Расчет выпарного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Расчет выпарного аппарата



Введение

технологический насос конденсатор выпарной

Выпаривание - процесс концентрирования жидких растворов нелетучих или мало летучих веществ, растворенных в летучих растворителях, осуществляемый путем частичного испарения растворителя при кипении раствора.

Его применяют для получения чистых растворителей (опреснение воды) либо растворенных веществ в концентрированном виде. После выпаривания концентрированный раствор часто подвергают кристаллизации с целью получения растворенного вещества в твердом виде. В пищевой промышленности выпариванием концентрируют в основном суспензии (бульоны) и эмульсии (молоко).

Впервые выпаривание, как технологический процесс, получило применение в производстве сахара. В России в 1802 году был построен первый сахарный завод с применением упаривания сахарного сиропа. Большое научное доказательство и анализ процессов выпаривания дан в 1915 году русским ученым И.А. Тищенко в монографии «Современные выпарные аппараты и их расчет». Российские ученые Н.И. Гельперин, В.Н. Стабников, И.И. Чернобыльский внесли большой вклад в теорию и практику выпарной техники. И по настоящее время процесс выпаривания, в пищевой технологии продолжает широко используется в сахарном и консервированном производствах при концентрировании сахарных и томатных соков, молока и других видов продукции [1].

Выпаривание проводят при различных давлениях: под пониженным (вакуумное выпаривание), под атмосферным и под избыточным. Использование пониженного давления позволяет проводить процесс при меньших температурах (это необходимо при переработке термочувствительных растворов), увеличивать разность температур теплоносителей и, как следствие, интенсивность теплообмена. Также при вакуумном выпаривании возможно использовать греющие теплоносители с меньшим температурным потенциалом, в том числе и вторичные энергоресурсы. При выпаривании под избыточным давлением получают вторичный пар с более высокой температурой, вследствие чего его проще и удобнее использовать в качестве греющего агента. Чаще всего вторичный пар повышенного давления применяется для обогрева выпарного аппарата этой же выпарной установки, работающего под меньшим давлением.

Так называемое однократное выпаривание проводят в однокорпусных выпарных установках - установках, включающих в свой состав один выпарной аппарат. Многократное выпаривание осуществляют в многокорпусных выпарных установках, состоящих из нескольких выпарных аппаратов, соединенных по ходу движения раствора последовательно. Принцип действия выпарных аппаратов и установок их может быть непрерывный и периодический. Периодическое выпаривание в основном осуществляют в малотоннажных производствах, а также в лабораториях. Процесс выпаривания с достижением раствором заданной конечной концентрации растворенных (сухих) веществ может осуществляться за один его проход через зону нагрева в аппарате (прямоточное выпаривании, прямоточные выпарные аппараты) и за счет многократного прохода раствора через зону нагрева в аппарате (при наличии циркуляции в аппарате, аппараты с циркуляцией раствора) [1].

Целью работы является определение поверхности нагрева выпарных аппаратов, размеров барометрического конденсатора, подбор-вакуум насоса для поддержания вакуума в установке. По результатам расчета необходимо подобрать стандартное оборудование.



1. Описание схемы технологической установки

технологический насос конденсатор выпарной

Принципиальная схема трех корпусной выпарной установки представлена в графической части проекта на листе 1. Исходный разбавленный раствор (томатного сока) из промежуточной ёмкости Е1 параллельно работающими центробежными насосами Н1 и Н2 подаётся теплообменник Т где подогревается до температуры близкой к температуре кипения, а затем подается в первый корпус выпарной установки АВ1. Предварительный нагрев раствора повышает эффективность кипения выпарного аппарата.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром, вторичный пар образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе направляется в качестве греющего во второй АВ2. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса.

Аналогично третий корпус АВ3, сюда же поступает вторичный пар из второго и в нём производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара, в последний корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом не сконцентрировавшихся газов вакуум-насосом НВ).

Смесь охлаждающей воды и конденсат выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором.

Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор, центробежным насосом Н3 подаётся в ёмкость упаренного раствора Е2. Конденсат греющих паров из теплообменника и выпарного аппарата АВ1 выводится с помощью конденсатоотводчиков в трубопровод и может быть использован в технологической линии в качестве греющего агента, т.к. обладает еще достаточно высокими тепловыми параметрами. А конденсат греющих паров из второго и третьего выпарных аппаратов отводится через конденсатоотводчики в канализацию [4].



2. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

(1)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Дt_п необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят последовательных приближений.

Первое приближение. Производительность установок по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

(2)

Получим:

кг/с.

2.1 Расчет концентраций 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 с соотношением:

w₁: w₂: w₃ = 1,0: 1,1: 1,2.

Тогда:

кг/с

кг/с

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

(0,118)

(5,4)

(2,6)

Концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_н.

2.2 Определение температур кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

ДР_об = Р_г1 - Р_бк

Р_бк = Р_ат - Р_вакуум = 1 - 0,8 = 0,2 ат

ДР_об = 5 - 0,2 = 4,8 ат.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давление греющих паров в корпусах (в ат) равны

Рг? = 5

ат

ат



Давление пара в барометрическом конденсаторе

ат

что соответствует задание величине Рбк

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [3]:

Таблица 1. Свойства греющих паров по корпусам

Корпус	Давление, ат	Температура,°С	Энтальпия, I, кДж/кг
АВ1	Рг1 = 5	tг1 = 154,1	Iг1 = 2754
АВ2	Рг2 =3,4	tг2 = 136,9	Iг2 = 2730
АВ3	Рг3 =1,8	tг3 = 116,3	Iг3 = 2709
БК	Рбк = 0,20	tбк = 71,1	Iбк = 2526

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (Д'), гидростатической (Д'') и гидродинамической (Д''') депрессий.

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Д''' = 1,0 - 1,5 єС [2] на корпус.

Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в єС) равны:

tвп? = tr? + Д?''' = 136,9 + 1 = 137,9

tвп? = tr? + Д?''' = 116,3 + 1 = 117,1

tвп? = tбк + Д?''' = 17,1 + 1 =18,1

Сумма гидродинамических депрессий

? Д''' = Д?''' + Д?''' + Д?''' = 1+ 1+ 1= 3 єС

По температурам вторичных паров определим их давления[3]:

Таблица 2. Температура и давления вторичных паров в корпусах

Температура,°С	Давление, ат
tВП1 = 137,9	PВП1 = 3,365
tВП2 = 117,1	PВП2 = 1,852
tВП3 = 18,1	РВП3 = 0,0220

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Рср каждого корпуса определяется по уравнению

(3)

где Н - высота кипятильных труб в аппарате, м;

с - плотность кипящего раствора, кг/мі;

е - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), мі /мі.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000-50000 Вт/мІ, аппаратов с принудительной циркуляцией q = 60000-80000 Вт/мІ [1]. Принимаем q = 60000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

 м²,

где r - теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТ 11987-81 [1] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высокой 4 и 5 м при диаметре dн =38 мм и толщиной стенки дст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 3,0 м.

Паронаполнение составляет е = 0,4 - 0,6 [1]. Принимаем е = 0,5. Плотность водных сахарных растворов [3], при температуре 20 єС и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

с1 = 1061 кг/мі	с2 = 1078 кг/мі	с3 = 1160 кг/мі

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры от 20°С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объёмного расширения и ориентировочно принятого значения е.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) определяем по формуле 3:

Па



Па

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [3]:

Таблица 3. Физические свойства растворителя

Pср, Па	tср, єC	rвп, кДж/кг
3,48	138,7	2156
2,02	120,9	2207
1,14	99,8	2261

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам (в°С):

Сумма гидростатических депрессий равна:

Температурная депрессий Д? определяется по уравнению

(4)



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

 - температурная депрессия при атмосферном давлении, К.

Находим значение Д' по корпусам (в°С):

Сумма температурных депрессий равна:

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в°С):

2.3 Расчёт полезной разности температур

Общая полезная разность температур равна:

?Дt_п = Дt_п1+ Дt_п2 + Дt_п3

Полезные разности температур по корпусам (в°С) равны:



Тогда общая полезная разность температур равна:

Проверим общую полезную разность температур:

47,83°С.

2.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-ый корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки [1]:

(6)

(7)

(8)

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

При решении уравнений (5) - (8) можно принять

; ;

, , - теплоемкости растворов соответственно исходного (начальной концентрации), в первом и во втором корпусе, кДж/(кг*К)

, , -теплота концентрирования по корпусам.

кВт, - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе,?С:

где - температурная депрессия для исходного раствора.

Поскольку составляет значительно меньше 3% от , в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной

Получим:

+

W=W₁₊W₂₊W₃

Решение системы уравнений дает следующие результаты:

Полученные величины сводим в таблицу 4.

Таблица 4. Параметры растворов и паров по корпусам [3]

Параметр	1	2	3
Производительность по испаряемой воде W, кг/с	2,17	2,22	4,38
Концентрация растворов x,%	11,8	5,4	2,6
Давление греющих паров , Мпа	5	3,4	1,8
Температура греющих паров t г, єC	85,7	1,37	1547
Температура кипения раствора t к,єC	138,83	121,44	100,1
Полезная разность температур ?tп, єC	15,27	15,46	16,2

2.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора томатного сока в интервале изменения концентраций от 5 до 40%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности Вт/(м*К).

2.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений[3]:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен [3]:



где -теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

, - соответственно плотность, кг/м³, теплопроводность Вт/(м•К)и вязкость конденсата, Па•с, при средней температуре плёнки:, где -разность температур конденсации пара и стенки, єС.

Расчет ведут методом последовательных приближений по формуле 10. В первом приближении примем =2,0 єС. Тогда:

Вт/()

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

1-пар; 2-конденсат; 3-стенка; 4-накипь; 5-кипящий раствор

Рисунок 1. Распределение температур в процессе теплопередачи от пара к кипящему раствору через многослойную стенку



Таблица 3. Физические свойства кипящих растворов и их паров [3]

Параметр	1	2	3
Теплопроводность раствора ,	0,793	0,735	0,571
Плотность раствора р, кг/	846	867	891
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг•К)	4032	3936	3559
Вязкость раствора µ, Па•с	0,71•	0,56•	0,43•
Поверхностное натяжение , H/м	0,073	0,074	0,076
Теплота парообразования , Дж/кг	2208	2295	2362
Плотность пара сп, кг/	2217	2472	2769

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору определяем по формуле [3]:

(11)

где Nu ? критерий Нуссельта, находим по формуле

(12)

Рассчитываем критерий Рейнольдса, приняв скорость щ=1,5 м/с [3]

(13)

где щ ? скорость движения раствора, м/с;

d ? внутренний диаметр труб, м;

с ? плотность раствора, кг/м³;

м ? вязкость раствора, Па·с;

(14)

где c ? теплоемкость раствора, Дж/(кг·К);

л ? теплопроводность раствора, Вт/(м· К);

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Для второго приближения примем .

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, на этом расчет коэффициентов и заканчивают. Находим по формуле 9:

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса . Для этого найдем:

Определим :

Рассчитаем теперь коэффициент теплопередачи для третьего корпуса

Найдем :

2.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи [1]:

(15)

где , , - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Проверим общую полезную разность температур установки:



2.8 Расчет поверхности теплопередачи

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (1):

По ГОСТ 11987-81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками [4]:

Номинальная поверхность теплообмена ……………..………..315

Диаметр труб d………………………………….………………….38Ч2 мм

Высота труб Н…………………………………………….………..3400 мм

Диаметр греющей камеры ……………..………………………1200 мм

Диаметр сепаратора ……………………………………...……..3800 мм

Диаметр циркуляционной трубы …………….………………..800 мм

Общая высота аппарата ………………………….……….23500 мм

Масса аппарата ………………………………….…………..29800 кг.



3. Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качество охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 єС). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянного вакуума в системе вакуум-насос постоянно откачивает неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

3.1 Определение расхода охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды  определяют из теплового баланса конденсатора:

(16)

где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

- начальная температура охлаждающей воды, ;

- конечная температура смеси воды и конденсата, .

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 ?С [3]. Поэтому конечную температуру воды на выходе из конденсатора принимают на 3-5 ?С ниже температуры конденсации паров:



Тогда находим по формуле 16:

3.2 Расчет диаметра высоты барометрического конденсата

Диаметр барометрического конденсатора определяют из уравнения расхода:

(17)

где - плотность паров, кг/

- скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка Па скорость паров принимают 15-25 м/с [4]

По нормалям НИИХИММАШа [1] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром = 1800 мм.

3.3 Расчет высоты барометрической трубы

В соответствии с нормалями[1], внутренний диаметр барометрической трубы равен 300 мм.

Скорость воды в барометрической трубе равна:



Высоту барометрической трубы определяют по уравнению

(18)

где В- вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений;

- коэффициент трения в барометрической трубе;

, - высота и диаметр барометрической трубы, м;

0,5- запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

где и - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее [4]

Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Для гладких труб при Re = 381111 коэффициент трения =0,013 [1]

Отсюда мы находим .



4. Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора[1]:

(19)

где - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01- количество газа, подсасываемого в конденсатор через не плотности на 1 кг паров.

Тогда находим по формуле 19:

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

(20)

где R- универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль•К);

- молекулярная масса воздуха, кг/моль;

- температура воздуха, ;

- парциональное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температура воздуха рассчитывают по уравнению:



Давление воздуха равно:

(21)

где - давление сухого насыщенного пара (Па) при

Тогда находим по формуле 20:

Зная объемную производительность и остаточное давление , по ГОСТ 1867-57 [4] подбираем вакуум-насос типа ВВН-6 мощностью на валу N=14,5 кВт.



Заключение

технологический насос конденсатор выпарной

В результате проведенных расчетов подобраны выпарные аппараты по ГОСТ 11987-81 с принудительной циркуляцией вынесенной камерой, греющей с поверхностью теплообмена 315 м². Аппараты высотой 23,5 м, массой 2,9 тонн. Также в результате расчетов подобран барометрический конденсатор диаметром 1,8 м, вакуум-насос типа ВВН-6 с мощностью на валу N = 14,5 кВт.

Необходимый расход пара на упаривание томатного сока производительностью 11 кг/с составляет 2,1 кг/с.



Библиографический список

1. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] / А.Г. Касаткин - М.: Химия, 1973.- 752 с.

2. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст] / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. ? Л.: Химия, 1987. - 575 с.

3. Борисова, Т.В. Процессы и аппараты пищевых производств. Основные свойства пищевого сырья, полуфабрикатов и продуктов: справочник / Т.В. Борисова, В.Г. Зологина, Б.Д. Левин, - Красноярск: КрасГАУ, 2008. - 92 с.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского.-М.: Химия, 1983.-272 с.

Размещено на Allbest.ru

...