Двухкорпусная вакуум-выпарная установка производительностью 4,2 кг/с. 2

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И  ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовому проекту по процессам  и аппаратам на тему:

«Двухкорпусная вакуум-выпарная установка

производительностью 4,2 кг/с»

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАЛ СТУДЕНТ группы 3ПТ

Лахова Инна Александровна

 

 

РУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА

Фёдоровов Константин Михайлович

 

 

ПРОЕКТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ

 

 

 

 

 

 

 

2011

Содержание

	Стр.
1. Задание на проектирование	3
2. Введение	4
3. Принципиальная схема установки и ее описание	6
4. Технологический расчет	8
4.1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов	8
4.2. Концентрации упариваемого раствора	8
4.3. Температуры кипения растворов	9
4.4. Определение тепловых нагрузок	12
5. Расчет вспомогательного оборудования	13
5.1. Расчет барометрического конденсатора	13
5.1.1. Расчет расхода охлаждающей воды	13
5.1.2. Расчет диаметра конденсатора	13
5.1.3.Расчет высоты барометрической трубы	14
5.2. Расчет производительности вакуум-насоса	15
5.3. Расчет теплообменника	16
6. Техническая характеристика установки	17
7. Вывод	18
8. Список использованной литературы	19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание на проектирование

 

Спроектировать двухкорпусную  выпарную установку для концентрирования водного раствора продукта от начальной  концентрации х_н до конечной х_к при следующих условиях:

1) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р_гп;

2) давление в барометрическом  конденсаторе Р_бк;

3) взаимное направление пара  и раствора – прямоток;

4) отбор экстрапара не производится.

 

Исходные данные:

G_н – производительность установки по исходному продукту;

х_н – начальная концентрация сухих веществ в продукте;

х_к – конечная концентрация сухих веществ в продукте;

Р_бк– абсолютное давление в барометрическом конденсаторе;

t₁ – начальная температура продукта, поступающего на сгущение;

t – начальная температура охлаждающей воды;

P_гп– давление греющего пара;

G_н = 4,2 кг/с

x_н = 11%

x_к = 53%

P_бк = 18,20 кПа

t₁ = 10°C

t₂ = 19°C

P_гп = 1,1 кг/см²

Выпарной аппарат – с естественной циркуляцией и соосной греющей  камерой (тип 1, исполнение 2);

Продукт – М – молоко;

Количество корпусов – 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Введение.

При кипении растворов нелетучих  веществ в пары переходит практически  только растворитель. По мере его испарения  и удаления в виде  паров концентрация раствора повышается. Процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении, называется выпариванием.

Испарение при температурах ниже температуры  кипения данного раствора происходит с его поверхности, в то время  как при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего раствора, что значительно интенсифицирует процесс удаления растворителя из раствора.

Обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в  применяемых для выпаривания  аппаратах вещество должно оставаться в текучем состоянии. В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора. При дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т.е. выделение из него твердого вещества.

Процесс выпаривания широко применяется  для повышения концентрации разбавленных растворов, выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации, а иногда - для выделения растворителя.

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту  от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаше всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным.

Таким образом, выпаривание  является типичным процессом переноса теплоты: от более нагретого - греющего пара к кипящему раствору.

Выпаривание проводят при  атмосферном давлении, под вакуумом или под давлением, больше атмосферного. Образующийся при выпаривании растворов пар называют вторичным или соковым.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению  с атмосферной выпаркой снижается  температура кипения раствора, что  дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически  нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата, несколько снижаются потери теплоты в окружающую среду (так как снижается температура стенки аппарата), появляется возможность использования  теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам выпаривания под вакуумом относятся удорожание установки (так как требуется дополнительное оборудование - конденсатор, вакуум-насос и др.),  а также несколько больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раствором происходит увеличение теплоты испарения растворителя).

При выпаривании под  повышенным давлением (выше атмосферного) вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента на различные технологические нужды.

 

3. Принципиальная схема установки и ее описание.

В пищевой промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

 

Рис. 1. Принципиальная схема двухкорпусной  выпарной установки: 1 - емкость исходного раствора; 2, 10 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4,6 - выпарные аппараты; 7 - барометрический конденсатор; 8 - вакуум-насос; 9 - гидрозатвор; 11 - емкость упаренного раствора; 12 – конденсатоотводчик

 

Принципиальная схема двухкорпусной  выпарной установки показана на рис. 1. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем - в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 6. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9, Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью  конденсатоотводчиков 12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Технологический расчет.

4.1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов.

 

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

 

 

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

Производительность установки  по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

 

 кг/с.

 

4.2. Концентрации упариваемого раствора.

 

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

 

w₁:w₂ = 1,0:1,1.

Тогда:

 

 кг/с;

 кг/с.

 

Далее рассчитываются концентрации растворов в корпусах

 

;

.

 

4.3. Температуры кипения растворов.

 

Общий перепад давлений в установке  равен

 

.

 

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах можно определить следующим образом:

 

;

.

 

Давление пара в барометрическом  конденсаторе

 

 

что соответствует заданному значению Р_бк.

