Двухкорпусная выпарная установка для концентрирования водного раствора продукта
Назначение выпарного аппарата с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой. Применение выпаривания для повышения концентрации растворов. Принципиальная схема установки, ее описание. Техническая характеристика установки, ее производительность.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.11.2014 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- 1. Задание на проектирование
- 2. Введение
- 3. Принципиальная схема установки и ее описание
- 4. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
- 4.1 Концентрации упариваемого раствора
- 4.2 Температуры кипения растворов
- 4.3 Полезная разность температур
- 4.4 Определение тепловых нагрузок
- 4.5 Выбор конструктивного материала
- 4.6 Расчет коэффициентов теплоотдачи
- 4.7 Распределение полезной разности температур
- 5. Определение толщины тепловой изоляции
- 6. Расчет барометрического конденсатора
- 6.1 Расход охлаждающей воды
- 6.2 Диаметр конденсатора
- 6.3 Высота барометрической трубы
- 6.4 Расчет производительности вакуум-насоса
- 7. Техническая характеристика установки
- 8. Вывод
- 9. Список использованной литературы
1. Задание на проектирование
Спроектировать двухкорпусную выпарную установку для концентрирования водного раствора продукта от начальной концентрации хн до конечной хк при следующих условиях:
1) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Ргп;
2) давление в барометрическом конденсаторе Рбк;
3) взаимное направление пара и раствора - прямоток;
4) отбор экстрапара не производится.
Исходные данные:
Gн - производительность установки по исходному продукту;
хн - начальная концентрация сухих веществ в продукте;
хк - конечная концентрация сухих веществ в продукте;
Рбк - абсолютное давление в барометрическом конденсаторе;
t1 - начальная температура продукта, поступающего на сгущение;
t - начальная температура охлаждающей воды;
Pгп - давление греющего пара;
Gн = 3,2 кг/с
xн = 13%
xк = 50%
Pбк = 15,01кПа
t1 = 67°C
t2 = 17°C
Pгп = 1,0 кг/см2
Выпарной аппарат - с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 1, исполнение 3);
Продукт - М - молоко;
Количество корпусов - 2.
2. Введение
При кипении растворов нелетучих веществ в пары переходит практически только растворитель. По мере его испарения и удаления в виде паров концентрация раствора повышается. Процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении, называется выпариванием.
Испарение при температурах ниже температуры кипения данного раствора происходит с его поверхности, в то время как при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего раствора, что значительно интенсифицирует процесс удаления растворителя из раствора.
Обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в применяемых для выпаривания аппаратах вещество должно оставаться в текучем состоянии. 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 твердого вещества.
Процесс выпаривания широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов, выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации, а иногда - для выделения растворителя.
Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаше всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным.
Таким образом, выпаривание является типичным процессом переноса теплоты: от более нагретого - греющего пара к кипящему раствору.
выпарная установка концентрирование раствор
Выпаривание проводят при атмосферном давлении, под вакуумом или под давлением, больше атмосферного. Образующийся при выпаривании растворов пар называют вторичным или соковым.
Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с атмосферной выпаркой снижается температура кипения раствора, что дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата, несколько снижаются потери теплоты в окружающую среду (так как снижается температура стенки аппарата), появляется возможность использования теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам выпаривания под вакуумом относятся удорожание установки (так как требуется дополнительное оборудование - конденсатор, вакуум-насос и др.), а также несколько больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раствором происходит увеличение теплоты испарения растворителя).
При выпаривании под повышенным давлением (выше атмосферного) вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента на различные технологические нужды.
3. Принципиальная схема установки и ее описание
В пищевой промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо - и противоточные, одно - и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.
Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.
Рис. 1. Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки: 1 - емкость исходного раствора; 2, 10 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4,6 - выпарные аппараты; 7 - барометрический конденсатор; 8 - вакуум-насос; 9 - гидрозатвор; 11 - емкость упаренного раствора; 12 - конденсатоотводчик
Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки показана на рис.1. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем - в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.
Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 6. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.
Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9, Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.
Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.
4. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:
Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.
Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:
кг/с.
4.1 Концентрации упариваемого раствора
Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:
w1: w2 = 1,0: 1,1.
Тогда:
кг/с;
кг/с.
Далее рассчитываются концентрации растворов в корпусах
;
.
4.2 Температуры кипения растворов
Общий перепад давлений в установке равен
кПа
В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах можно определить следующим образом:
кПа
кПа
Давление пара в барометрическом конденсаторе
кПа
что соответствует заданному значению Рбк.
