Экстрактор

Задание

 

Однокорпусный выпарной аппарат с трубчатой  поверхностью нагрева и центральной циркуляционной трубой.

Произвести  тепловой, механический, конструктивный и гидравлический расчеты и выполнить чертежи аппарата для конструкции бульона по следующим данным:

 

Производительность по сырью
Начальная концентрация
Конечная концентрация
Начальная температура продукта
Давление греющего водяного пара
Разрежение в аппарате
Депрессия
Длительность процесса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В настоящее время аппаратурное оформление пищевых производств достигло значительного технического совершенства на базе последних научных исследований, общего технического прогресса и автоматизации производственных процессов, особенно широко стали использоваться в пищевой технологии достижения физики.

Техника высоких давлений, вакуума, глубокого  охлаждения, ультразвука, мембранного разделения заняла место в пищевой промышленности. Эти задания успешно решаются на основании данных науки процессы и аппараты пищевых производств.

Процессы  пищевой технологии представляют соединение    гидродинамических,    тепловых,    массообменных, биохимических  и механических процессов.

В данной работе проводится расчёт вакуумного выпарного аппарата для выпаривания  бульона.

Целесообразно построенный аппарат должен удовлетворять  эксплуатационным, конструктивным, эстетическим требованиям и требованиям техники  безопасности.

В настоящее  время при конструировании аппаратов  для достижения оптимальных показателей  ведутся работы по снижению энергоемкости  и увеличению интенсивности процессов, проходящих в аппаратах, по снижению материалоёмкости при производстве аппаратов, а также уменьшению габаритных размеров.

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание и теоретические основы процесса выпаривания. Обоснование выбора аппарата. Литературный обзор.

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

При выпаривании  обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально  отличается от испарения, которое, как  известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических  продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим или первичным.

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и  атмосферном давлениях. Выбор давления, связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определённые преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением: давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании  под вакуумом становится возможным  проводить процесс при более  низких температурах, что важно в  случае концентрирования растворов  веществ, склонных к разложению при  повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим  агентом и раствором, что позволяет  уменьшить поверхность нагрева  аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривания под вакуумом можно использовать греющий агент более низких paбочих параметров (температура и давление. Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) для продуктов с невысокими теплофизическими свойствами.

Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.

Вторичный пар, отбираемый из аппарата, называют экстрапаром. Отбор экстрапара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением связанно с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а  иногда и выпаривание, под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т.е. создать, необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Экономия  первичного пара (и соответственно топлива) может быть достигнута также  в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового насоса (например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат для выпаривания раствора.

Концентрация раствора в выпарном аппарате периодического действия приближается к конечной лишь в конце периода процесса. Поэтому средний коэффициент теплопередачи здесь может быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, где концентрация раствора ближе к конечной в течение всего процесса выпаривания.

Современные выпарные установки имеют очень  большие поверхности нагрева (иногда превышающие 2000 м² в каждом корпусе) и являются крупными потребителями тепла.

В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря  наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Для  большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют  с удлиненными трубками (3-3,5 м).

Выпарной  аппарат с центральной циркуляционной трубой

     Для упаривания кристаллизующихся  растворов применяют аппараты  с коническим днищем с углом  наклона больше угла естественного  откоса кристаллизующейся массы. 

Некоторое распространение имеют пленочные  аппараты с однократной циркуляцией  раствора. Основная особенность этой конструкции заключается в возможности  снижения потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. Подаваемый в нижнюю часть трубок аппарата раствор вскипает; при этом образуется много паровых пузырьков, увлекающих за собой раствор. Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок, ударяется о поверхность сепаратора с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой к периферии, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Таким образом, выпаривание происходит в тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки (более 5 м) возможны разрыв и высыхание пленки жидкости в верхней части трубки с понижением при этом коэффициента теплоотдачи.

Проведенные специальные заводские опыты  показали, что пленочные аппараты не характеризуются большой интенсивностью теплоотдачи при кипении. Некоторым  преимуществом пленочного аппарата является однократная циркуляция с  быстрым прохождением раствора через  трубы, что предохраняет растворы, чувствительные к высокой температуре, от порчи. Недостатки этих аппаратов: значительная длина трубок, затрудняющая ремонт, малая аккумулирующая способность, не обеспечивающая постоянную производительность и затрудняющая получение раствора равномерной концентрации. Труба, отводящая  упаренный раствор на следующий  корпус, должна иметь гидравлический затвор соответствующей высоты для  предотвращения возможного прорыва  пара в трубное пространство следующего корпуса. Эти аппараты дороже обычных  вертикальных аппаратов.

