

1. Состояние вопроса

Квасное сусло - продукт, который представляет собой вязкую густую жидкость с содержанием сухих веществ 70%, тёмно-коричневого цвета, кисловато-сладкую на вкус. Для приготовления квасного сусла применяют: солод ржаной сухой ферментированный и не ферментированный (солод ячменный), муку ржаную обойную хлебопекарную.

Квасное сусло используют в хлебопечении с целью интенсификации технологического процесса, улучшения всхожести, аромата, цвета и продления сроков хранения и реализации хлебобулочных изделий.

Производят квасное сусло на предприятии следующим образом: специально произведенные солода измельчаются, смешиваются с водой и подвергаются тепловой обработке на протяжении нескольких часов при контролируемых условиях. В это время ферменты, присутствующие в солодах, расщепляют крахмалы на сбраживаемые и несбраживаемые сахара. Для получения необходимого содержания сухих веществ и сохранения природных аминокислот, витаминов и ферментов, концентрат упаривают на специальных выпарных аппаратах.

Классификация и устройство. Выпарные аппараты можно классифицировать следующим образом:

1). По принципу действия -- на аппараты периодического и непрерывного действия. Периодические аппараты имеют ряд преимуществ перед непрерывными; при одной и той же начальной и конечной концентрациях раствора в них достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи; облегчается перекачка концентрированного вязкого раствора, так как ее можно осуществить после концентрирования при атмосферном или повышенном давлении (в вакуум-выпарных аппаратах непрерывного действия откачка вязкого раствора затруднена, особенно из последней ступени). Однако эти установки могут использоваться лишь при небольших производительностях.

2). По первичному теплоносителю -- на аппараты с паровым, газовым (продукты сгорания, горячий воздух и др.), жидкостным (вода, масло и. др.) теплоносителем, а также с электрическим обогревом. В промышленной практике чаще всего применяют обогрев паром, обеспечивающий высокий коэффициент теплоотдачи наряду с удобством регулирования установки. В ряде случаев целесообразно использование тепла отходящих газов различных технологических агрегатов.

3). По совмещению стадий нагрева и парообразования -- на аппараты, в которых эти стадии совмещены, аппараты с вынесенной зоной парообразования и с вынесенной поверхностью нагрева. Последние два типа аппаратов применяют для предотвращения интенсивных отложений на поверхности нагрева.

4). По подвижности поверхности нагрева -- на аппараты с неподвижной и подвижной поверхностью нагрева. Применение последней вызвано стремлением интенсифицировать процесс теплообмена. Подвижность поверхности нагрева обеспечивается ее вращением или вибрацией. В таких аппаратах скорость движения жидкости относительно поверхности нагрева высока, вследствие чего существенно повышается интенсивность теплообмена; отложения уменьшаются либо предотвращаются полностью. При этом существенно повышается степень концентрирования растворов.

5). По способу организации движения раствора - на аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, однократной и многократной. Естественная циркуляция может осуществляться в объеме аппарата либо обеспечиваться специальными, циркуляционными трубами. Принудительная циркуляция организуется с помощью насосов, мешалок или подачи пара (газа). Циркуляция (перемещение) раствора может создаваться также путем вращения либо обеспечиваться специальными циркуляционными трубами. Принудительная циркуляция организуется с помощью насосов, мешалок или подачи пара (газа). Циркуляция (перемещение) раствора может создаваться также путем вращения либо вибрацией поверхности нагрева.

6). По расположению зоны испарения -- на аппараты, в которых испарение раствора производится либо внутри труб, либо в объеме аппарата. При этом жидкость может находиться снаружи поверхности нагрева или же внутри ее.

7). По степени заполнения сечения труб -- на аппараты с заполненным и незаполненным сечением. К последним относятся аппараты со вставками и пленочные. Пленочные выпарные аппараты получают в настоящее время все более широкое распространение благодаря тому, что обладают высокой интенсивностью теплообмена при малых температурных напорах. По способу движения пленки такие аппараты подразделяются на аппараты с ниспадающей и восходящей пленкой, а также пленкой, движущейся под действием центробежных сил.

8). По направлению движения пара и жидкости -- на аппараты, в которых жидкость движется снизу вверх или же сверху. Аппараты с ниспадающей пленкой также подразделяются по направлению движения вторичного пара -- вверх или вниз. Последний способ благоприятно сказывается на режиме теплообмена, так как движение пара и пленки в одном направлении способствует увеличению скорости пленки и ее турбулизации.

9). По ориентации поверхности нагрева -- на аппараты, в которых поверхности нагрева располагаются вертикально, горизонтально или наклонно.

В промышленности используются различные выпарные установки. Выпарная установка, состоящая из одного выпарного аппарата (корпус), называется однокорпусной.

Также используется выпарной аппарат с горизонтальной выносной нагревательной камерой. Аппарат состоит из теплообменного устройства -- нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате или камера может быть вынесена и соединена с сепаратором трубами (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема устройства однокорпусного выпарного аппарата

Камера обогревается обычно водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры. Поднимаясь по трубам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе 2. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора. Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе 2 под нижнюю трубную решётку греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора в трубе 4 и парожидкостной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру, упаренный раствор удаляется через штуцер в днище аппарата.

Наибольшее распространение в пищевых производствах получили трубчатые выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией при площади поверхности нагрева 10…1800 м2. В зависимости от расположения греющей камеры аппараты бывают с сосной и вынесенной греющими камерами. Кроме перечисленных аппаратов применяют различные конструкции пленочных выпарных аппаратов.

Рисунок 2 - Выпарной аппарат с горизонтальной выносной нагревательной камерой.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты по конструкции и применяются для выпаривания растворов невысокой вязкости, не склонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с соосной и вынесенной греющими камерами (рисунок 3, а, б).

Выпарной аппарат состоит из сепаратора, греющей камеры и циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают отбойники различной конструкции. Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубного теплообменника, в межтрубное пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.

Рисунок 3 - Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора: а -- с соосной греющей камерой; б -- с вынесенной греющей камерой; 2 --сепаратор; 3 -- циркуляционная труба; Dс, Dк, Dц -- диаметры соответственно сепаратора, камеры и циркуляционной трубы; L -- длина камеры.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб.

Если жидкость в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в этих трубах образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, масса столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы -- паровое пространство -- циркуляционная труба -- трубы и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.

Для естественной циркуляции требуются два условия: 1) достаточная высота уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси и создать необходимую скорость; 2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

Представленные на рисунке 1 аппараты выгодно отличаются от устаревших конструкций аппаратов с центральной циркуляционной трубой. Наличие обогреваемой центральной циркуляционной трубы приводило к снижению интенсивности циркуляции.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи. На рисунке 4 показаны такие аппараты с греющими камерами. Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений. Давление в низу кипятильных труб больше, чем вверху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Из-за этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 1,5...3,5 м/с. Она определяется производительностью циркуляционного насоса, поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3...5 °С) и при выпаривании растворов большой вязкости.

.

Рисунок 4 - Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора: а - с соосной греющей камерой, б - с вынесенной греющей камерой.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией имеют площадь поверхности теплопередачи от 25 до 1200 м2, длину кипятильных труб от 4 до 9 м в зависимости от их диаметров, которые составляют 25, 38, 57 мм. Избыточное давление в греющей камере составляет от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе 93 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры не менее 0,9.

Преимущества аппаратов с принудительной циркуляцией: высокие коэффициенты теплопередачи (в 3...4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а следовательно, и значительно меньшие площади поверхности теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур. Недостаток этих аппаратов -- затраты энергии на работу насоса.

Пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании растворов, чувствительных к высоким температурам. При необходимом времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается. Выпаривание в пленочных аппаратах происходит за один проход раствора через трубы.

Пленочные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой и падающей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой.

Пленочные аппараты, как и описанные выше, состоят из греющей камеры и сепаратора (рисунок 5). В греющей камере расположены трубы длиной от 5 до 9 м, которые обогреваются греющим паром.

На рисунке 5,а показан пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и насосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20...25% высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.

На рисунке 5,а показан пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и насосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20...25% высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости.



Рисунок 5 - Пленочные выпарные аппараты: а -- с восходящей пленкой и соосной греющей камерой; 6-- с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой; 1 -- сепаратор; 2 -- греющая камера.

При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.

На рисунке 5,6 показан аппарат с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора.

Пленочные выпарные аппараты изготовляют с площадью поверхности теплопередачи от 63 до 2500 м2 с диаметром труб 36 и 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе 93 кПа.

Недостаток пленочных аппаратов -- неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Роторно-пленочный аппарат применяют при концентрировании пищевых растворов, а также суспензий. Он представляет собой цилиндрический или конический корпус с обогреваемой рубашкой (рис. 6).

Рисунок 6 - Роторно-пленочный выпарной аппарат.

Внутри корпуса вращается ротор, распределяющий раствор по цилиндрической поверхности корпуса в виде пленки, а в некоторых случаях в виде струй и капель. Роторно-пленочные аппараты выполнены, как правило, из нержавеющей стали Х18Н10Т и углеродистой стали. Высота аппаратов достигает 12,5 м при диаметре 1.0 м, площадь поверхности теплообмена от 0,8 до 16 м2.

Роторно-пленочные аппараты бывают с жесткими или размазывающими роторами. Жесткий ротор изготавливают пустотелым с лопастями. Зазор между лопастью и стенкой аппарата составляет от 0.4 до 1,5 мм. Исходный продукт подается в верхнюю часть аппарата и лопастями распределяется по цилиндрической стенке в виде пленки.

Принципиальное отличие испарителя с размазывающим ротором заключается в применении ротора с шарнирно закрепленными на валу флажками. При вращении ротора флажки прижимаются центробежной силой к внутренней поверхности корпуса и размазывают по ней продукт в виде пленки. Роторно-пленочные аппараты имеют более высокие коэффициенты теплопередачи, они достигают значений, равных 2300…2700 Вт/(м2 К).

Более распространены многокорпусные установки, которые более экономичны, так как образующийся при выпаривании вторичный пар из отдельных корпусов используется в качестве греющего пара в последующем корпусе и может также применяться в заводской теплообменной аппаратуре (так называемый экстра-пар). Число корпусов обычно не превосходит 3-5, что диктуется необходимостью иметь в каждом корпусе полезную разность температур Дt не меньше 7-8° С. При снижении Дt в отдельных корпусах (что будет иметь место при значительном увеличении числа корпусов) суммарная поверхность теплообмена увеличится. Это повысит затраты на сооружение выпарной установки, которые могут и не окупиться той экономией пара и топлива, какую дает увеличение кратности выпаривания.

Необходимым условием осуществления принципа многократного выпаривания является понижение температуры кипения в каждом последующем корпусе, тогда вторичный пар данного корпуса может быть использован в качестве греющего в последующем.

Как видно из изложенного, выпарная установка, помимо своего назначения - сгущения раствора, может выполнять и другие функции, как, например, снабжение завода или цеха экстра-паром, а также горячей водой-конденсатом (для питания паровых котлов и для технологических нужд завода), образующимся в результате конденсации греющего пара в каждом корпусе.

Чаще всего процесс выпаривания ведется непрерывно, что позволяет эффективно использовать выпарной аппарат, создать стабильный технологический режим и автоматизировать его работу.

В качестве теплоносителя обычно применяется насыщенный или слегка перегретый водяной пар. Допускается температура перегрева не больше 50°С. Паровой обогрев отличается гибкостью регулирования и высоким коэффициентом теплоотдачи. Газовый нагрев, электронагрев и нагрев при помощи высококипящих веществ (например, дифенильная смесь - даутерм) применяются лишь в случаях высокой температуры кипения упариваемых веществ.

Выпаривание может происходить при давлении, равном 1 ата и выше, а также под разрежением. В последнем случае температура кипения снижается, что используется при упаривании растворов, не допускающих высокой температуры кипения во избежание порчи продукта.

Рисунок 7 - Схема прямоточной выпарной установки: 1, 2, 3 - корпуса выпарной установки; 4 - конденсатор смешения.

Многокорпусная выпарная установка конструируется как «установка под разрежением» или как «установка под давлением».



Рисунок 8 - Схема противоточной выпарной установки: 1, 2, 3 - корпуса выпарной установки; 4 - конденсатор смешения; 5, 6, 7 - насосы.

В первом случае пар из последнего корпуса ввиду низких его параметров не используется и поступает на конденсатор, где превращается в воду с температурой порядка 50°С, во втором случае давление вторичного пара из последнего корпуса больше 1 ат., и пар этот может быть использован в качестве экстра-пара. Обычно многокорпусные выпарные установки конструируются как прямоточные, т. е. греющий пар и упариваемый раствор поступают в первый «головной корпус» выпарной установки. Встречное движение пара и раствора применяется реже - при упаривании вязких растворов с большой температурной депрессией. В этом случае более вязкие растворы будут выпариваться под воздействием теплоносителя - пара более высоких параметров. Но зато при такой схеме упаривания надо устанавливать между корпусами промежуточные жидкостные насосы, в то время как в прямоточной установке раствор переходит из данного аппарата в последующий за счет разницы давлений в смежных корпусах.

При схеме с параллельным питанием 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.

Для концентрирования сусла с использованием низкотемпературной вакуумной системы идеально подходят вакуумные выпарные установки (рисунок 10).

Рисунок 9 - Схема с параллельным питанием выпарной установки.

Она представляет собой герметичную цилиндрическую емкость из нержавеющей пищевой стали, оснащенную перемешивающим устройством с приводом, тепловой рубашкой с теплоносителем. Разряжение в вакуум выпарной установке создается при помощи вакуум-насоса. На пульте управления находятся пускатели перемешивающего устройства, вакуум-насоса, терморегулятор с индикацией значения температуры продукта, пускатели ТЭНов (при электроподогреве). Разряжение в вакуум выпарной установке контролируется при помощи вакуометра. Предусмотрена возможность регулирования давления в аппарате.

Рисунок 10 - Схема вакуумной выпарной установки.

выпарной циркуляция гидравлический сусло

2. Технические описания и расчеты

2.1 Описание принципа работы технологической схемы

Рисунок 11 - Технологическая схема однокорпусной выпарной установки для приготовления квасного сусла.

Исходный продукт - квасное сусло с начальным содержанием сухих веществ 10% центробежным насосом H₁(H₂) всасывается из емкости Е₁ и подается в пластинчатый подогреватель ПК. В аппарате продукт при его обработке движется последовательно. Нагрев квасного сусла осуществляется греющим паром при давлении - 0,15МПа. В качестве подогревателя горячей воды служит пластинчатый подогреватель. Вода на подогрев поступает из трубопровода В3.

Отработанный пар из подогревателя конденсируется в конденсатоотводчике КО и происходит нагрев продукта греющим паром до температуры кипения. После чего квасное сусло поступает в выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. В выпарном аппарате квасное сусло кипит и в результате чего выпаривается влага из продукта. Сгущаемый продукт из выпарного аппарата идёт в емкость Е₂,. а пар подается в змеевиковый конденсатор ЗК, где охлаждается и с помощью конденсатоотводчика удаляется.

2.2 Принцип работы проектируемого аппарата.

Рисунок 11- Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, вынесенной греющей камерой: 1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционный насос; 4- циркуляционная труба.

В верхней части сепаратора выпарного аппарата с принудительной циркуляцией и соосной греющей камерой (рисунок 11) расположен брызгоотделитель. Уровень раствора в аппарате должен поддерживаться по нижней образующей штуцера входа парожидкостной смеси в сепаратор.

Циркуляция раствора в аппарате осуществляется осевым насосом, который обеспечивает скорость потока в трубах 2.. .2,5 м/с.

Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, перегревается и по мере выхода из трубы вскипания в сепаратор закипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляет­ся тангенциально в сепаратор, где разделяется на жидкую и паровую фазы. Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель и выходит из аппарата через штуцер II.

Аппарат рассчитан на непрерывную работу. Конструкция аппарата предусматривает возможность механической очистки внутренней поверхности греющих трубок.

2.3 Материальный расчет установки

По условию:

· производительность установки по выпариваемой воде W=530 кг/ч = =0,147 кг/с.

· массовая доля сухих веществ в исходном продукте х_н=10%;

· массовая доля сухих веществ в дрожжевой суспензии после выпаривания х_к=21 %.

Производительность установки по готовому продукту определяем из равенства материального баланса:

(1)

Выразим массовый расход начального продукта из равенства материального баланса:

(2)

Зная производительность по выпариваемой воде и массовый расход начального продукта найдем G_к:

(3)

2.4 Тепловой расчет проектируемого аппарата

Определим температуры кипения растворов. Общий перепад давления в установке равен:

(4)

По давлению паров находим их температуры и энтальпии [1]:

Температуры кипения растворов в корпусе аппарата принимаем с учетом депрессий (температурной и гидродинамической).

