Проектування випарної установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Випарювання - процес концентрування розчинів, який полягає в частковому видаленні розчинника шляхом його випаровування при температурі кипіння. Процес пароутворення до настання моменту кипіння називають випаровуванням.

Внаслідок випарювання із розчину видаляється розчинник, а нелеткі речовини залишаються в розчині в незмінній кількості, але в концентрованому стані. У ряді випадків, щоб одержати чистий розчинник (дистилят) користуються випарюванням.

Процес можна здійснювати в окремих випарних апаратах (однокорпусні випарні установки) або в ряді послідовно з'єднаних випарних апаратів -- у багатокорпусних випарних установках (БВУ).

За режимом проведення випарювання розрізняють періодичне та безперервне. Періодичне випарювання здійснюють в окремих апаратах, безперервне -- як в окремих, так і в БВУ. При періодичному випарюванні початковий розчин спочатку доводять до температури кипіння. Під час кипіння розчин концентрується до заданого вмісту сухих речовин. За допомогою процесу випарювання можна одержати не лише концентровані розчини, а й перенасичені, тобто коли відбувається кристалізація з виділенням нелетких речовин у твердому стані(наприклад, кристалічний цукор, кухонна сіль тощо). У багатьох галузях харчової промисловості широко застосовують процес випарювання (цукровій, консервній, крохмале-патоковій, кондитерській, молочній, пивобезалкогольній та ін.), у хімічній, фармацевтичній тощо. В харчовій промисловості найчастіше підлягають для випарювання водні розчини, тому випарений розчинник являється майже чистою водяною парою, що має назву вторинної пари, яку використовують повторно. Теплоносієм є водяна пара, яку ще називають первинною або нагрівною парою.



1.Вибір способу концентрування

У харчових виробництвах поширені для використання декілька методів концентрування розчинів: виморожування, перегонка, випарювання, екстракція.

Процес виморожування передбачає виділення розчинника у твердому вигляді при охолоджуванні розчину. При цьому рідкий розчин, що залишається, збагачується розчиненою речовиною. За таких умов кристалізується не сіль, а розчинник - вода. Виморожування застосовують для концентрації розчинів і отримання чистого розчинника.

Недоліком способу виморожування порівняно з іншими є нижча продуктивність у та вплив низки факторів на ефективність апаратури для виморожування: концентрації емульгаторів і рН середовища, температури виморожування.

Також при виморожуванні певна кількість розчинених речовин переходить у фазу льоду, причому чим більший ступінь концентрування, тим значніші втрати концентрату.

Враховуючи складність проведення процесу та невисоку продуктивність можна зробити висновок, що розглянутий випадок не підходить для концентрування розчину сахарного сиропу.

За допомогою процесу перегонки розділяють суміші виключно з летких компонентів. Поділ перегонкою засновано на різній леткості компонентів суміші при одній температурі.

Перегонка (або дистиляція) передбачає розділення киплячих рідких сумішей різних за леткістю компонентів внаслідок їх часткового випарювання з подальшою конденсацією утвореної пари, що утворюється.

У розглянутому випадку необхідно здійснити концентрування водного розчину сахарного сиропу, один з компонентів якого не має леткості, отже процес перегонки не підходить.

Випарюванню піддаються розчини твердих речовин (водні розчини лугів, солей та ін.), деякі мінеральні й органічні кислоти,а також висококиплячі рідини, що мають при температурі випарювання досить малий тиск насиченої пари, багатоатомні спирти та ін.

При випарюванні здійснюється часткове видалення розчинника при його температурі кипіння з усього об'єму розчину. Тому випарювання принципово відрізняється від випаровування, що, як відомо, відбувається з поверхні розчину при будь-яких температурах нижче температури кипіння.

У ряді випадків концентрований розчин піддають наступній кристалізації для отримання речовин в чистому вигляді.

Екстракція з розчинів у хімічній промисловості одержала більше поширення, ніж екстракція з твердих тіл.

Екстракція -це процес вилучення одного або декількох компонентів з розчинів або твердих тіл за допомогою вибіркових розчинників (екстрагентів).

У екстрагенті добре розчиняються компоненти ,що вилучаються, при їх взаємодії і значно слабкіше або зовсім не розчиняються інші компоненти вихідної суміші.

Екстракція в системах рідина-рідина - це дифузійний процес, що проходить за участю двох рідких фаз, які взаємно нерозчинні або обмежено розчинні, і між якими екстрагована речовина розподіляється (або кілька речовин).

Для розділення суміші речовин, чуттєвих до підвищених температур, екстракція незамінна. Процес екстракції для даного випадку не є оптимальним варіантом.

В даному випадку розглядається процес концентрування водного розчину сахарного сиропу, що не має леткості, тому для здійснення цього процесу раціонально обрати процес випарювання.

Процес випарювання проводиться під вакуумом, при підвищеному і атмосферному тисках. Вибір тиску зумовлений властивостями розчину, що випарюється,а також можливістю використання тепла вторинної пари.

Випарювання під вакуумом має значні переваги перед випарюванням під атмосферним тиском, так як теплота випарювання розчину зменшується зі зниженням тиску, а відповідно зменшується витрата пари на випарювання 1 кг розчинника (води).

Використання вакууму дозволяє також збільшити різницю температур між агентом, що нагріває, і киплячим розчином, а отже, зменшити поверхню теплообміну.

При випарюванні під тиском, вищим за атмосферний можна використовувати вторинну пару, як для випарювання, так і для інших потреб.

Проте випарювання під надлишковим тиском пов'язане з підвищенням температури кипіння розчину. При випарюванні під атмосферним тиском вторинна пара, що утворюється, не використовується і зазвичай викидається в атмосферу. Цей спосіб випарювання є найбільш простим і доступним, але не економічним, тому в нашій роботі застосовувати його недоцільно.

1.1 Теоретичні основи процесу

випарний концентрування кипіння

Фізична сутність процесу випарювання - перетворення частини розчинника, або усього розчинника на пару, якщо випарюють двокомпонентну систему.

Випарювання відбувається із усієї маси рідини при температурі кипіння і відповідному тиску.

Щоб здійснити процес випарювання до рідини необхідно передати тепло від теплоносія, що можливо тільки при наявності температурного перепаду між ними. Ця різниця температур між теплоносієм та киплячою рідиною називається корисною різницею температур.

При випарюванні виникають температурні втрати (депресії), які знижують корисний температурний напір у випарному апараті.

Як відомо, за однієї і тієї температури тиск пари над чистим розчинником має більше значення, ніж тиск пари над розчином, і відповідно при одному і тому ж тиску температура кипіння чистого розчинника менша за температуру кипіння розчину. Різницю між температурами кипіння розчину і розчинника називають температурною депресією.

?₁ = t_{кипіння розчину} - t_{кипіння розчинника}.

Крім температурної депресії існують також гідростатична і гідродинамічна депресії.

На температуру кипіння розчинника впливає висота стовпа рідини. Якщо рідина кипить всередині вертикальної кип'ятильної труби, то температура кипіння на верхній частині труби буде нижча, ніж внизу, де до зовнішнього тиску додається гідростатичний тиск. Гідростатична депресія (?₂) - це різниця температур кипіння розчину, що знаходиться під тиском гідростатичного стовпа рідини в апараті, і на верхній частині кип'ятильних труб.

Гідродинамічна депресія (?₃) обумовлена гідравлічними опорами (тертя і місцеві опори), які повинна подолати вторинна пара при її русі крізь сепараційні пристрої та паропроводи.

Таким чином, сумарна температурна депресія при випарюванні розчинів дорівнює: Тому у випарному апараті існує загальний і корисний температурний напір, що відрізняються один від одного на величину температурних втрат (депресій). Загальний температурний напір - це різниця між температурою джерела тепла (гріючого агента), що використовується для випарювання, і температурою конденсації вторинної пари, що утворюється при випарюванні.

1.2 Вибір схеми установки і конструкції апарата

Випарювання під атмосферним або надлишковим тиском, а іноді і випарювання під вакуумом здійснюють в одиночних випарних х (однокорпусних випарних установках). Проте поширені також багатокорпусні випарні установки, що складаються з декількох випарних апаратів або корпусів, у яких вторинна пара кожного попереднього корпусу спрямовується в якості гріючої в наступний корпус. При цьому тиск у послідовно з'єднаних корпусах знижується таким чином, щоб забезпечити різницю температур між вторинною парою з попереднього корпуса і розчином, що кипить у даному корпусі, тобто створити необхідну рушійну силу процесу випарювання. У цих установках первинною парою обігрівається тільки перший корпус. Отже, у багатокорпусних випарних установках досягається значна економія первинної пари в порівнянні з однокорпусними установками тієї ж продуктивності, і тому для здійснення даного процесу доцільно застосовувати саме багатокорпусну випарну установку.

Випарні установки [2] складаються з основних елементів - випарних апаратів (випарників) і допоміжного устаткування - конденсаторів, теплообмінників, насосів й ін. Випарні апарати можна класифікувати в такий спосіб:

1) За принципом дії - на апарати періодичної і безперервної дії. Періодично діючі апарати мають ряд переваг перед безперервними: за однакової початкової і кінцевої концентрації розчину в них досягаються більш високі коефіцієнти теплопередачі; полегшується перекачування концентрованого в'язкого розчину. Однак ці установки можуть використовуватися лише при невеликих продуктивностях. У даному випадку продуктивність проектованої установки досить висока і складає 9 т/годину, або 2,5 кг/с, тому доцільно вибрати установку безперервної дії.

2) За первинним теплоносієм - на апарати з паровими, газовими і рідинними теплоносіями, а також з електричним обігрівом. Для даного процесу найбільше підходить апарат з паровим обігрівом, тому що при цьому забезпечується високе значення коефіцієнта теплопередачі поряд із простотою регулювання параметрів процесу.

3) За сполученням стадій нагрівання і пароутворення - на апарати, у яких ці стадії сполучені та апарати з винесеною зоною пароутворення або з винесеною гріючою камерою. Для даного випадку застосуємо останній тип - апарат з винесеною гріючою камерою, для запобігання відкладень на поверхні нагрівання.

4) За способом організації руху розчину - на апарати з природною і вимушеною циркуляцією. Природна циркуляція може здійснюватися в об'ємі , або забезпечуватися спеціальними циркуляційними трубами. Вимушена циркуляція організовується за допомогою насосів, мішалок або подачі пари (газу). Циркуляція (переміщення) розчину може створюватися також шляхом обертання або вібрацій поверхні нагрівання. У даному випадку найбільше підходить природна циркуляція, тому що розчин не утворює кристалів і не має велику в'язкість.

5) За напрямком руху пари і рідини - на апарати, у яких рідина рухається знизу вгору, або ж навпаки. Апарати зі спадаючою плівкою також підрозділяються за напрямком руху вторинної пари - нагору або вниз.

Останній спосіб сприятливо позначається на режимі теплообміну, тому що рух пари і плівки в одному напрямку сприяє збільшенню швидкості руху плівки і її турбулізацій.

Відповідно до попередніх розрахунків вибираємо випарний апарат з природною циркуляцією, та винесеною гріючою камерою.

1.3Технологічна схема однокорпусної установки і принцип її роботи

Принципову схему однокорпусної випарної установки наведено на рисунок2.1. Початковий розбавлений розчин із ємності 4 насосом 6 подається в підігрівач 2, в якому підігрівається до температури близької до температури кипіння. Далі підігрітий розчин надходить у випарний апарат 1, де випарюється до кінцевої концентрації. Для підігрівання розчину в підігрівачі 2 використовується тепло первинної гріючої пари. Випарений концентрований розчин виходить із сепаратора і збирається в ємність випареного розчину 5. В випарному апараті випарювання здійснюється за рахунок тепла первинної гріючої пари, яка подається в нагрівальну камеру випарного . Вторинна пара, що утворилася у випарному апараті, виходить із сепаратора і надходить у конденсатор-холодильник 3, де конденсується та охолоджується за рахунок охолодження її водою.

