Проектирование выпарной установки с центральной циркуляционной трубой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Описание технологической схемы и устройства

1.2 Принцип действия и назначение аппарата

2. Расчетная часть

2.1 Определение количества выпаренной воды

2.2 Температурный режим работы выпарного аппарата

2.3 Определение расхода греющего пара

2.4 Расчет поверхности теплообмена

2.5 Конструктивный расчет выпарного аппарата

3. Вопросы стандартизации

4. Вопросы охраны труда и техники безопасности

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Выпаривание - тепловой процесс концентрирования растворов нелетучих веществ в жидких летучих растворителях при температуре кипения путем частичного удаления растворителя в парообразном состоянии.

В подавляющем большинстве случаев выпариванию подвергают водные растворы твердых веществ, и удаляемый растворитель представляет собой водяной пар, носящий название вторичного пара. Теплоту для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, однако чаще всего в качестве греющего теплоносителя при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим ( первичным) паром.

В пищевых производствах выпаривание применяют для сгущения полуфабрикатов и пищевых продуктов. Например, в консервной и кондитерской промышленности процесс выпаривания используют для получения концентрированных фруктовых и ягодных соков, паст, повидла, джема, начинки для карамели и других продуктов; в молочной промышленности - для сгущения молока, сыворотки, сливок; в свеклосахарной промышленности - для уваривания сахарного сока на сироп; в крахмало-паточной промышленности - для выпаривания кукурузного экстракта, паточных и глюкозных соков и сиропов; в масло-жировой промышленности - для удаления экстракционного бензина из мисцелл, и, наконец, выпаривание используется в спиртовой промышленности для упаривания барды.

Выпарные аппараты классифицируют по типу поверхности нагрева и по её расположению в пространстве, по роду теплоносителя, а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

В данной курсовой работе спроектирован один выпарной аппарат с наружной циркуляционной трубой (первый корпус), входящий в состав выпарной установки.

1. Общая часть

1.1 Описание технологической схемы и устройства

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки приведена на рис. 1.

В целях экономии греющего пара при концентрировании пищевых продуктов широкое распространение в промышленности получили многокорпусные выпарные установки, состоящие из двух- четырех выпарных аппаратов (корпусов). Принцип многокорпусного выпаривания заключается в том, что вторичный пар, полученный при кипении раствора в предыдущем аппарате, используется в качестве греющего пара в последующем аппарате, где давление и, следовательно, температура кипения раствора будут меньше, чем в предыдущем аппарате.

Такая технологическая схема многокорпусной выпарной установки называется прямоточной, так как направление перехода раствора и вторичного пара из корпуса в корпус совпадают.

1.2 Принцип действия и назначение аппарата

Предварительно нагретый в подогревателе 4 до температуры кипения исходный раствор, поступает в выпарной аппарат 1, который обогревается свежим греющим паром из котельной. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично выпарной аппарат 3 обогревается вторичным паром второго корпуса и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса. Упаренный до требуемой концентрации раствор выводят из третьего корпуса. В некоторых случаях часть вторичного пара после первого и второго корпуса направляют для других нужд производства, такой пар называют экстра-паром.

Самопроизвольный переток раствора из корпуса в корпус происходит благодаря общему перепаду давления, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 5, где заданный вакуум поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом.

Данная технологическая схема обладает рядом преимуществ. В первую очередь температура кипения раствора понижается о корпуса к корпусу вместе с увеличением концентрации, что благоприятно сказывается на качестве продукта. Во-вторых, выпариваемый раствор перетекает из корпуса в корпус самотеком, и, наконец, раствор приходит в последующий корпус перегретым, следовательно, имеет место явление самоиспарения.

Благодаря этим преимуществам прямоточная схема нашла широкое распространение в пищевой промышленности. Реже применяются противоточная схема и схема с параллельным питанием корпусов.

2. Расчётная часть

В результате расчёта выпарного аппарата необходимо определить поверхность теплообмена F и расход греющего пара D. Кроме того, производят расчёт тепловой изоляции и конструктивный расчёт аппарата, в результате которого определяют число теплообменных труб, размеры греющей камеры и сепаратора, а также размеры патрубков для подачи исходной смеси, греющего пара и отвода упаренного раствора, вторичного пара и конденсата.

2.1 Определение количества выпаренной воды

выпарной аппарат технологический

Количество выпаренной воды W,кг/с, определяют из уравнений материального баланса:

где Gн - расход исходного раствора, кг/с.

Bн, Bк -концентрация начального и упаренного раствора, %

Тогда количество упаренного раствора Gк, кг/с, составит:

2.2 Температурный режим работы выпарного аппарата

Для проведения последующих расчётов необходимо определить температуру греющего пара, вторичного пара и температуру кипения раствора.

Температуру греющего пара tsнаходят по его давлению Pн /1/.

бар =>

Соответственно температуру вторичного пара определяю по

бар =>

Температуру кипения раствора в среднем слое определяю с учётом температурных депрессий

,

Где -физико-химическая температурная депрессия, .

-гидростатическая температурная депрессия,.

Физико-химическая депрессия определяется по формуле Тищенко:

,

- нормальная депресия,; определяется при атмосферном давлении в зависимости от Bк = 17 % ./1/

- поправочный коэффициент, зависящий от давления вторичного пара P1 /1/.

,

=>

=0,52*0,83=0,43

Гидростатическая температурная депрессия определяется как разность температур кипения раствора в среднем слое и на поверхности

,

- температура кипения, соответствующая давлению , бар, в среднем слое жидкости, которое складывается из давления вторичного пара P1 на середине высоты трубы:

=P1+ бар

где p- плотность раствора, кг/м3; определяют по концентрации Bк /1/.

Высоту кипятильных труб H принимают для выпарных аппаратов с ВЦТ в пределах от 3 до 5 метров.

Bк = 24 => p =1101 кг/м3.

Высоту принимаем H= 2 м.

Зная , найдем ,

=86

Найдем гидростатическую температурную депрессию

Рассчитаем температуру кипения раствора в среднем слое:

t1 = 81,4 + 0,43 + 4,6 = 86,43

2.3 Определение расхода греющего пара

Для определения расхода греющего пара D,кг/с, составляют тепловой баланс выпарного аппарата

+

Учитывая, что =Gн+W, легко определить расход греющего пара

В этом уравнении в числителе первое слагаемое представляет собой теплоту, которую необходимо затратить, чтобы нагреть исходный раствор от температуры tн до температуры кипения t1; второе слагаемое -теплота, затрачиваемая непосредственно на процесс выпаривания и, наконец, третье - тепловые потери в окружающую среду, величину которых принимают равной 5% от теплоты, затрачиваемой на выпаривание.

Учитывая так же, что по заданию исходный раствор поступает в аппарат предварительно нагретым до температуры кипения, т.е. t1 = tн, уравнение приводиться к виду

где значения энтальпий i'' , i' и i''w, определяют соответственно по значениям Pн иP1 /1/;

св - теплоемкость воды , Дж/(кг*К), определяют по температуре кипения t1 /1/.

Удельный расход греющего пара d, кг/кг, для данного корпуса выпарной установки определяется как отношение

d==.

2.4 Расчёт поверхности теплообмена

При проектировании выпарного аппарата поверхность теплообмена греющей камеры F, м2, определяют из основного кинетического уравнения теплопередачи



где Q-тепловая нагрузка греющей камеры, Вт;

-движущая сила процесса выпаривания, ;

К-коэффициент теплопередачи ,Вт/(м2К).

Тепловую нагрузку Q ,Вт, греющей камеры рассчитываю по уравнению

Q=W*(iw''- cвt1)=0,931 (2645000-361277,4)=2126145,7 Вт

где значение энтальпий вторичного пара iw'' , Дж/кг, и удельной теплоемкости воды cв, Дж/кгК) ,определены ранее в пункте 2.2.

Движущую силу процесса выпаривания , ,определяют как разность температур греющего пара и кипения раствора в среднем слое

=133,5 - 86,43= 47,1.

где и определены ранее в пункте 2.2.

Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2К) рассчитываю по уравнению аддитивности термических сопротивлений

где -коэффициент теплопередачи от греющего пара к поверхности кипятильных труб, Вт/(м2К);

-коэффициент теплопередачи от поверхности кипятильных труб к кипящему раствору Вт/(м2К);

- суммарное термическое сопротивление стенок кипятильных труб и слоя загрязнения,(м2К)/Вт:

= + ,

,- толщина стенок кипятильных труб и слоя загрязнений, м;

- коэффициент теплопроводности стенок кипятильных труб и загрязнений, Вт/(мК).

Обычно принимают:

=0,002м; 0,005м;

=17Вт/(мК) для нержавеющей стали,

для загрязнений.

= + (м2К)/Вт.

Коэффициент принимают из интервала 8000 Вт/(м2К)

Вт/(м2К).

вычисляют по уравнению

где А2 - расчётный коэффициент, зависящий от концентрации раствора и его температуры кипения;

q2 - удельный тепловой поток, Вт/м2

Значение коэффициента А2 определяю в зависимости от температуры кипения и концентрации Bк из графиков представленных на рисунке 3 /2/.

Из графика по Bк =24 А2=5,2.

Ввиду того ,что в уравнении не известен истинный удельный тепловой поток q, Вт/м2, значения коэффициента теплоотдачи , и следовательно коэффициенты теплопередачи К определяют методом постепенных приближений. Для этого задаются значениями q в диапазоне от 30000 до 8000 Вт/м2, вычисляя и К, затем проверяют правильность выбранного значения q по уравнению:

q*=K;

где - движущая сила процесса выпаривания,

Пусть q2 = 71000 Вт/м2,

то =4234,048

Найдем коэффициент теплопередачи

Проверяем правильность выбранного значения q

q*=1612,9*47,1 = 72167Вт/м2

Выбор q удовлетворяет условиям расчёта.

Определив значения Q, K , рассчитаю поверхность теплообмена греющей камеры выпарного аппарата F

Номинальную поверхность теплообмена греющей камеры принимают из ряда - 40 м2.

2.5 Конструктивный расчёт выпарного аппарата

Этот этап выполнения включает определение числа кипятильных труб, их размещение на трубной решетке, расчёт парового пространства и определение диаметров штуцеров.

Число кипятильных труб греющей камеры определяют из уравнения

где F- поверхность теплообмена греющей камеры, м2;

H-высота кипятильных труб, м, которая была выбрана в п.2.2

Для расчёта обычно принимают d=dвн ,м, т.е. диаметр с той стороны , где термическое сопротивление больше. Согласно принятому раннее dвн=34мм

При размещении труб на трубной решетке необходимо обеспечить максимальную компактность, плотность и прочность решетки и сборки трубного пучка. Наиболее удовлетворяет эти требованиям разметка труб по периметрам правильных шестиугольников.

Из /1/ выбирают ближайшее число труб n и уточняют H.

n= 169 труб

Диаметр греющей камеры Dк, м, выпарных аппаратов центральной циркуляционной трубой рассчитывают по уравнению

Окончательно выбирают больший ближайший размер Dк из ряда диаметров обечаек ГОСТ 11987-86.

Dк =1000мм.

Размеры сепаратора выпарного аппарата определяют из условий возможно полного определения вторичного пара от капель выпариваемого раствора. Это исключает безвозвратные потери самого раствора , загрязнение обогреваемых им поверхностей греющих камер аппаратов в многокорпусных выпариваемых установках, а также обуславливает возможность использования конденсата вторичного пара для питания паровых котлов.

Важным показателем работы выпарных аппаратов являются скорость витания капли в, м/с и скорость пара п, м/с. Если скорость пара больше скорости витания капли, то капля движется вверх и уносится из аппарата. Поэтому для нормальной работы установки необходимо, чтобы соблюдалось условие в >п.

Исходя из конструктивных соображений и удобств компоновки отдельных узлов аппарата, диаметр сепаратора обычно принимают равным:

Dc=(1Dк

Dc=1,2*1=1,2 м

Скорость витания капель в, м/с, определяют по уравнению

в=5,45=5,45= 6,5 м/с

где dк- средний диаметр капель ,выделяемых в сепараторе ,м;

значение dк принимают в пределах 0,00030,001м;

p',p''-соответственно плотность жидкости и пара, кн/м3, определяют поP1 /1/.

p'=1051 кг/м3; p''=0,3087 кг/м3;

Скорость пара п, м/с, в паровом пространстве определяют из уравнения расхода:

 - количество вторичного пара , м3/с;

fплощадь поперечного сечения, м2;

Dc - диаметр сепаратора, м.

Объём сепаратора Vc, определяют в зависимости от количества испаряющей воды W, кг/с, с учётом величины допустимого напряжения парового пространства А, м3/(м3*с). При выпариваний спокойно кипящих растворов А=1,22,0 м3/(м3*с). При выпаривании пенящихся растворов обычно применяют различные пеногасящие вещества. Тогда

Зная объём сепаратора и его диаметр, находят высоту Hc, м,

Учитываем, что аппарат снабжен брызгоуловителем, принимаем A = 1,5 м.

Практически в современных аппаратах для непенящихся жидкостей высоту сепаратора принимают не менее 1,5 м.

Диаметры патрубков (штуцеров) dвн, м, для ввода греющего пара, начального раствора, вывода конденсата греющего пара, упаренного раствора и вторичного пара определяют из уравнения расхода

где G - расход соответствующего потока жидкости или пара, проходящего через патрубок, кг/с;

p - плотность, кг/м3;

- скорость движения потока через патрубок, м/с.

Для ввода начального пара:

Для ввода начального раствора:

Для вывода конденсата греющего пара:

Для вывода вторичного пара:

Рекомендуется принимать в следующих пределах: для пара от 20 до 50 м/с; для конденсата от 0,3 до 0,5 м/с; для растворов от 0,5 до 1,5 м/с.

Значения полученных диаметров стандартизируются по dн в соответствии с ГОСТом 9941 - 81.

Определение толщины тепловой изоляции. Тепловая изоляция наружной поверхности выпарных аппаратов предназначена для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду и предотвращения ожогов обслуживающего персонала. Обычно допустимая температура наружной поверхности изоляции tиз принимается от 40 до 50.

Толщину изоляционного слоя из, м, определяют из уравнения:



где - коэффициент теплопроводности изоляционного материла, Вт/(м*К);

для асбеста =0,15 Вт/(м*К),

- коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающую среду, Вт/(м2*К):

Вт/(м2*К)

- коэффициент теплопередачи от пара через изоляцию в окружающую среду, Вт/(м2*К).

Температуру воздуха в помещении принимают равной =20.

Температуру среды в выпарном аппарате принимают равной температуре греющего пара =.

Рассчитывают толщину изоляционного слоя

Объёмом настоящего проекта не предусматривается расчёт толщины стенок элементов выпарного аппарата. Обычно в пищевой промышленности все элементы выпарных аппаратов, соприкасающиеся с продуктом, выполняются из нержавеющей стали 1X18H10Tпо ГОСТ 5632-72.

Рекомендуется принимать следующую толщину стенок мм: корпуса греющей камеры и сепаратора от 5 до 6 мм, крышек и днищ от 4 до 5 мм, трубной решетки от 20 до 30 мм, патрубков от 3 до 5 мм, циркуляционных труб от 4 до 6 мм.

3. Вопросы стандартизации

1.ОН 12-45-82 Трубы из углеродистой и высоколегированной стали для химического и компрессорного машиностроения. Сортамент. Отраслевая нормаль. М., НИИхиммаш. 1982

2. ОН-26-01-1-83 Сосуды и аппараты стальные сварные. Узлы и детали. Люки. Типы, конструкция и основные размеры. Отраслевая нормаль. Пенза, ВНИИТхиммаш, 1983.

3.ОН 26-01-17-86, ОН 26-02-14-86 Сосуды и аппараты. Нормы расчёта и конструирование фланцевых соединений. Отраслевая нормаль. М., Минхимнефтемах,1986.

4. ОН 26-02-7-85 Теплообменники кожухотрубчатые сU-образными трубами. Основные параметрыи размеры. Отраслевая нормаль. М., ГИПРОнефтемаш, 1985

5. РТМ 54-80 Справочник по свойствам черных металлов, применяемых в оборудовании нефтеперерабатывающих заводов. Руководящий технический материал. М., ГИПРОнефтемаш, 1988

6. ОН 26-01-71-88 Сварка в химическом машиностроении. Отраслевая нормаль. М., НИИ химмаш,1988.

7.НИМ 4-287-69 Окна смотровые. Основные размеры.

8.ОСТ 26-829-73- ОСТ 26-843-73 Фланцевые соединения арматуры трубопроводов. Минхимнефтемаш. М.,1973.

9.ОСТ 26-426-79 Фланцы для аппаратов стальные плоские приварные. Основные размеры.

10. ОСТ26-01-341-80 Окна смотровые стальных сосудов и аппаратов. Основные размеры.

11.ОСТ 26-2002-77 Люк с плоской крышкой. Основные размеры.

12.ГОСТ 9941-81 Трубы из нержавеющей стали, условные обозначения. Труба 50*2-12Ч18Р10Т ГОСТ 8041-81.

13.ГОСТ 9617-81 Обечайки стальные цилиндрические. Основные размеры.

14.ГОСТ 12.2.003-91 Оборудование производственное. Общие требования безопасности.

4. Техника безопасности

Общие требования безопасности производственного оборудования отвечают ГОСТу 12.2003-91 «Оборудование производственное», который является основой для установления требований безопасности и технических условиях, эксплуатационных и других конструкторских документах на производственное оборудование, конкретных групп, видов, моделей.

Основные положения:

1.Производственное оборудование должно быть безопасно при монтаже, эксплуатации и ремонте как отдельно, так и в составе комплексов и технологических схем, а так же при транспортировке и хранении. Оно должно быть пожаровзрывобезопасным.

2.Все виды производственного оборудования должны охранять окружающую среду от загрязнения выбросами вредных веществ выше установленных норм.

3.Непременным условием является обеспечение надежности, а так же исключение опасности при эксплуатации в пределах, установленных результате воздействия влажности, солнечной радиации, механических колебаний , перепадов давлений и температур, агрессивных веществ, ветровых нагрузок, обледенения.

4.Материалы принимаемые в конструкции производственного оборудования, не должны быть опасными и вредными. Не допускается использование веществ и материалов, не прошедших проверки на пожаробезопасность.

5.Конструкции технологического оборудования, имеющие газо-, паро-, пневмо- , гидро-, и другие системы, выполняются в соответствии с требованиями безопасности для этих систем.

6.Конструкции оборудования должны исключать возможность случайного соприкосновения с работающими и горячими частями.

7.Выделение оборудованием тепла в производственных помещениях не должно превышать предельно допустимых концентраций в рабочей зоне.

8.Конструкция оборудования должна предусматривать защиту поражения электрическим током, включая случай ошибочных действий обслуживающего персонала.

9.Конструкция оборудования должна обеспечивать снижение до регламентируемых уровней шума вибраций

10.Для обеспечения безопасности основного оборудования при его эксплуатации дополнительно предусматривают защитные устройства.

Для защиты от действия опасных факторов принимают коллективные и индивидуальные средства защиты, которые можно разделить на четыре группы:

1)оградительные

2)предохранительная

3)сигнализационные устройства

4)дистанционное управление.

Заключение

В результате расчета выпарного аппарата определили поверхность теплообмена F и расхода греющего пара D. Кроме того, произвели расчет тепловой изоляции и конструктивный расчет аппарата, в результате которого определили число теплообменных труб, размеры греющей камеры и сепаратора, а так же размеры патрубков для подачи исходной смеси, греющего пара и отвода упаренного раствора, вторичного пара и конденсата. Спроектировали один выпарной аппарат (первый корпус), входящий в состав выпарной установки.

Список используемой литературы

1. Алексеев Н.Н. Методические указания и задания к контрольным работам по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств для студентов всех форм обучения». - Краснодар, КПИ, 1984. - 140 с.

2. Мамин В.Н. Методические указания к курсовому проекту. Проект выпарного аппарата. - Краснодар: КубГТУ,2003. - 23 с.

3. Вальдман В.А. Методические указания к расчетному практикуму и курсовому проектированию. Теплофизические характеристики пищевых продуктов, материалов и теплоносителей в пищевых производствах.-Краснодар: изд. КубГТУ, 2000. - 33 с.

4. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия, изд. 9-е испр., 1973.- 750 с.

Размещено на Allbest.ru

...