Гидродинамическую депрессию принимаем 1,0 градус на корпус, тогда температура вторичного пара в корпусе равна:

По полученной температуре находим давление вторичного пара по таблицам Ривкина.

Температурную депрессию определим по уравнению:

(5)

где Т - температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

- температурная депрессия при атмосферном давлении.

(6)

Температура кипения раствора в корпусе равна:

(7)

Общая полезная разность температур равна

(8)

Определение тепловых нагрузок

(9)

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

с_н - теплоемкость раствора в первом корпусе, кДж/(кг·К);

с_в - теплоемкость воды, кДж/(кг·К);

t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе;

Q - теплота концентрирования в первом корпусе, кВт.

(10)

(11)

(12)

2.5 Конструктивный расчет аппарата

Предварительно примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К (табл. 2.1) [2]: К = 1000 Вт/(м²*К).

Полезная разность температур:

(13)

Необходимая минимальная площадь теплообмена:

(14)

Выбираем выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой со следующими основными параметрами[2]:

Площадь поверхности F = 25м²;

Диаметр греющей камеры D = 0,4 м;

Диаметр сепаратора D₁ = 0,12 м;

Диаметр циркуляционной трубы D₂ = 0,2м;

Расчет диаметров штуцеров

Расчёт ведем по уравнению расхода, предварительно задавшись скоростями соответствующих сред (табл. 4.2) [1].

Для подачи раствора на выпаривание принимаем скорость _н=2,0 м/с.

(15)

где сн - плотность раствора на входе в аппарат, кг/м3.

Из стандартного ряда диаметров согласно источнику [2] принимаем трубу ш 14Ч2 мм.

Для отвода раствора из аппарата принимаем скорость _к=1,5 м/с.

(16)

где с_к - плотность раствора на выходе из аппарата, кг/м³.

Принимаем трубу ш 14Ч2 мм.

Для подачи греющего пара, принимая скорость _п=20 м/с.

(17)

где с_п - плотность греющего пара при Р_гп.



Принимаем трубу ш 133 Ч 4 мм.

Для отвода конденсата, принимая скорость =0,2 м/с

(18)

Принимаем трубу ш 45Ч3,5 мм.

Для отвода вторичного пара, принимая скорость_вт=30 м/с

(19)

где с_вт - плотность вторичного пара при Р_вт

Принимаем трубу ш 76Ч4 мм.

2.6 Расчет комплектующего оборудования

Расчёт пластинчатого подогревателя.

(20)

t_н - температура квасного сусла на входе в подогреватель, 20⁰С;

t_к - температура квасного сусла на выходе из подогревателя, 83,55⁰С;

С_в - удельная теплоемкость квасного сусла при t=(83,55+20)/2=51,77⁰C [4];

G_в - расход квасного сусла, м³/с.

Для подогрева используем насыщенный водяной пар 0,15МПа. Температура конденсации равна t_г.п.=111,37?.

Средняя разность температур

(21)

Примем К_ор=1000Вт/(м²К) (табл.2.1) [2], ориентировочное значение поверхности

, (22)

Подходит пластинчатый теплообменник поверхностью 2,0 м², поверхность пластины 0,2 м², число пластин N=12 (табл. 2.13) [2].

Скорость жидкости и число Re в шести каналах площадью поперечного сечения канала 0,00178м² и эквивалентным диаметром канала 0,0088м².

(23)



(24)

Где - диаметр канала [2], плотность, вязкость квасного сусла [4].

Коэффициент теплоотдачи к жидкости рассчитаем по формуле:

(25)

Где - теплопроводность квасного сусла [4].

(26)

Для определения коэффициента теплоотдачи примем, что Тогда в каналах с приведенной длинной L=0,518 м (табл. 2.14) [2] получим:

(27)

Толщина пластин 1,0 мм, материал - нержавеющая сталь, =17,5 Вт/ ( Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны жидкости составит:

(28)

Коэффициент теплоотдачи

(29)

Требуемая поверхность теплопередачи

(30)

Теплообменник номинальной поверхностью F = 8м². Масса этого аппарата М=345 кг (табл.2.13) [2]:

Скорость воды в штуцерах (табл. 2.6) [2].

(31)

Коэффициент трения

(32)

Гидравлическое сопротивление

 (33)

Расчет змеевикового конденсатора.