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:
|
Р, кПа |
t,°С |
i, кДж/кг |
|
|
|
100 85 54 |
2675,3 2651,0 2598,2 |
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. В расчетах принимают град на корпус. Примем для каждого корпуса град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:
Сумма гидродинамических депрессий:
|
Рвп, кПа |
t,°С |
r, кДж/кг |
|
|
60, 20 15,75 |
86 55 |
2292,7 2369,7 |
При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000 Вт/м2, аппаратов с принудительной циркуляцией q=40000-80000 Вт/м2. Примем q=40000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:
Поскольку для определения tкип мы используем tвт. п над раствором, гидродинамическую депрессию считать не нужно.
Гидростатическая депрессия обусловлена разность давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Рср каждого корпуса определяется по уравнению:
;
где
Н - высота кипятильных труб в аппарате, 4 м;
- плотность кипящего раствора, кг/м3;
- паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), 0,5 м3/м3.
Плотность растворов по корпусам можно рассчитать по следующей зависимости:
,
где x - средняя концентрация продукта в корпусе.
кг/м3;
кг/м3.
кг/м3.
кг/м3.
кг/м3.
Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:
;
кПа
кПа
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя
|
Рср, кПа |
t,°С |
r, кДж/кг |
|
|
70,825 27,606 |
90 67 |
2282,2 2340,0 |
Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в оС):
; .
Сумма гидростатических депрессий:
.
Определим температурные депрессии по корпусам:
.
;
.
Сумма температурных депрессий:
.
Температуры кипения растворов в корпусах:
.
.
4.3 Полезная разность температур
Полезные разности температур по корпусам:
; ;
Тогда общая полезная разность температур:
;
4.4 Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в 1-й корпус D, производительность каждого корпуса по выпаренной воде W, тепловые нагрузки по корпусам Q и удельный расход греющего пара d определяются по следующим уравнениям:
кг/с;кДж/с;
кДж/с;
кДж/с;
кДж/с.
|
Параметр |
Корпус |
||
|
1 |
2 |
||
|
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с Концентрация растворов, х, % Давление греющих паров, Ргп, кПа Температура греющих паров, tгп,°С Температурные потери, , град Температура кипения раствора tк,°С Полезная разность температур, , град |
20,073 100 100 5,87 90,84 9,16 |
50 57,505 85 14,93 68,93 16,07 |
4.5 Выбор конструктивного материала
Конструкционный материал должен быть стойким в среде кипящего раствора КОН в интервале изменения концентрации от 5 до 40%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности Вт/ (мК)
4.6 Расчет коэффициентов теплоотдачи
Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
Суммарное термическое сопротивление:
м2К/Вт
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке равен:
;
При средней температуре пленки
Вт/м2К
При средней температуре пленки
Вт/м2К
Удельные тепловые нагрузки:
Вт/м2
Вт/м2
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен:
Подставив численные значения, получим:
Вт/м2К
Вт/м2К
Вт/м2К
Вт/м2К
4.7 Распределение полезной разности температур
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:
Представим численные значения и получим:
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
м2
м2
5. Определение толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:
Вт/ (м2К)
м
6. Расчет барометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20°С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.
Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.
6.1 Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:
. tк=54 - 3 = 51єС; t1= tн = 17єC;
кг/с
где Iбк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tн - начальная температура охлаждающей воды,°С; tк - конечная температура смеси воды и конденсата,°С; (tк = tбк - 3).
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров.
6.2 Диаметр конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора dбк определяют из уравнения расхода
,
где - плотность паров, кг/м3; - скорость паров, м/с. кг/м3 при tбк=54єС; м/с
м/с.
Принимаем согласно ГОСТу диаметр барометрического конденсатора
dбк = 1000 мм.
6.3 Высота барометрической трубы
В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе
м/с
Высота барометрической трубы
,
где B - вакуум в барометрическом конденсаторе, - сумма коэффициентов местных сопротивлений, - коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.
где и - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.
Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:
. ; .
Для гладких труб
.
; м.
6.4 Расчет производительности вакуум-насоса
Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
кг/с,
где - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.
Объемная производительность вакуум-насоса равна
,
где R - универсальная газовая постоянная, Дж/ (кмоль·К); Мвозд - молекулярная масса воздуха, кг/ кмоль; tвозд - температура воздуха, єС; Рвозд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению
Давление воздуха равно
,
где Pп - давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд.
