Проектирование однокорпусной выпарной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Инновационный евразийский университет

Кафедра машиностроение и стандартизация

Курсовой проект

По дисциплине: основные процессы и аппараты ХТП

Тема: Проектирование однокорпусной выпарной установки

Выполнил

студент группы ЗХТНВ (с)-302

Пашкова И.О.

Проверил

Алгазинов Н.К.

Павлодар 2013

Содержание

Введение

Исходные данные

1. Материальный расчет

2. Тепловой расчет

3. Конструктивный расчет

4. Гидравлический расчет

5. Изоляционный расчет

6. Расчет теплопотерь

7. Расчет барометрического конденсатора

8. Экономический расчет

Заключение

Список литературы



Введение

Выпаривание - процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или почти нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, то есть в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Обычно из растворов удаляют только часть растворителя, чтобы вещество оставалось в текучем состоянии, но в ряде случаев, когда необходимо получить чистое вещество без растворителя, то последний удаляют полностью. Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при разности температур между ними. Разность между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур. Чаще всего в качестве теплоносителя используют насыщенный водяной пар, который называют греющим, или первичным, паром.

Рис. 1.Схема устройства однокорпусного выпарного аппарата

Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат (корпус). Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора на примере аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой (рис. 1). Аппарат состоит из теплообменного устройства -- нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера обогревается обычно водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры. Поднимаясь по трубам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе 2. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора. Часть жидкости опускается по циркуляционной труб под нижнюю трубную решётку греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора в трубе 4 и парожидкостной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру, упаренный раствор удаляется через штуцер в днище аппарата.

Если выпаривание производится под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом. Упаренный раствор удаляется из конического днища аппарата.



Исходные данные для расчета

Выпариваемый продукт - KNO3

1. Производительность установки по выпаренной воде W = 850 кг/ч

2. Концентрации сухих веществ в KNO3:

начальная СВ_н = 17%

конечная СВ_к = 34%

3. Давление греющего пара в аппарате р_п = 0,048 МПа

4. Внутренний диаметр трубок d_в = 26 мм

5. Высота кипятильных трубок Н = 2,6м

6. Толщина стенки трубки у = 2,6 мм

7. Число часов работы аппарата в сутки O = 8 ч

8. Число рабочих дней в году

9. Получаемый продукт - KNO3



1. Материальный расчет

1.1 Определяем массовый расход поступающего KNO3 (начального раствора) Sн

Откуда

1.2 Производительность выпарной установки по KNO3 S_к

1.3 Определяем величину из баланса по сухим веществам с целью проверки

Откуда



2. Тепловой расчет

2.1 Составляем уравнение теплового баланса

В таблице свойств водяного насыщенного пара по заданному давлению находим значения энтальпий:

Определяем значения плотностей пара

В таблице физических свойств сливок при соответствующих температурах находим значения теплоемкостей сливок

2.2 Из уравнения теплового баланса определяем теоретический (D) и фактический (расходы греющего пара

2.4 Удельный расход греющего пара d:

2.5. Определяем коэффициент испарения (б):

2.6. Определяем коэффициент самоиспарения (в):

2.7. Рассчитываем фактический расход выпариваемой воды по уравнению Тищенко:

Вычисляем расхождение значения W с рассчитанным ранее

поэтому пересчет не производится.

2.8. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи при конденсации греющего пара на наружных поверхностях кипятильных трубок (б₁)

где c^* = 1,15 - коэффициент расположения для вертикальных трубок, влияющий на интенсивность теплоотдачи.

b - коэффициент, учитывающий физические свойства пленки конденсата на наружной поверхности трубок. При t_п = 80,9°С в Приложении таблице № 24 находим значение b путем интерполяции:

ь при 80°С b = 2,076*10³,

ь при 100°С b = 2,20*10³.