Тепловая нагрузка аппарата:

(34)

Расход воды:

(35)

Средняя разность температур:

(36)

В соответствии с табл. 2.1 примем К_ор=1000 Вт/(м²*К). Ориентировочное значение поверхности

(37)



Находим длину одного витка змеевика, принимая диаметр витка змеевика d_з=0,592 [1].

(38)

Общая длина змеевика:

(39)

где d_p = 0,05 м.

Число витков змеевика:

(40)

Общая высота:

(41)

Внутренний диаметр корпуса теплообменника в который погружается змеевик:

(41)

2.7 Гидравлический расчет продуктовой линии и подбор нагнетательного оборудования.

Гидравлический расчет насоса.

Выбор трубопровода.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 м/с. Тогда диаметр по формуле:

, (42)

где Q - объемный расход квасного сусла, м³/с;

щ - фактическая скорость в трубе, м/с.

Фактическую скорость квасного сусла в трубе :

(43)

Выбираем стальную трубу d=14 мм, толщиной стен 2 мм. Внутренний диаметр трубы d=0,01 м.

Примем, что коррозия трубопровода незначительна.

Определение потерь на трение и местные сопротивления.

Находим критерий Рейнольдса:

(44)

т.е. режим развитый турбулентный.

Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем =2•10^-4 м. Тогда

(45)

Расчет проводим по формуле:

(46)

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений.

Для всасывающей линии:

1) вход в трубу (принимаем с острыми краями): о₁=0,5;

2) вентиль нормальный при полном открытии для d=0,01;о₂=10,8.

3) отводы под углом 90°:о₃=2,2.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

Уо= о₁+ о₂+ о₃=0,5+10,8+2,2=13,5. (47)

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

, (48)

где л - коэффициент трения; l и d - соответственно длина и диаметр трубопровода; - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Для нагнетательной линии:

1)отвод под углом 90°: о₁=1,6;

2)вентиль нормальный при полном открытии для d=0,01;о₂=10,8.

3)выход из трубы: о₃=1.

Уо=3?1,6+2?10,8+1=27,4.

Потерянный напор в нагнетательной линии:

Общие потери напора:

(49)

Выбор насоса.

Находим напор насоса по формуле:

(50)



Полезную мощность насоса определим по формуле:

(51)

где Q - подача (расход);

H - напор насоса ( в м столба перекачиваемой жидкости).

Принимая _пер=0,1, _н=0,6, найдем мощность на валу электродвигателя:

(52)

По таблице 1.2. [2] устанавливаем, что заданным подаче и напору больше всего соответствует центробежный насос марки Х8/25, для которого в оптимальных условиях работы Q=4,2•10^-4 м³/с, H=25 м. Насос мощностью N_н = 1,1 кВт. Частота вращения вала равна n=50 с^-1.

Тип электродвигателя АОЛ-12-2.

Заключение

На основе сбора информации о технологии выпарных аппаратов, об оборудовании, используемом для выпаривания, также о разработках пластинчатых конденсаторов, а также произведенных расчетов данного типа змеевикового конденсатора можно сделать вывод, что данный тип выпарного аппарата является наиболее перспективным и имеет более высокий коэффициент полезного действия. А также можно сделать вывод о его наибольшей пригодности в технологических процессах по выпариванию.

При выполнении данной курсовой работы были получены навыки расчета выпарных установок а также навыки при выборе вспомогательного оборудования к данным аппаратам. Были рассмотрены вопросы о конденсации и области применения данного типа оборудования. Была рассчитана технологическая схема с данным типом оборудования.

Список используемых источников

1. Стабников В.Н. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств. - М.: Киев. Выш. Школа, 1982 - 197с.

2. Дытнерский Ю.М. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. - М.: Химия, 1983 - 496 с.

3. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. - М.: Машиностроение, 1973.- 285 с.

4. Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим константам пищевых продуктов и полуфабрикатов. - М.: Пищевая промышленность, 1965. - 184 с.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.: ООО ИД «Альянс», 2007. - 576.

6. Общие требования и правила оформления учебных текстовых документов СТП СМК 4.2.3-01-2011. Общие требования и правила оформления учебных текстовых документов. - Могилев : УО «МГУП», 2011. - 44с.

Размещено на Allbest.ru