  Аппарат  с однократной циркуляцией раствора 

Выпарной  аппарат с выносной поверхностью нагрева целесообразно применять  для пенящихся растворов, так  как в основном в нем происходит самоиспарение перегретой в трубах жидкости при поступлении ее в сепаратор. При этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при достаточных размерах сепаратора не происходит уноса капелек жидкости и пены со вторичным паром.

   Выпарной аппарат с выносной  поверхностью нагрева 

  В  некоторых случаях применяют  аппараты с принудительной циркуляцией.  В этих аппаратах жидкость  движется по трубкам с большой  скоростью (2—3 м/с) под давлением;  зона кипения находится у верхнего  конца трубок. Благодаря значительной  скорости движения раствора в  трубках отложения на поверхности теплообмена меньше, чем в обычных вертикальных аппаратах. Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно применять в определенном интервале тепловых нагрузок и, главным образом, при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих условиях достигается более высокий коэффициент теплоотдачи к кипящей жидкости, чем в обычных аппаратах, что позволяет соответствующим образом уменьшить поверхность нагрева аппарата по сравнению с вертикальным аппаратом с естественной циркуляцией раствора. С другой стороны, на привод циркуляционного насоса требуются довольно значительные затраты мощности, поэтому целесообразность применения подобных аппаратов следует обосновать соответствующим технико-экономическим расчетом.

  Аппарат  с принудительной циркуляцией 

  Выше  указано, что в ряде случаев  целесообразно проводить упаривание  растворов в тонкой пленке  в роторных аппаратах; особенно  это касается вязких и термолабильных растворов. Раствор подается дозировочным насосом в верхнюю часть аппарата, откуда он стекает в виде тонкой пленки по внутренней стенке цилиндрического корпуса. Теплоноситель (вода, пар, дифенильная смесь) подается в рубашку аппарата. При отекании по стенке аппарата раствор захватывается лопатками и приводится в движение; при этом образуется пленка, отталкиваемая центробежной силой к внутренней стенке аппарата. Полученную на стенках пасту лопасти снимают и направляют на дно; затем паста удаляется через патрубок и секторный затвор. Окружная скорость ротора 2—3,5 м/с. Аппарат характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи. Незначительное время пребывания раствора в аппарате (10—15с) обеспечивает высокое качество продукта, что особенно важно для термолабильных растворов. Расход мощности на привод ротора при диаметре аппарата 600 мм составляет 3,0 кВт. Наряду с положительными качествами аппарат имеет некоторые недостатки — небольшую поверхность нагрева, а потому и сравнительно малую   производительность. Наличие вращающегося ротора усложняет и удорожает аппарат. Кроме того, трудно обеспечить малые и одинаковые зазоры между лопастями и корпусом аппарата.

По техническому заданию выпарной аппарат установлен в линии по производству сухого бульона, т.к. производительность по исходному  сырью составляет 0,32кг/с, а концентрированный  бульон является промежуточным продуктом, с целью увеличения коэффициента теплопередачи используется однокорпусный выпарной аппарат с трубчатой поверхностью нагрева и центральной циркуляционной трубой.

Данный  аппарат с циркуляцией раствора включают в себя греющую камеру, циркуляционную трубу, сепаратор и брызгоуловитель (в верхней части сепаратора). Циркуляционная труба может быть размещена в основной (центральной) части греющей камеры или отдельно от греющей камеры.

 

 

 

 

 

 

 

2. Требования, предъявляемые к выпарным аппаратам.

Целесообразно построенный аппарат должен удовлетворять  эксплуатационным, конструктивным, эстетическим, экономическим требованиям и требованиям техники безопасности.

2.1Эксплуатационные требования

Соответствие аппарата целевому назначению. Целевое назначение аппарата заключается в создании им условий, оптимальных для проведения процесса.

2.2Высокая интенсивность работы аппарата.

Интенсификация  может быть достигнута, например, путем  замены периодических процессов  непрерывными: при этом ликвидируются затраты времени на вспомогательные операции, становится возможной автоматизация управления. Также можно увеличить площадь теплообмена путем увеличения трубок и т.д.

2.3Устойчивость материала аппарата против коррозии. Материал, из которого построен аппарат, должен быть устойчивым при воздействии на него обрабатываемых сред. В свою очередь, продукты взаимодействия среды и материала не должны обладать вредными свойствами в том случае, если продукт используется для питания.