ь на интервал 1°С приходится

При t_п = 81°С b = 2,076*

r - теплота парообразования, определяемая из таблицы () путем интерполяции при t_п = 80,9°С

H - определяющий линейный размер при теплоотдачи пара к стенке, длина контакта конденсата и трубки. Для вертикальных кипятильных трубок по исходным данным Н = 2 м.

t_ст - средняя температура стенки, °С

2.9. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенок трубок к кипящим сливкам

где при температуре кипения °С определяем r

В Приложении по таблицам 1 - 3 свойств насыщенного водяного пара и физические свойства KNO3:

2.10 Рассчитываем коэффициент теплопередачи (К)

2.11. Определяем тепловую нагрузку выпаривания (Q):

2.12. Рассчитываем площадь теплопередачи выпарного аппарата (F):

С учетом коэффициента использования поверхности нагрева определяем фактическую площадь теплопередачи (

Принимаем площадь теплопередачи



3. Конструктивный расчет

3.1 Определяем общее число кипятильных трубок в аппарате (

3.2 Шаг размещения кипятильных трубок (t)

3.3 Площадь, занятая трубками на трубной решетке

3.4 Диаметр центральной циркуляционной трубы

Принимаем

3.5 Площадь центральной циркуляционной трубы

3.6 Площадь трубной решетки

3.7 Определяем диаметр корпуса

3.8 Минимальная толщина трубной решетки, обеспечивающая плотное и прочное скрепление с кипятильными трубками и корпусом аппарата

3.9 Выбираем значение допустимого напряжения парового пространства выпарного аппарата в диапазоне

.

3.10 Объем парового пространства определяют, исходя из условия обеспечения достаточно полного отделения вторичного пара от капелек кипящей жидкости. Чем слабее пенообразование, тем меньше высота парового пространства. С повышением скорости движения пара увеличивается подъемная сила и унос жидкости. Когда скорость пара больше витания капли, последняя поднимается и уносится паром при любой высоте парового пространства. При достаточной высоте парового пространства капли не достигают верха и падают на поверхность испарении. Степень уноса, главным образом, зависит от допустимого массового напряжения или объемного напряжения парового пространства.

Температура кипения жидкого продукта, ,°С	75	70	65	60	55
Массовое напряжение парового пространства	0,107	0,088	0,072	0,058	0,046

Определяем объем парового пространства

3.11 Рассчитываем диаметр парового пространства

3.12 Высота парового пространства

3.13 Высота конического днища

3.14 Полная высота выпарного аппарата

3.15 Рассчитываем диаметры патрубков

ь для подачи KNO3

.

ь для выхода KNO3

.

ь для подачи греющего пара

.

ь для выхода конденсата

.



4. Гидравлический расчет

Целью данного расчета является расчет и подбор центробежного насоса для подачи молока в выпарной аппарат и предварительно в пастеризационную установку.

4.1 Рассчитываем потери напора в местных сопротивлениях (h_м):

где Уж - сумма коэффициентов местных сопротивлений, количество которых определяется конструктивно и укрупнено, согласно схеме

4.2 Рассчитываем потери напора по длине подачи циркуляции молока (h_l):

где л_n, л_ц - коэффициенты гидравлического трения соответственно в падающем трубопроводе и циркуляционных трубах.

х_n = 0,54 * 10^-6 м²/с - кинематический коэффициент вязкости начального молока.

х_ц = 162*10^-6 - средний коэффициент вязкости сгущенного молока при t_k = 75^оС

Конструктивно принимаем L_н = 4,5 м; L_ц = 8 м

Тогда потери при длине:

h_l = л_n*(L_n/d_n)*(w_n²/2g) + л_ц*(L_ц/d_ц)*(w_ц²/2g) =

Рассчитываем напор насоса:

H = Дz + h_l+ h_m =

4.4 Полезная мощность насоса (N_п):

N_п = с_ср + g + H + V_c

с_ср - средняя плотность молока в процессе преобразования из цельного в сгущенное с сахаром

с_ср = 0,5*(962 + 962) = 962 м³/ч

V_c - объемный расход подаваемого молока.

V_c = S_н/с_н = 0,417/962 = 4,33*10^-4 м³/с.

Часовая подача

V_ч = 4,33*10^-4*3600 = 1,55 м³/ч.

проект однокорпусная выпарная установка

4.5 Полная мощность насоса (N):

N = N_n /з

4.6 Выбираем по Приложению в таблице 28 центробежный насос для подачи молока 36 МЦ 4-12 с основными параметрами:

N_дв = 600 Вт; V_ч = 4 м³/ч; Н = 12,5 м



5. Изоляционный расчет

5.1 Критерий Грасгофа:

Дt - средний температурный напор между поверхностью и воздухом.

н=15,1*10^-6 м²/с - кинематический коэффициент вязкости воздуха при t_в = 22^oC

По таблице физических свойств воздуха при t_в = 22^oC находим

Gr = 9,814,45³180,0034/15,1²10^-12=23210⁹

5.2. Произведение

Следовательно, имеет место турбулентный режим движения воздуха. Поэтому используем критериальное уравнение Нуссельта вида

5.3. Коэффициент теплопередачи конвекцией:

5.4. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи лучеиспускания (б_л) от наружной поверхности выпарного аппарата.

5.5. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи:

5.6. Средняя разность температур греющего пара и воздуха в цехе.

5.7. Удельные потери теплоты в окружающую среду

q = б₂*(t₂ - t_в)

5.8. Коэффициент теплоотдачи от пара к воздуху

5.9. Рассчитываем толщину слоя изоляции

В качестве изоляционного материала выбираем совелит

= 0,098 Вт/м град

= 1 мм с = 0,233 Вт/м град

= 0,098 (1 / 1,46 - 1 / 4,8085 - 0,001 / 0,233) = 0,046м = 46 мм

Принимаем



6. Расчет теплопотерь

6.1 Определяем изолированную суммарную боковую поверхность выпарного аппарата

F_бок = F_ц + F_пп + F_кон =2р*D_Н * Н + 2р*D_пп * Н_пп + 0,5р*(D_Н + d)*

где

6.2. Определяем потери теплоты с изолированной поверхности пастеризатора

Q^из_пот = q*F_бок = 86,553 * 32,14 = 2777,7 Вт

6.3. Коэффициент теплоотдачи от неизолированной поверхности

б_н = 9,74 + 0,07*Дt = 9,74 + 0,07*18 = 11 Вт/м²град

6.4. Определяем потери теплоты с неизолированной поверхности пастеризатора

Q^н_пот = б_н * F_н * (t₂ -t _в) = б_н р/4(D² + d²)*( t₂ -t_в) = Вт

6.5. Суммарные потери теплоты со всей поверхности теплообменника

Q_пот = Q^из _пот + Q^н_пот = 2777,7 += 3188,7 Вт

6.6. относительные потери теплоты составляют

Q_отн = Q_пот / Q = 3188,7 / 499,7*10³ = 0,00638 = 0,8%

Таким образом выполняется отношение Q_отн < 5%



7. Расчет барометрического конденсатора

Конденсатор является необходимым элементом оборудования выпарных установок, особенно работающих под вакуумом. Конденсаторы смешения бывают двух типов: мокрые и сухие, в первых смесь охлаждающей воды, конденсата неконденсирующихся газов отсасывается мокро - воздушным насосом. В сухих конденсаторах воздух отсасывается отдельным вакуум - насосом. Наибольшее распространение имеют сухие конденсаторы. В зависимости от взаимного направления потоков пара и воды различают конденсаторы противоточные и прямоточные. Первые более рациональны, так как в них получают конденсационную воду более высокой температуры, меньший объем отсасываемых газов с температурой, близкой к начальной температуре охлаждающей воды, что снижает расход мощности на привод вакуум-насоса. Наибольшее распространение имеют противоточные

конденсаторы смещения с барометрической трубой (барометрические конденсаторы). Тепловой расчет барометрического конденсатора состоит определении расхода охлаждающей воды и необходимого числа тарелок для конденсации вторичного пара, поступающего из выпарного аппарата.

7.1 Составляем уравнение теплового баланса и преобразуем его

W*i + G_в *c_в*t_в1 = (W+G_в) *c_в* t_в2

где с_в - средняя теплоемкость воды, неизменная в широком диапазоне температур, с_в = 4,19 кДж/кг*град

t_в1 = 15°С

t_в2 = t_п - 3 = 71 - 3 = 68°С

W*i + G_в *c_в* t_в1 =W * c_в*t_в2 + G_в *c_в*t_в2

W *(i - c_в*t_в2) + G_в *c_в*(t_в2- t_в1)

7.2 Определяем расход охлаждающей воды

G_в = W* (i - c_в*t_в)/с_в*(t_в2 - t_в1) =

7.3 Внутренний диаметр конденсатора

D_к = 0,331 м

Принимаем D_к = 331 мм

7.4 Определяем расстояние между каждой парой тарелок

= (Dк/2) + 50 = (331/2) + 50 = 215,5 мм

7.5 Определяем число тарелок

N = lg (t_n- t_в1/ t_n- t_в2) = 5

Принимаем фактическое число тарелок n = 5.

7.6 Определяем диаметр барометрической трубы

d_бт =

7.7 Определяем высоту водяного столба, соответствующую разрежению р = 0,393 ат = 299 мм.рт.ст.

Н₁= 10,33 * р/р_ат = 10,33*299/160 = 4,1м

Принимаем предварительно с учетом конструктивного запаса

Н₁ = 4,5 м.

7.8 Определяем режим движения воды в трубе

Re = щ_в *d_дт /v = 0,6*0,072/0,456*10^-6 = 94736,8

7.9 Коэффициент гидравлического трения для гладких труб

л = 0,3164/Re^0,25 = 0,3164/94736,8^0,25 = 0,018

7.10 Потери напора в барометрической трубе

H₂ = w²/2g*(2,5 + л* (H₁/d_бт)) = 0,064м

Принимаем конструкционный запас высоты трубы Н₃ = 0,5м

7.11 Определяем полную высоту барометрической трубы

Н_бт = Н₁+ Н₂+ Н₃ = 4,5 + 0,064 + 0,5 = 5 м

Принимаем Н_бт = 5 м

7.12 Диаметр штуцера для воды

d_в =

Принимаем d_в = 68 мм

7.13 Диаметр парового штуцера

d_в =

Принимаем d_п = 468 мм

7.14 Количество воздуха, отсасываемого вакуум - насосом конденсатора, определяем по эмпирической формуле

кг/ч

7.15 Температура отсасываемого воздуха

t_возд = t_в1 + 4 + 0,1*(t_в2 -t_в1) = 15 + 4 + 0,1 (68 - 15) = 24,3 °С

7.16 Абсолютное давление в конденсаторе

Р_а= 760 - 289 = 471 мм.рт.ст. = 471*133,3 = 62784 Па = 6278 кГ/м²

7.17 Парциальное давление пара при температуре воздуха находим по таблице №1 Приложения

Р_парц = 23,35 мм.рт.ст. = 23,35*133,3 = 3112,5 Па = 311 кГ/м²

7.18 Парциальное давление воздуха

Р_возд = р_а - р_парц = 6278 - 311 = 5967 кГ/м² = 58536 Па = 0,06 Мпа

7.19 Определяем объемный расход откачиваемого воздуха

V_ц= 29,27*G_возд *(273 + t_возд)/р_возд = м³/ч = 0,0032 м³/с

7.20 Диаметр воздушного штуцера

d_возд =4*V_C/рщ_ВОЗД = 0,0277 м

где щ_ВОЗД = 5 м/с - скорость откачки воздуха

Принимаем d_возд =35 мм

7.21 Мощность, потребляемая вакуум - насосом

N = 1/з_мех *m*p_возд*V_c /m - 1[(p₂/p₁)^m/m-1 - 1] =

где з_мех = 0,75 - механический КПД вакуум-насоса

m = 1,25 - показатель политропы

р₁ = 58539Па

р₂ = 1,05 кг/см² = 103005 Па



8. Экономический расчет

Целью расчета является определение основных затрат на монтаж и эксплуатацию однокорпусной выпарной установки.

8.1 Стоимость производственной площади, занимаемой пастеризатором:

С_плc_пл

Где - длина и ширина производственной площади, м²,

с_пл - нормативная стоимость 1м² производственной площади,

с_пл = 15000 тнг/м²

С_пл

8.2 Стоимость амортизации и ремонта установки:

С_а = с_а

Где с_а - стоимость амортизации и ремонта 1м² площади теплопередачи, с_а = 12000 тнг/м²

а - годовая норма амортизации и ремонта аппарата, а = 0,2

F - площадь теплопередачи, F = 13м²

С_а

8.3 Стоимость электроэнергии годовая

С_эл = с_элz₀

с_эл - нормативная стоимость 1кВт* часа электроэнергии, с_э= 7 тнг/кВт*час

N - установленная суммарная мощность электродвигателей,

N = N₁ + N₂ = 600 + 148567,5 = 19167 Вт = 19,16 кВт

И-число часов работы установки в сутки, И=7 ч

z₀ - среднее число дней в году, z₀ =260

С_эл

8.4 Стоимость тепло энергии годовая:

С_Т = p_Tz₀

p_T - стоимость1 Гкал теплоты, p_T = 2400 тнг/Гкал

Q - тепловая нагрузка ВА, Q = 152 кВт

С_т

8.5 Стоимость теплоизоляции, включающая доставку, налаживание, обслуживание:

С_из = с_из*(1+а_из)*F_из*д_из

С_из - нормативная удельная стоимость теплоизоляции, с_из = 3000 тнг/м³

а_из - норма амортизации по наложению и обслуживанию теплоизоляции, а_из = 0,3

F_из = 2,355 м²

д_из = 67 мм = 0,067м

С_из

8.6 Суммарная годовая стоимость эксплуатации и ремонта установки:

С= С_пл + С_а + С_эл + С_Т + С_из



Заключение

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей. В данной курсовой работе были произведены расчеты технических параметров многокорпусной выпарной установки для выпаривания KNO3. Получаемым продуктом является KNO3. Нами выбран центробежный насос для подачи бульона 36 МЦ 4 - 12 с основными параметрами

.

Спроектированная на основании расчетов и подборов однокорпусная выпарная установка позволяет проводить необходимые процессы с заданными параметрами.



Список используемой литературы

1. Еренгалиев А.Е., Масленников С.Л., Какимов А.К., Тусипов Н.О. - «Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств»

2. А. В. Логинов. Процессы и аппараты химических и пищевых производств (пособие по проектированию) / А.В. Логинов, Н.М. Подгорнова, И.Н. Болгова. - Воронеж: ВГТА, - 2003. - 264 с.

3. К. Ф. Павлов. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособ. для студ. химико-технол. спец. вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. - 8-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1976. - 552 с.

4. А. А. Лащинский. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский; Под ред. Н.Н. Логинова. - 2-е изд; перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1970. - 753 с.

5. Ю.И. Дытнерский, Г.С. Борисов, В.П. Брыков. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и допол. - М.: Химия, 1991. - 496 с.

6. Насосы и насосные установки пищевых предприятий: Учеб. пособие / А.В. Логинов, М.Н. Слюсарев, А.А. Смирных. - Воронеж: ВГТА, 2001. - 226 с.

7. А. Г. Кааткин Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов.- 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. С изд. 1973г.- М.: ООО ТИД "Альянс", 2004.-753с.

Размещено на Allbest.ru

...