.
Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление, подбираем вакуум - насос типа ВВН - 6
7. Техническая характеристика установки
По ГОСТ 11987-81 выбрали выпарной аппарат со следующими характеристиками:
|
Номинальная поверхность теплообмена, Fн |
315 м2 |
|
|
Диаметр греющей камеры, D |
1600мм |
|
|
Диаметр трубы, d |
38x2 мм |
|
|
Диаметр сепаратора, D1 |
3600 мм |
|
|
Диаметр циркуляционной трубы, D2 |
1000 мм |
|
|
Высота аппарата, H |
17500 мм |
|
|
Масса аппарата, M |
23000кг |
Техническая характеристика вакуум-насоса:
|
Типоразмер |
ВВН - 6 |
|
|
Остаточное давление, мм рт. ст. |
38 |
|
|
Производительность, м3/мин |
6 |
|
|
Мощность на валу, кВт |
12,5 |
8. Вывод
Рассчитанная двухкорпусная установка непрерывного действия:
· теплообменник - кожухотрубный;
· выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой;
· барометрический конденсатор;
· вакуум - насос.
Установка предназначена для упаривания молока с начальной концентрацией 13% до концентрации 50%; производительность по исходному раствору 3,2 кг/с
9. Список использованной литературы
1) Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991.496 с.
2) Федоров К.М. Процессы и аппараты пищевых производств. Методические указания по курсовому проектированию для студентов всех специальностей всех форм обучения, часть 2. СПб, 2008. - 38с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Проект вакуум-установки для выпаривания раствора NaNO3. Тепловой расчет выпарного аппарата с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. Выбор подогревателя исходного раствора, холодильника, барометрического конденсатора.
курсовая работа [375,9 K], добавлен 25.12.2013Основные способы выпаривания. Назначение и классификация выпарных аппаратов. Технологическая схема выпарного аппарата. Расчет сепарационного пространства, толщины тепловой изоляции, барометрического конденсатора. Подбор опор аппарата, вакуум-насоса.
курсовая работа [871,3 K], добавлен 14.06.2015Процесс выпаривания водных растворов. Многокорпусные выпарные установки. Расчет схемы трехкорпусной выпарной установки. Вспомогательные установки выпарного аппарата. Концентрации растворов, удельные показатели использования вторичных энергоресурсов.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 01.08.2011Технологический процесс концентрирования жидких растворов нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. Описание технологической схемы выпарной установки, расчет основного аппарата и поверхности теплопередачи.
курсовая работа [51,2 K], добавлен 10.11.2010- Проектирование однокорпусной вакуум-выпарной установки для выпаривания 5-процентного раствора Na2CO3
Характеристика механизма выпаривания – процесса концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости. Проектирование выпарной установки, работающей под вакуумом. Расчет подогревателя раствора.
курсовая работа [347,5 K], добавлен 20.08.2011 Теоретические основы процесса выпаривания, устройство выпарных аппаратов. Области применения и выбор выпарных аппаратов. Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса выпаривания. Расчет выпарной установки с естественной циркуляцией.
курсовая работа [849,1 K], добавлен 20.11.2009Признаки классификации выпарных аппаратов. Уравнения материального баланса простого выпаривания. Технологическая схема, преимущества и недостатки прямоточной и противоточной многокорпусных выпарных установок. Расчёт выпарного аппарата по корпусам.
курсовая работа [712,8 K], добавлен 27.11.2013Теоретическое изучение выпаривания - термического процесса концентрирования растворов нелетучих твердых веществ при кипении и частичном удалении жидкого растворителя в виде пара. Последовательность проектирования многоступенчатой выпарной установки.
учебное пособие [944,7 K], добавлен 14.12.2010Исследование областей применения выпарных аппаратов. Выбор конструкционного материала установки. Определение температуры кипения раствора по корпусам, гидравлической депрессии и потерь напора. Расчет процесса выпаривания раствора дрожжевой суспензии.
курсовая работа [545,8 K], добавлен 14.11.2016Исследование процесса выпаривания дрожжевой суспензии. Расчет двухкорпусной прямоточной вакуум-выпарной установки с вынесенной зоной нагрева и испарения и принудительной циркуляцией раствора в выпарных аппаратах для концентрирования дрожжевой суспензии.
курсовая работа [183,9 K], добавлен 19.06.2010