2.4Малый расход энергии. Энергоемкость аппарата характеризуется расходом энергии на единицу перерабатываемого сырья или выпускаемой продукции.

2.5Доступность для осмотра, чистки и ремонта. Для правильной эксплуатации аппарата его подвергают систематическим осмотрам, чистке и текущему ремонту. Конструкция аппарата должна обеспечивать возможность производить эти операции без длительных остановок.

2.6Надежность аппарата обусловливается его безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью. Надежность и долговечность — показатели, имеющие большое значение и определяющие целесообразность устройства аппарата.

2.7Требования техники безопасности. Эргономика

Для удобства обслуживания аппарата и наблюдения за процессом предусмотрена лестничная площадка.

Для удобства обслуживания управление аппаратом  должно производится из одного пункта, где установлен пульт управления.

Также должны быть обеспечены высокие санитарно-гигиенические условия, предотвращающие возможность инфицирования продукции или загрязнения ее продуктами воздействия среды и материала, из которого построен аппарат.

2.8Конструктивные и эстетические требования

К этой группе относятся стандартность и заменяемость деталей аппарата; наименьшая трудоемкость при сборке; удобство транспортирования, разборки и ремонта; минимальная масса как всего аппарата, так и его отдельных частей.

Рассмотрим  требования, предъявляемые к массе  аппарата. При конструировании аппаратов цилиндрической формы следует выбирать такое отношение высоты к диаметру. Расход металла может быть уменьшен также при замене плоских крышек выпуклыми, клепаные конструкции заменяют сварным.

Аппарат должен иметь по возможности приятную для взгляда форму и окраску.

2.9Экономические требования

При проектировании аппарата необходимо стремиться к тому, чтобы процесс, протекающий в нем, осуществлялся в оптимальном варианте. Задача оптимизации заключается в том, чтобы выбрать такой вариант, при котором величина, характеризующая работу аппарата (критерий оптимальности), имела оптимальное значение. В качестве критерия оптимальности выбирается стоимость продукции.

 

 

3.Описание конструкции аппарата, выбор материалов для его изготовления.

 

Греющий пар (ГП) попадает в межтрубное пространство в верхней его части (патрубок d=114мм). Пар конденсируясь на поверхности трубок и циркуляционной трубе  обогревает продукт.

Продукт попадает в аппарат через патрубок d=25мм. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, поэтому кипящий продукт движется по по кипятильным трубкам вверх. Движение бульона вниз происходит в циркуляционной трубе, в ней жидкость в силу большого объема, а следовательно холоднее кипящей.

Для всех деталей аппарата не контактирующие с продуктом выбирается сталь Ст3, а для остальных деталей принимаем сталь 12Х18Н10Т.

рис1.Общий вид выпарного аппарата

Вторичный пар выходит из аппарата через  патрубок в крышке аппарата. При  этом во избежание попадания конденсата вторичного пара в кипящую жидкость ставят конденсатор с которого он стекает в улавливатель. Конденсатор приваривается к крышке аппарата с помощью лап крепления.

Подвод  теплоты к раствору, кипящему в  трубах греющей камеры, осуществляется за счёт подачи в межтрубное пространство конденсирующегося водяного пара. Сепаратор  служит для разделения парожидкостной смеси, выходящей из нагревательных труб, на раствор и пар. Для более полной очистки вторичного пара от уносимых им капель раствора в  верхней части сепаратора устанавливается брызгоуловитель.

Работа  простейшего брызгоуловителя основана на многократном изменении величины и направления скорости парового потока. Под действием инерционной силы капли жидкости достигают поверхности сепаратора и стекают вниз либо по стенкам, либо по специальной отводящей трубе.

Наличие циркуляционной трубы обеспечивает направленную естественную циркуляцию раствора: вниз по циркуляционной трубе  и вверх – по кипятильным трубам. Циркуляция обусловлена разностью  плоскостей парожидкостной смеси (в  кипятильных трубах) и раствора (в  циркуляционной трубе). Даже при центральном  расположении циркуляционной трубы  устанавливается достаточно интенсивная  естественная циркуляция за счёт разности плотностей.

Для труб с большим диаметром удельная поверхность теплопередачи меньше, а значит, меньше доля паров, образующихся при кипении раствора. Следовательно, плотность парожидкостной смеси  в широкой центральной циркуляционной трубе заметно больше, нежели в  узких нагревательных трубках.

 

 

 

4. Расчет аппарата.