 

 

 

 

 

 

По давлениям паров находим  их температуры и энтальпии:

 

	Р, Па	t, °С	i, кДж/кг
в.п1 в.п2		102,5 87,5 58	2680 2655,5 2605,2

 

Поскольку для определения t_кип мы используем t_вт.п над раствором, гидродинамическую депрессию считать не нужно.

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

 

,

 

где Н - высота кипятильных труб в аппарате, 4 м; - плотность кипящего раствора, кг/м³; - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), 0,5 м³/м³.

Плотность растворов по корпусам можно  рассчитать по следующей зависимости:

 

,

где x – средняя концентрация продукта в корпусе.

 

;

;

 кг/м³;

 кг/м³.

 

Давление в среднем слое кипятильных  труб корпусов (в Па) равны:

 

;

  .

 

Этим  давлениям соответствуют следующие  температуры кипения и теплоты испарения растворителя

 

Рср, Па	t, °С	r, кДж/кг
	91,5 68,5	2278,2 2336,5

 

;  ;

;  .

 

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ^оС)

 

;

.

 

Сумма гидростатических депрессий

 

.

 

Определим температурные депрессии  по корпусам

 

.

;

.

 

Сумма температурных депрессий

 

.

 

 

Температуры кипения растворов  в корпусах

 

.

;

.

 

Полезная разность температур

 

;

.

 

4.4. Определение тепловых нагрузок.

 

Расход греющего пара в 1-й корпус D, производительность каждого корпуса по выпаренной воде W, тепловые нагрузки по корпусам Q и удельный расход греющего пара d определяются по следующим уравнениям:

 

кДж/с;

кг/с;

кг/кг;

кДж/с.

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с Концентрация растворов, х, % Давление греющих паров, Ргп, Па Температура греющих паров, tгп, °С Температурные потери, , град Температура кипения раствора tк, °С Полезная разность температур, , град	1,59 14,35 1,1·105 102,5 4,76 92,26 10,24	1,74 35,35 0,64·105 87,5 12,46 70,46 17,04

 

5. Расчет вспомогательного оборудования.

5.1. Расчет барометрического конденсатора

 

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20°С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

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

 

5.1.1. Расход охлаждающей воды

 

Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:

 

.

t_к=58 - 3 = 55ºС;

t₁= t_н = 10ºC;

кг/с

 

где I_бк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; t_н - начальная температура охлаждающей воды, °С; t_к - конечная температура смеси воды и конденсата, °С; (t_к = t_бк – 3).

Разность температур между паром  и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров.

 

5.1.2. Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяют из уравнения расхода

 

,

где - плотность паров, кг/м³; - скорость паров, м/с.

кг/м³ при t_бк=58ºС;

м/с

м/с.

Принимаем согласно ГОСТу диаметр  барометрического конденсатора

d_бк = 1000 мм.

 

5.1.3. Высота барометрической трубы.

 

В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической трубы d_бт равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе

 

м/с

 

Высота барометрической трубы

 

,

 

где B - вакуум в барометрическом конденсаторе, - сумма коэффициентов местных сопротивлений, - коэффициент трения в барометрической трубе;   0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

 

где и  - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.

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

.

;

.

Для гладких труб

.

;

м.

 

5.2. Расчет производительности вакуум-насоса.

 

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

 

кг/с,

 

где - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

Объемная производительность вакуум-насоса равна

 

,

 

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К); М_возд – молекулярная масса воздуха, кг/ кмоль; t_возд – температура воздуха, ºС; Р_возд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

 

 

 

 

 

Давление воздуха равно

 

,

где P_п – давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд.

 

.

 

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление , подбираем вакуум – насос типа ВВН – 6 мощностью N = 12,5 кВт.

 

5.3. Расчет теплообменника.

 

Необходимую поверхность теплопередачи  определяем из основного уравнения теплопередачи:

 

.

x₁ = 1,05;

 Коэффициент теплопередачи принимаем  равным К=1000Вт/(м²·К),

 

Дж.

 

 – среднелогарифмическая  разница температур, рассчитывается  по формуле:

.

;

;

;

м².

 

     6. Техническая характеристика установки

 

По ГОСТ 11987-81 выбрали выпарной аппарат  со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность  теплообмена, Fн	40 м2
Диаметр греющей камеры, D	600 мм
Диаметр трубы, d	38x2 мм
Диаметр сепаратора, D1	1200 мм
Диаметр циркуляционной трубы, D2	400 мм
Высота аппарата, H	12500 мм
Масса аппарата, M	4700 кг

 

Техническая характеристика вакуум-насоса:

Типоразмер	ВВН - 6
Остаточное давление, мм рт. ст.	38
Производительность, м3/мин	6
Мощность на валу, кВт	12,5

 

7. Вывод

 

Рассчитанная двухкорпусная установка  непрерывного действия:

теплообменник – кожухотрубный;

выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой;

барометрический конденсатор;

вакуум – насос.

Установка предназначена для упаривания молока с начальной концентрацией 11% до концентрации 53%; производительность по исходному раствору 4,2 кг/с

 

8. Список использованной литературы.

 

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн.

М.: Химия, 1991. 496 с.

2. Федоров К.М. Процессы и аппараты пищевых производств. Методические указания по курсовому проектированию для студентов всех специальностей всех форм обучения, часть 2.

СПб, 2008. – 38с.