Рисунок - 2.1 Принципова схема однокорпусної випарної установки, де 1 - випарний апарат; 2 - підігрівач розбавленого розчину; 3 - кожухотрубний конденсатор-холодильник; 4 - ємність розбавленого розчину; 5 - ємність випареного розчину; 6 - насоси; 7 - конденсатовідвідники



2.Вибір конструкційного матеріалу

При концентруванні розчинів сахарних сиропів від початкової концентрації 15 до 30% мас. приймаємо за Держстандартом 11987-81 випарний апарат із природною циркуляцією і винесеною гріючою камерою, тип 1, виконання 2. Апарат складається з кип'ятильних труб з d = 38Ч2 мм і висотою Н = 4 м [6].

Як конструкційний матеріал, стійкий у середовищі киплячого розчину сахарних сиропів (інтервал зміни концентрацій від 15 до 30 мас. %) обираємо хімічно стійку нержавіючу сталь марки 12Х18Н12Т, швидкість корозії якої складає 0,1 мм у рік при коефіцієнті теплопровідності ?_ст = 25,1 Вт/м·К [3].



3. Технологічний розрахунок

3.1 Визначення загальної кількості упареного розчинника

випарний концентрування кипіння

Загальну кількість упареного розчинника знаходимо з рівняння матеріального балансу випарної установки [3].

де W - кількість випареного розчинника, кг/с; G₀ - продуктивність установки за вихідним розчином, кг/с; X_п і X_к - початкова і кінцева концентрації розчину, % мас.

= 1,27 кг/с.

3.2 Вибір тиску вторинної пари

За умовою, температуру конденсації вторинної пари в конденсаторі t_конд при 104 С, температура конденсації вторинної пари визначає формула:

t_конд = Т_вт. - ?'''

де ?''' - гідравлічна депресія, яку приймаємо в межах 11,5С [8].

Температура вторинної пари більше температури конденсації її на величину гідравлічної депресії:



Т_вт = t_конд+ ?'''

Т_вт = 104+1=105 ?С.

Відповідно до температури вторинної пари за таблицею LVII [7] знаходимо тиск вторичної пари в випарному апараті: Р_вт.п. = 0,1232 МПа.

3.3 Визначення температурного режиму випарювального апарата

Температура кипіння розчину у випарному апараті:

t_к = Т_вт + ' + ?''

де ?' - температурна депресія; ?'' - гідростатична депресія.

При визначенні температури кипіння розчинів приймаються наступні допущення [8]:

1) Розподіл концентрацій розчину у випарному апараті відповідає моделі ідеального перемішування. Тому концентрацію киплячого розчину приймають рівною кінцевій в даному корпусі, і отже, температуру кипіння розчину визначають при кінцевій концентрації.

2) Зміна температури кипіння розчину по висоті кип'ятильних труб відбувається внаслідок зміни гідростатичного стовпа рідини. Температуру кипіння розчину в корпусі приймають рівній температурі кипіння в середньому шарі рідини при відповідному тиску.

Таким чином, температура кипіння розчину в корпусі відрізняється від температури гріючої пари у наступному корпусі на суму температурних втрат: 1) від температурної (??'), гідростатичної (?'') і гідродинамічної (?''') депресій. Гідродинамічна депресія обумовлена втратою тиску пари на подолання гідравлічних опорів трубопроводів при переході з корпуса в корпус. Звичайно гідродинамічна депресія приймається ?''' = 1,0-1,5 град. У даному випадку для кожного корпуса прийнята рівною ?'''=1,00. Тоді температури вторинної пари у корпусах складатимуть: Температурну депресію при будь-якому тиску знаходимо за формулою:

де Т_вт - абсолютна температура вторинної пари, К;

Т_вт = 273 + 105 = 378 К

r_вт - теплота пароутворення вторинної пари при Т_вт = 105 ⁰С [7], r_вт = 2248 кДж/кг (знаходимо по табл. ХХVI [7]);?

?'_атм - температурна депресія при атмосферному тиску,С :

?'_атм = t _р-ну- t _р-ка;

де t_р-ну - температура кипіння розчину, ?С; t_р-ка - температура кипіння розчинника, ?С.

З табл.1 [7, табл. ХХХVI] знаходимо температури кипіння розчинів у залежності від концентрації розчину в корпусі і визначаємо ?'_атм (форм. 3.6):

Таблиця 3.1 Температура кипіння розчину сахарного сиропу від концентрації

Оскільки Х = 30 % то t = 101 ^оС, а ?'_атм = 101- 100 = 1 ^оС.

Тоді температурна депресія розрахована за формулою 3.5 складе



Температура кипіння розчину в сепараторі складе

t_кип = Т_вт + ?

t_кип = 105 + 1,03 = 106,03

Тиск у середньому шарі киплячого розчину Р_ср кожного корпуса визначається за рівнянням:

де Р_вт - тиск вторинної пари, МПа; ? - густина киплячого розчину, кг/м³;

Н_р - висота рівня розчину в кип'ятильних трубах в апараті, м;

? - паронаповнення (об'ємна частка пари в киплячому розчині), м³/м³.

Для вибору значення Н необхідно орієнтовно оцінити поверхню теплопередачі випарного F_ор. При кипінні водних розчинів можна прийняти питоме теплове навантаження апаратів із природною циркуляцією q = 20 000 - 50 000 Вт/м² [2], тоді орієнтовна поверхня теплопередачі першого корпуса дорівнює:

де r'= 2248 кДж/кг - теплота пароутворення вторинної пари [7].



За ДСТУ 11987 вибираємо випарний апарат із природною циркуляцією і винесеною нагрівальною камерою, тип 1, виконання 2 [2] з поверхнею теплопередачі F=100 м², висотою трубок Н=4 м, діаметром нагрівальної камери D=1000 мм, діаметром сепаратора D₁ = 1800 мм, діаметром циркуляційної труби D_ц =600 мм і діаметром кип'ятильних трубок d = 38х2 мм.

При бульбашковому (ядерному) режимі кипіння паронаповнення складає ??=0,40,6, приймаємо ??? 0,5. Густина розчинів сахарних сиропів при температурі 20?С і відповідних концентраціях зведено у табл. 3.2 [4, табл. 1.34]:

Таблиця 3.2. Густина сахарного сиропу в залежності від концентрації та температури



Отже кг/м³ та кг/м³.

За ДСТУ 11987 (Аппараты выпарные, трубчатые) найближча поверхня складе F = 63 м², при висоті труб Н_тр = 4 м (тип 1, виконання 2).

Оптимальний рівень розчину при випарюванні водних розчинів в х з природною циркуляцією розраховується за формулою [2].

Н_р = Н_опт = [0,26 + 0,0014 (?_р - ?_в)]•Н_тр

де ?_р, ?_в - густина розчину та води при температурі кипіння, t_кип = 106,03С), ?_р= 1103,56 кг/м³, (при середній концентрації сахарного сиропу 25,0%), для води ?_в = 953,78 кг/м³ [7].

Тоді:

Н_опт = [0,26 + 0,0014(1103,56 - 953,78)]•4 = 1,88 м.

При визначенні густини розчинів у корпусах нехтують зміною її з підвищенням температури від 20 С до температури кипіння через мале значення коефіцієнта об'ємного розширення й орієнтовно прийнятого значення ?. Тиски у середньому шарі кип'ятильних труб складають за формулою:

МПа

Такому тиску відповідає температура t_ср = 106,4 С [7].

Гідростатична депресія за рахунок гідростатичного стовпа рідини складе



?'' = t_ср - Т_вт.п

?'' = 106,4 - 105,0 = 1,4 ⁰С .

Звідси, середня температура кипіння розчину у корпусі складе

t_кип = Т_вт + ?' + ?''

t_кип = 105,0 + 1,03 + 1,4 = 107,43 ?C .

3.4 Визначення корисної різниці температур в установці

Загальна різниця температур в установці:

?t_заг = Т_г.п - Т_к.

де Т_г.п - температура гріючої пари при тиску Р_г.п.= 0,6 МПа; Т_г.п. =158,1С [7]; Т_к - температура конденсації вторинної пари, що надходить в конденсатор, згідно завдання 104С.

Загальна різниця температур в установці складе

?t_заг = 158,1 - 104 = 54,1С.

Корисна різниця температур:

Перевірка корисної різниці температур в апараті:

t_к = Т_г.п - t_кип

t_{к .}=158,1 - 107,43 = 50,67С.



3.5 Тепловий баланс випарного апарата

Надходження тепла у апарат:

з гріючою парою:

Q_г.п. = DІ_г.п

з початковим розчином:

Q_п.р. = G_пС_р t_п

Витрати тепла у апараті:

з вторинною парою

Q_вт = WI_вт

з концентрованим розчином

Q_к.р. = (G_п - W)С_кt_кип

з конденсатом гріючої пари

Q_к = DС_конд?_к

де Q_конц - теплота концентрування розчину;Q_втр - втрати тепла в навколишнє середовище; D - витрата гріючої пари, кг/с; І_г.п. - тепловміст гріючої пари при Р_г.п. = 0,6 МПа; І_г.п. = 2768 кДж/кг[7]; C_р - теплоємність розбавленого розчину (при Х < 20%), знаходимо за формулою:



С_р = С_в(1 - Х_п) Дж/кг*К

де t_к - температура кипіння розчину у апараті, t_кип = 113,28С; С_в - теплоємність води, С_в = 4190 Дж/кг•К;

С_р = 4190(1 - 0,2) = 3352 Дж/кг*К ,

де t_п - початкова температура розчину, t_п = 107,43 С; І_вт - тепловміст вторинної пари при Т_вт = 105 С, І_вт = 2687 кДж/кг [7]; С_к - теплоємність концентрованого розчину при Х > 20 % [7]:

С_к = С_в(1 - X_к ) + C₁•X_к Дж/кг*К ,

де С₁ - питома теплоємність твердої розчиненої речовини C₁₂H₂₂O₁₁, знаходимо на основі питомих теплоємностей елементів за формулою:

С₁

де С_С, С_Н, С_О - атомні теплоємності відповідно вуглецю, водню та кисню табл. 5.1 [7];

М (C₁₂H₂₂O₁₁) - мольна маса C₁₂H₂₂O₁₁, М(C₁₂H₂₂O₁₁) = 342.

С₁ кДж/кг = Дж/кг

С_к = 4190(1 - 0,3) + 1420•0,3 = 3359 Дж/кг·К ,

де С_конд - теплоємність конденсату гріючої пари;??_к - температура конденсату, яка знаходиться, як:



?_к = Т_г.п. - (2 ч 3)

?_к = 158,1 - 2 = 156,1 С.

Теплота концентрування C₁₂H₂₂O₁₁ складає ?q = 70 кДж/кг [7] і в перерахунку на суху речовину становить:

Q_конц = G_сух ·?q ,

де G_сух - кількість сухого C₁₂H₂₂O₁₁;

G_сух = G_п·Х_п/100;

де??q - інтегральна теплота розчинення, Дж/кг, ?q = 70 кДж/кг [7]; Х_п - початкова концентрація розчину, %;

G_сух = 3,8·20/100 = 0,76 кг/с

Підставивши отримані результати в формулу 3.26, одержимо:

Q_конц = 0,76·70·10³ = 53200 Вт.

Отримана теплота концентрування складає досить незначну величину в порівнянні з тепловим навантаженням випарювального апарата:

Q = Wr_вт

де W - кількість вторинної пари; r_вт - теплота пароутворення вторинної пари, тому Q_конц можна знехтувати і не враховувати.



Q = 1,27224810³ = 2854960 Вт,

Втрати тепла в навколишнє середовище приймаємо 3% від загальної кількості надходження тепла:

Q_вт = 0,03Q_г.п..

Підставивши необхідні величини в наведені вище рівняння знаходимо статті надходження та витрати тепла:

Знаходимо за формулою 3.17: І_г.п =2768 кДж/кг при Р = 0,6 МПа

Q_г.п.= D2744000 Вт;

Знаходимо за формулою 3.18:

Q_п.р. = 3,83352107,43 = 1368400,37 Вт

Знаходимо за формулою 3.19:

Q_вт = 1,27276810³ = 3515360 Вт,

де I_вт - тепловміст вторинної пари при Т_вт =105С [7],

За формулою 3.20 знаходимо:

Q_к.р.= (3,8-1,27)3359107,43 = 912969,15 Вт

Знаходимо за формулою 3.21:



Q_к = D4190156,1= 654059•D Вт

Q_конц = 0 Вт;

Q_втр = 0,03(D2744000) Вт.

Складаємо тепловий баланс і зводимо у табл. 3.3:

Таблиця 3.3 Зведений тепловий баланс випарної установки

D2744000+1368400,37 = 3515360+912969,15+654059•D +0,03(D2744000),

Звідки знаходимо витрату гріючої пари: D = 1,52 кг/с.

Розходження балансу:

, що не перевищує 5 %.

3.6 Визначення витрати гріючої пари у підігрівачі вихідної суміші

Складаємо тепловий баланс підігрівача, з якого знаходимо теплове навантаження Q_п:



Q_п = G_п(I_п - I_к ) = G_пc_р(t_п - t₀)

де G_п - витрата початкового розбавленого розчину, G_п =3.8 кг/с; С_р - теплоємність початкового розчину, С_р = 3352 Дж/кгК [4]; t₀, t_п - температури розчину на вході та виході з підігрівача, t₀ = 10 С, t_п = 107,43 С.

Т_г.п. = 158,1 С; І_п = 2768кДж/кг; І_к = 667,9 кДж/кг.

Витрата гріючої пари на підігрівання розчину складе

3.7 Витрати охолоджуючої води у конденсаторі-холодильнику

Витрату води в кожухотрубному конденсаторі - холодильнику визначаємо з рівняння:

де W_к - кількість вторинної пари, що надходить на конденсацію, W_к=1,27 кг/с, r = 2248 - питома теплота конденсації пари при температурі 104 С, кДж/кг [7]; t_1кін, t_1поч - кінцева та початкова температури конденсату вторинної пари; t_1поч = t_конд = 104 С, кінцеву температуру охолодження конденсату вторинної пари приймаємо t_1кін =35С; С_к= 4,19 кДж/кг - теплоємність конденсату вторинної пари при високих температурах; t_2кін, t_2поч - кінцева та початкова температури охолоджуючої води, t_2поч.=20С; t_2кін - приймаємо 40С, щоб звести до мінімуму відкладення солей на поверхнях труб, для цього вона не повинна перевищувати 40-50 С; С_в= 4,18 кДж/кг - теплоємність охолоджуючої води при не високих температурах.



4. Конструктивний розрахунок випарювального апарата

випарний концентрування кипіння

4.1 Визначення кількості кип'ятильних труб у випарному апараті

шт.

де d_ср - середній діаметр трубки, 382 мм; l = Н - висота трубок, l = Н = 4 м.

Число труб по діагоналі шестикутника складе [2]:

(4.2)

4.2 Уточнення діаметра нагрівальної камери

Діаметр нагрівальної камери випарного визначаємо за формулою:

,

де t - відстань між трубами, при закріпленні труб у трубних решітках, t = 1,3·d_з; d_з - зовнішній діаметр трубки, 382 мм; n - кількість кип'ятильних труб у випарному апараті.

м.



Діаметр нагрівальної камери обраного стандартного випарного складає D_в = 1000 мм (підрозділ 3.9).

Розрахунковий діаметр гріючої камери має незначне відхилення від значення діаметра прийнятого стандартного випарного . Тому приймаємо діаметр нагрівальної камери, як діаметр нагрівальної камери стандартного випарного D_в = 1000 мм.

4.3 Визначення діаметра сепараційного простору

Напруга парового простору, що допускається [4], складе

W' = f₁·f₂·W'_ат

де f₁ - коефіцієнт, який залежить від тиску; при тиску P₁=0,6 МПа, f₁=3,4 [8]; f₂ - коефіцієнт рівня розчину над точкою введення паро-рідинної суміші в сепаратор, при Н_ж = 0,2 f₂ = 0,51 [8]; W'_ат - напруга парового простору для розчинів, що киплять при Р=0,1 МПа, W'_ат = 1000 кг/м³·год;

Тоді

W' = 3,4·0,51·1000 = 1734 кг/м³·год або W' = 0,48 кг/м³·с.

Обсяг парового простору визначаємо згідно з виразом:

де W₁ - кількість вторинної пари першого корпусу, W₁=1,27 кг/с.



м³.

Припустима швидкість пари в сепараторі _п = 4,4 м/с, тоді діаметр обичайки сепаратора складе

,

де V_п - питомий об'єм вторинної пари при Т_вт=105?С, V_п=1,421 м³/кг [7].

м.

Приймаємо діаметр сепараційного простору D_c =700 мм.

Уточнюємо швидкість пари в сепараторі:

;

м/с.

Критерій Рейнольдса для пари:

,

де ?_п - динамічний коефіцієнт в'язкості при температурі Т_вт=105?С [7, рисунок VI]; ?_п =0,014·10-³ Па·с; d_к - діаметр краплі рідини, приймаємо d_к = 0,0006 м; _п - густина пари при температурі Т_вт=105?С, _п = 0,7036 кг/м³ [7];

.

При Re < 500 коефіцієнт опору:

.

Швидкість витання краплі складе

_вит,

де - густина розчину у корпусі при X=30% і t_конд=104?С; с_р = 1093,94 кг/м³; с_п - густина пари при t_конд=104?С, с_п = 0,68 кг/м³ [4].

_вит м/с,

Швидкість руху пари менше швидкості витання краплі, отже відокремлення крапель розчину від пари в сепараторі забезпечено.

Висота сепараційного простору:

,

м.



Приймаємо висоту сепараційного простору Н_с = 3 м.

4.4 Визначення діаметра циркуляційної труби

Внутрішній діаметр циркуляційної труби визначаємо за формулою [2]:

D_ц,

D_ц м.

Приймаємо діаметр циркуляційної труби D_ц = 400 мм.

В результаті виконаних розрахунків отримані наступні розміри випарного апарата:

Діаметр гріючої камери D =1000 мм;

Діаметр сепаратора D₁ = 700 мм;

Діаметр циркуляційної труби D_ц = 400 мм;

Діаметр кип'ятильних трубок d = 38Ч2 мм;

Довжина кип'ятильних трубок L = 4 м;

Кількість трубок n = 209.

4.5 Визначення діаметрів штуцерів

Діаметри штуцерів для підведення та відведення теплоносіїв визначаємо з рівняння витрати відповідно до формули [3]:

(4.13)



де G - витрата теплоносія, кг/c; - густина теплоносія, кг/м³; швидкість руху теплоносія в штуцері, м/с.

Швидкість руху теплоносія приймаємо згідно з таблицею 4.1 у залежності від виду теплоносія та робочих умов.

Таблиця 4.1 Швидкість руху теплоносіїв залежно від його виду та робочих умов [7]

Діаметр штуцера для підведення гріючої пари

де G_п - витрата гріючої пари, G_п = D = 1,37 кг/c; ?_п - густина гріючої пари, ?_п????3,104 кг/м³, визначаємо за табл. LVII при тиску P₁ = 0,6 МПа [7]; щ_п - швидкість руху гріючої пари у штуцері; щ_п - швидкість руху гріючої пари у штуцері приймаємо, щ_п = 20 м/с.

м.

Діаметр штуцера для відведення конденсату гріючої пари



Швидкість руху конденсату в штуцері приймаємо ? = 0,5 м/с. Густина конденсату ? = 909,1 кг/м³ при температурі конденсації пари t_г=158,1 ?С (табл. 3.2), табл. XXXIX [7].

м.

Діаметр штуцера підводу розчину на випарювання

де G_пр - продуктивність випарної установки, G_пр= 3,8 кг/c; ?_пр = 1051,2 кг/м³ - густина вихідного розчину з концентрацією X = 20% при температурі кипіння розчину t_кип = 107,43 ?C (табл. 3.2); щ_пр - швидкість руху розчину в штуцері приймаємо щ_пр = 0,5 м/с .

м.

Діаметр штуцера для відведення упареного розчину



де G_п - продуктивність випарної установки, G = 3,8 кг/c; W₁ - продуктивність вторинної пари 1 корпусу випарної установки, W=1,27 кг/c; ?_к= 1093,9 кг/м³ - густина упареного розчину сахарного сиропу з концентрацією X=30% при температурі кипіння розчину в сепараторі t_к =106,03?C (табл. 3.2); ?_? - швидкість руху розчину в штуцері, ?_? = 0,5 м/с [7].

м.

Діаметр штуцера для виходу вторинної пари

,

де W - продуктивність вторинної пари випарної установки з 1 корпусом, W = 1,27 кг/с; ?_ВТ - швидкість руху вторинної пари у штуцері, ?_ВТ = 20 м/с; ?_ВТ - густина вторинної пари, _ВТ = 0,7036 кг/м³, за табл. LVI при Т_вт = 105 ?С [7].

м.

За визначеними діаметрами вибираємо стандартні діаметри штуцерів [9].

d₁ = 200 мм; d₂ = 65 мм; d₃ = 100 мм; d₄ = 80мм; d₅ = 350 мм.

4.6 Вибір фланців до штуцерів

За умовними діаметрами штуцерів за ДСТУ 1255 підбираються до них фланці сталеві плоскі, приварні зі сполучним виступом (ескіз фланця наведено на рисунок 4.1.) і їх з'єднувальні розміри заносимо в табл. 4.2.

Рис.4.1

Таблиця 4.2 Характеристики фланців, сталевих, плоских, приварних, зі сполучним виступом

4.7 Вибір кришок та днищ апарата

Днище нагрівальної камери та кришку сепаратора приймаємо еліптичними, відбортованими за ДСТУ 6533, з внутрішнім базовим діаметром 800 та 1000 мм відповідно [9]. Ескіз днища та кришки наведений на рисунок 4.2, а з'єднувальні розміри в таблиці 4.3.



Рис.4.2

Таблиця 4.3. Характеристики днища (кришки)

Кришку нагрівальної камери та днище сепаратора приймаємо конічними, відбортованими з кутом при вершині 60⁰ за ДСТУ 12619 з внутрішнім базовим діаметром 800 та 1000 мм. Ескіз кришки та днища наведено на рисунок 4.3, а з'єднувальні розміри у табл. 4.4.



Рис.4.3

Таблиця 4.4 Характеристики кришки (днища)

4.8 Визначення товщини ізоляції

Товщину ізоляції визначаємо з рівності питомих теплових потоків через шар ізоляції і від поверхні ізоляції в навколишнє середовище відповідно до рівняння [2]:

де ?_п - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря, ?_п = 9,3 + 0,058·t_ст2; t_ст2 - температура ізоляції з боку навколишнього повітря, для апаратів, що працюють у закритому приміщенні приймаємо 40?С [2];

температуру стінки з боку визначаємо як



t_ст1 = t_пари - 2 = 158,1 - 2 = 156,1 ?С;

Температуру повітря приймаємо t_п = 20 ^оС, тоді:

?_п = 9,3 + 0,058·t_ст2

?_п =9,3+0,058·40=11,62 Вт/м²·К.

Приймаємо у якості ізоляційного матеріалу - совеліт, у якого теплопровідність ?_i = 0,098 Вт/м²·К за табл. XXVIII [7].

, (4.21)

м.

Приймаємо товщину ізоляції ?_і?? 0,05 м



5. Гідравлічний розрахунок

Розрахунок гідравлічного опору необхідний для визначення витрат енергії на переміщення рідини або пари і вибір машин, використовуваних для переміщення.

Загальні втрати тиску у випарному апараті складають [4]:

,

де поверхневий натяг розчину, ? = 0,0620 Н/м (рисунок 5.1); d_в - внутрішній діаметр кип'ятильної трубки d_в= 0,034 м; ?P_ст - гідростатичний тиск стовпа рідини.

Па.

?P_ст = ?·g·H ,

де ? - густина розчину у 1 корпусі; ?=1093,9 кг/м³,

?P_вт - втрата напору за рахунок тертя і місцевих опорів у трубному просторі, визначаємо згідно з виразом [4]:?

?P_ст = 1093,9·9,81·4 = 42924,6 Па,

,

де коефіцієнт гідравлічного тертя визначається залежно від режиму руху; ????сума коефіцієнтів місцевих опорів.



Рис.5.1

Режим руху розчину в трубках визначаємо за критерієм Рейнольда:

,

де ?_о - швидкість підйому бульбашок, м/с; d₀ - діаметр бульбашки киплячої рідини, м; ????густина розчину, кг/м³; ?_р????динамічний коефіцієнт в'язкості розчину, Па·с; х_р - кінематичний коефіцієнт в'язкості, м²/с, х_р = 0,4148·10^-6 м²/с (табл.5.1).



Таблиця 5.1 Кінематичний коефіцієнт в'язкості від температури та концентрації [11]

Діаметр бульбашки киплячої рідини визначаємо за формулою [4]:

,

де ?_в ??поверхневий натяг води, мН/см, ?_в = 72 мН/м; ?_п - густина пари при Р_вт=0,1232 МПа, _ВТ=0,7036 кг/м³.

м.

Швидкість підйому бульбашок визначаємо за формулою:

,



м/с.

Тоді значення критерію Рейнольдса в трубках складе

.

Режим руху ламінарний, отже ? визначаємо за формулою, що рекомендується для ламінарного режиму:

, .

Сума коефіцієнтів місцевих опорів складе

,

де , - суми місцевих опорів при вході до та при виході з нього, приймаємо = 0,5 і = 1 за.

Тоді:

Па.



Загальний гідравлічний опір складе

P = 7,29 + 42924,6 + 72439,21 = 115371,1 Па.



6.Механічний розрахунок

Випарний апарат складається із двох частин: гріючої камери та сепараційного простору. Оболонка гріючої камери знаходиться під тиском гріючої пари Р_г.п.= 0,6 МПа, на кришку та днище діє тиск вторинної пари Р_вт = 0,1232 МПа.

Розрахунковий тиск буде максимальним в нижній частині з урахуванням гідростатичного тиску стовпа рідини.

Головним складовим елементом апаратів є оболонка. Найбільш поширені циліндричні оболонки, які відрізняються простотою виготовлення, раціональною витратою матеріалу та достатньою міцністю.

6.1 Визначення товщини стінки оболонки гріючої камери

Товщину циліндричної оболонки, яка знаходиться під внутрішнім тиском, розраховуємо за формулою [7]:

S = {P_р · D_a / 2

де Р_р - розрахунковий тиск в нижній частині оболонки,

Р_р = Р_гп + ?_к·g·Н

де ?_к - густина конденсату гріючої пари при Т_гп = 158,1?С, ?_к=909,1 кг/м³ [7]; D_a - діаметр , м; Н - висота оболонки, Н = 4 м.

Р_р = 0,6 + (909,1·9,81·4)/10⁶ = 0,635 МПа.

де ??? - допустима напруга матеріалу оболонки; знаходимо з табл. 1.4 [9, с.12] залежно від температури; при Т_гп =158,1?С; ????= 147 МН/м² (для нержавіючої сталі 12Х18Н12Т); ????коефіцієнт міцності зварювального шва, залежить від типу шва. Наприклад, для одностороннього стикового шва ??= 0,8; двостороннього - ??=0,95; С - величина сумарної прибавки:

С = С_к +С_е + С_д

де С_к - додаток на корозію або інший вид хімічної дії робочого середовища на матеріал, за відсутності таких даних проникливість приймаємо С_к = 1 мм на рік; С_е - додаток на ерозію - рекомендують приймати тоді, коли має місце рух агресивних часток в апараті з великою швидкістю, для випарного С_е = 0; С_д - додаткова прибавка за технологічними, монтажними, або іншим причинами.

З додатками товщина стінки оболонки округляється до розмірів сортаменту.

Перевіримо відношення визначальних параметрів.

, що дозволено.

Підставивши необхідні величини, знаходимо:

м.

Рекомендована мінімальна товщина стінки оболонки в залежності від діаметра без врахування добавки становить [9]:

Таблиця 6.1 Товщина стінки оболонки від діаметра

Діаметр гріючої камери D=600 мм, приймаємо стандартне значення товщини стінки оболонки S = 3 мм.



, (6.4)

МПа.

Умова міцності:

Р_d ? P_p.

де Р_d = 0,781 МПа, що більше Р_р=0,635 МПа, отже умова міцності виконується.

6.2 Розрахунок товщини стінки днища гріючої камери

Коефіцієнт ослаблення днища отвором:

,

де d - діаметр отвору штуцера виходу упареного розчину; d = 65 мм.

.

Розрахунковий тиск на днище:

Р_р = Р_вт + ?_р·g·H

де_р - густина розчину І корпусу,???_р = 1061,92 кг/м³.



Р_р = 0,1232 + (1061,92·9,81·4)/10⁶ = 0,1649 МПа.

Товщина стінки днища:

, м.

Мінімальна товщина стінки еліптичного днища за ДСТУ 6533 [9] при D = 1000 мм складає S = 4 мм.

6.3 Розрахунок товщини стінки сепаратора

Розрахунок аналогічний до розрахунку товщини стінки гріючої камери, і ведеться за тими самими формулами.

Розрахунковий тиск в нижній частині оболонки:

Р_р = 0,6 + (909,1·9,81·4)/10⁶ = 0,635 МПа.

Перевіримо відношення визначальних параметрів

, що дозволено.

Розрахункова товщина стінки оболонки складе

м.

Діаметр сепаратора D = 600 мм, отже, приймаємо стандартне значення товщини стінки оболонки S = 3 мм (табл. 6.1).

Допустимий тиск в оболонці:

МПа, що більше Р_р=0,635 МПа.

6.4 Розрахунок товщини стінки конічного днища сепаратора

Розрахунковий тиск на днище:

Р_р = Р_вп + ?_р·g·H',

де Н' - висота рівня розчину в сепараційному просторі з урахуванням висоти днища:

Н' =Н_с + h_в + h,

Н'= 3 + 0,725 + 0,04 = 3,765 м.

Р_р = 0,1232 + (1061,92·9,81·3,765)·10-⁶ = 0,162 МПа,

Зварний шов для конічного днища приймаємо двосторонній

Перевіримо відношення визначальних параметрів

що дозволено.

Тоді:

,



де у - коефіцієнт форми днища; знаходимо за рисунком 6.1 [9]

Рис.6.1

При ? = 45⁰ і відношенні (R_в - радіус закруглення відбортованої частини днища). Приймаємо у = 2,24.

м.

Розраховуємо товщину стінки днища до стандартної, враховуючи корозію:

S = S' + C_к,

S = 0,00052 + 0,001= 0,00152 м.

Мінімальна товщина стінки конічного днища за ДСТУ 12619 [9] при D=800 мм складає S = 3 мм.



6.5 Розрахунок трубної решітки

Приймаємо для закріплення труб трубну решітку тип ІІ, [9], ескіз якої наведено на рисунок 6.2.

Рис.6.2

Розрахункова товщина решітки зовні [9]:

, м.

Коефіцієнт ослаблення решітки отворами для кип'ятильних трубок:

,

де ?d - сума отворів по діаметра трубної решітки: при діаметрі труб 38Ч2 мм. Їх кількість b = 8 (формула 4.2)



Розрахункова висота решітки посередині:

, м.

З урахуванням додатку на корозію та округлення розміру, приймаємо:

h' = 20 мм;

h = 30 мм.

6.6 Вибір опор

Для вибору опор визначаємо масу одного корпусу .

Розрахуємо масу в робочому стані, тобто заповненому водою при гідравлічному випробуванні.

Визначимо об'єм гріючної камери та сепаратора:

V_гр = 0,785·D²·H ,

V_с=0,785·D_c²·H_с

де D - діаметр гріючої камери, D = 1000 мм; D_c - діаметр сепаратора, D_c = 600 мм; H - висота рівня розчину в гріючій камері, H=4 м; H_c - висота рівня розчину в сепараторі, H_c=3,765 м.

V_гр=0,785·1,0²·4 = 3,14 м²,

V_c=0,785·0,6²·3,765 = 1,06 м².

Маса води для гріючої камери складе

M_гр= V_гр·с_в



де с_в - густина води, с_в=1000 кг/м³.

M_гр = 3,14·1000=3140 кг.

Маса води у сепараторі:

M_сеп= V_c · с_в

M_сеп = 1,06·1000 = 1060 кг.

Маса самого апарата складає 8500 кг за ДСТУ 11987.

Так як сепаратор обпирається на опорне кільце, то опори гріючої камери приймаємо за ДСТУ 26-665, ескіз яких показано на рисунок 6.3, основні розміри наведено в табл. 6.1.

Рис.6.3

Таблиця 6.1 Основні розміри опори випарного [9]



Навантаження на одну опору становить Q=10 кН, або 10000 кг. Тоді кількість опор складе N=(8500+3140+1060)/10000=1,27=2 опори.



Висновок

В даній курсовій роботі було спроектовано випарну установку. Проведено розрахунки для однокорпусної випарної установки для концентрування розбавленого водного розчину сахарного сиропу

Дана випарна установка відповідає вимогам стандартів і може використовуватись на підприємствах.



Список літератури

1.Методичні вказівки до оформлення курсового проекту з курсу «Основні процеси та апарати хімічної технології» для студентів III-V курсів усіх спеціальностей і форм навчання / Укл.: В.І. Зражевський. - Дніпропетровськ: ДВНЗ УДХТУ, 2011. - 36 с. (бібліот. № 2101)

2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Под ред. Дытнерского Ю.И. - М.: Химия, 1991. - 496 с.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 783 с.

4. Зайцев И.Д., Асеев Т.Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных неорганических веществ. -М.: Химия, 1988. - 416 с.

5. Методичні вказівки до виконання курсового проекту на тему «Розрахунок однокорпусної випарної установки»з курсу «Основні процеси та апарати хімічної технології» для студентів IV-V курсів усіх спеціальностей і форм навчання / Укл.: Т.Ю. Гіріч, В.М. Задорожній, Т.П. Єльцова. - Дніпропетровськ: ДВНЗ УДХТУ, 2009. - 36 с.

6. Методичні вказівки до виконання курсового проекту на тему «Розрахунок багатокорпусної випарної установки»з курсу «Основні процеси та апарати хімічної технології» для студентів IV-V курсів усіх спеціальностей і форм навчання / Укл.: О.С. Смірнова, А.О. Черемисінова, П.В. Рябік - Дніпропетровськ: ДВНЗ УДХТУ, 2014. - 55 с.

7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

Размещено на Allbest.ru

...