4.1 Материальный расчет

Из уравнения  материального баланса определяем производительность аппарата по готовому продукту G2 (выход продукта) и количество испаренной влаги в процессе обработки продукта W:

4.2 Тепловой расчет

Из уравнения  теплового баланса процесса выпаривания  определяем расход пара:

где с  – теплоемкость продукта, кДж/(кг·К);

  – температура кипения продукта при Р₂, °С;(табл.11[1])

 r – теплота испарения при давлении в аппарате, кДж/(кг·К);

 – потери тепла в окружающую  среду, кВт

– энтальпия греющего пара и  конденсата кДж/кг;

Температура кипения продукта рассчитывается по формуле:

где: температура насыщения при давлении в аппарате

(по табл.11[1] = 93,51˚С):

 –  депрессии (из условия)

Потери  в окружающую среду принимаем 3-8% от .

Определяем  :

Расход  пара:

где - энтальпия пара и конденсата, соответственно, при заданном давлении в аппарате. (табл.11[1])

Удельный  расход пара:

 

 

Поверхность теплообмена:

K –коэффициент  теплопередачи;

– средняя разность температур.

Составляем  температурную схему нагрева  продукта от t_н до t_к конденсирующем паром с температурой t_п.

При 

Следовательно, ведем расчет по формуле:

=

Находим температуру пленки конденсата:

=(123,71+119,71)/2=121,71

Где

= - 123,71-4=119,71

 принимаем 4^oС

Коэффициент теплопередачи вычисляется по формуле:

где: – коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стене кипятильной трубы;

 – коэффициент теплопередачи  от трубы к продукту , ;

– вычисляется по формуле, :

;

где – высота трубы, равная 1,1м;

– разность температур стенки и  пара, принимаем 4°С;

 – динамический коэффициент  вязкости конденсата, равный 

= ρ*υ=941,68 0,24 10^-6=0,000226

где υ-кинематическая вязкость конденсата (табл.12[1]), м²/с

ρ – плотность  конденсата, равна 

ρ =943,1-(943,1-934,8)/10*1,71=941,68 кг/м³

 – теплопроводность конденсата, равная 0,686 Вт/(кг·К)

Теплоотдача при кипении изучена недостаточно. Поэтому коэффициент теплоотдачи  от стенки кипятильной трубы к  продукту может быть определен:

_{где Δt=tп-4-tкип=123,71-4-95,51=24,2}

Коэффициент теплопередачи равен:

Расчетный коэффициент теплопередачи с  учетом коэффициента использования  поверхности теплообмена φ,

Тогда общая  площадь теплообмена равна:

 

4.3 Конструктивный расчет

Из теплового  расчета известна площадь теплообмена, но с другой стороны:

где d – диаметр кипятильных труб;

 l – длина труб (выбрана 1,1м)

 n – количество труб.

Находим количество труб в аппарате:

принимаем общее число труб – 127шт.Труба dн=32мм, dв=27мм δ=2,5мм ГОСТ8732-70

Уточняем  длину труб

Вычисляем шаг между трубами:

_{Принимаем шаг равный 45мм}

Вычисляем диаметр циркуляционной трубы, он составляет 25-30 % от суммарного сечения всех кипятильных труб:

Диаметр корпуса аппарата вычисляется по формуле:

где – диаметр циркуляционной трубы;

  – коэффициент использования трубной решетки

  –угол равностороннего треугольника, образованного тремя трубками,

t –шаг между трубками;

 

Принимаем диаметр корпуса аппарата равным 0,6 м.

Объем парового пространства:

где W –  количество выпаренной воды, кг/с;

  – допустимое напряжение парового пространства;

Приближенно:

,

где – значение допустимого напряжения парового пространства ;

f₁ и f₂ – коэффициенты, зависящие от давления вторичного пара в паровом объеме и от уровня раствора над точкой ввода парожидкостной смеси.

Воды:   

4.4 Механический расчет аппарата

Толщина стенки корпуса:

м

где – внутреннее избыточное давление, (задано по условию),МПа;

  – допускаемое напряжение в МПа, (для стали марки Ст3 принимаем );

  – коэффициент прочности сварного шва

 с – прибавка на коррозию с=0,001м;

Принимаем стандартный листовой прокат ГОСТ8732-70:

Толщина стальной трубной решетки:

Принимаем толщину трубной решетки 15мм.

Находим высоту парового пространства по формуле:

_{т.к. Н≈2Dк, то Н=2 0,6=1,2м}

4.5 Расчет патрубков аппарата.

Патрубок  для подвода греющего пара:

Принимаем (табл.11[1]),значение (находим по таблице), тогда: