Обоснование параметров процессов и аппаратов при переработке с/х продукции

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ              ДЕПАРТАМЕНТ КАДРОВОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ»

   Факультет: “ ПСХП”

                             Кафедра: “ МТП и ПСХП”

                                              Дисциплина: ”Процессы и аппараты”

КУРСОВАЯ РАБОТА

(расчетно-пояснительная записка)

Тема: «Обоснование параметров процессов и аппаратов

при переработке с/х продукции»

Выполнил студент:

Руководитель:  Назаров И.В.                                

Зерноград - 2011

Аннотация

В курсовой работе, выполненной на 30 страницах пояснительной записки формата А4 и двух листах графической части формата А1, представлен теплообменник, используемый в пищевом производстве, в технологической части курсовой работы дан обзор теплообменников и на его основе подобран проектируемый аппарат. В конструкторской части работы выполнены тепловые расчеты и расчет конструкции рабочих органов.

ВВЕДЕНИЕ

Современное учение о процессах и аппаратах опирается на прочный фундамент химии, физики, математики, ряда инженерных и экономических дисциплин — механики, теплотехники, электротехники, технической кибернетики, материаловедения, промышленной экономики и других смежных областей знания, которые являются базой курса. Однако как наука учение о процессах и аппаратах имеет свой ясно очерченный предмет, свои экспериментальные и расчетные методы и теоретические закономерности.

Любой технологический процесс, несмотря на различие методов, представляет собой ряд взаимосвязанных типовых технологических стадий, протекающих в аппаратуре определенного класса. Однако высокие требования к качеству продукции, эффективности производства, снижению его энерго- и материалоемкости, охране окружающей среды определяли специфику, отличающую эти технологические стадии получения пищевых продуктов и аппаратурно-технологическое оформление от подобных процессов в других отраслях народного хозяйства.

Процессы пищевой технологии в большинстве своем значительно сложны и зачастую представляют собой сочетание гидродинамических, тепловых, массообменных (диффузионных), биохимических и механических процессов.

Инженер и технолог пищевой промышленности должны быть
специалистами с широким инженерным кругозором, понимающими научные принципы аппаратурно-технологического оформления процессов,
умеющими оценить основные технико-экономические характеристики
оборудования и выбрать оптимальные, выявить резервы повышения
интенсивности и экономичности процессов, снижения расходных норм и
себестоимости продукции. Они должны также владеть методами научных исследований  для повышения эффективности производства.

СОДЕРЖАНИЕ

Задание на курсовую работу             

Аннотация             

Содержание             

Введение             

1. Технологическая часть             

1.1. Свойства продукта и технологическая схема его обработки             

1.2. Обзор существующих конструкций аппаратов             

2. Проектирование аппарата             

2.1. Конструкция и рабочий процесс проектируемого аппарата              

2.2. Расчетная часть              

3. Охрана труда при обслуживании кожухотрубного теплообменника             

Список используемой литературы              

Приложение              

1.                  Технологическая часть.

1.1. Свойства продукта и технологическая схема его обработки

Теплообмен – самопроизвольный, необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) – энергетическая характеристика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой в процессе теплообмена.

Теплообменные процессы – это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

В процессах теплопередачи участвует не менее двух сред (веществ) с различными температурами. Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется горячим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту, называется холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагенты должны быть химически стойкими, не вызывать коррозии аппаратуры, не образовывать отложений на стенках аппаратов. В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов – аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса, стоимостью.

К теплообменным относят такие технологические процессы, скорость которых определятся скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация.

Свекловичный сок.

Очищенный сок II сатурации должен быть сгущен до концентрации густого сиропа. При этом содержание сухих веществ в нем увеличивается с 14—16 до 65—70%. Процесс сгущения сока осуществляется в выпарных установках, состоящих из отдельных корпусов (выпарных аппаратов).

Сульфитированный очищенный сок (рисунок 3) перед сгущением нагревают под давлением в многоходовых теплообменниках 15 до температуры кипения (126 0С) и направляют в первый корпус 7 выпарной установки, где из него выпаривается часть воды. Из I корпуса сок последовательно переходит во II, III, IV корпуса и концентратор К, где он сгущается до плотности сиропа 60...65 % СВ. Сироп смешивают с клеровкой сахара II и III кристаллизации, сульфитируют, нагревают до 85...90 °С, фильтруют и подают на уваривание утфеля I кристаллизации.

1 – конденсатор; 2 – турбина; 3 – клапан; 4 – редукционно-охладительное устройство; 5, 12, 14 – насос; 6 – паросборник; 7 – корпус; 8 – предконденсатор;    9 – основной конденсатор; 10 – каплеловушки; 11 – сборник барометрической воды; 13 – регулятор уровня сока; 15 – теплообменник.

Рисунок 3 – Схема четырехкорпусной выпарной установки

с концентратором

Для обогрева I корпуса и теплообменников сока последней группы перед выпарной установкой используют отработавший пар паровых турбин и редуцированный пар паровых котлов (технологический пар), смесь которых отбирают из парового коллектора 6.Перегрев технологического пара ликвидируют, распыляя воду в потоке перегретого пара с помощью редукционно-охладигельного устройства (РОУ) 4.

Отработавший пар из паросборника б поступает только в паровую камеру I корпуса, а следующие корпуса обогреваются вторичным паром предшествующих корпусов, который предварительно освобождается в сепараторах от капель сока. В концентраторе происходит самоиспяроние воды за счет перепада давления. Избыток вторичного пара из IV корпуса, по каким-либо причинам не израсходованный на другие технологические нужды, поступает в паровую камеру концентратора. Часть вторичного пара из корпуса I можно вернуть с помощью пароструйных насосов 5 в паросборник 6 и использовать в качестве греющего пара в I корпусе.

Многократное использование теплоты в пара в выпарной установке возможно лишь при условии, что температура кипения сока, а следовательно, и давление в корпусах будут понижаться от первого к последнему. Для создания разности давлений I корпус обогревают отработавшим в турбине паром с избыточным давлением 0,3...0,35 Ml 1а и температурой 132 °С. Концентратор через вакуум - конденсационную установку соединен с вакуум - насосом. В результате конденсации вторичного пара в вакуум - конденсационной установке создается остаточное давление 0,017...0,021 МПа, что обеспечивает кипение сока в последнем корпусе выпарной установки при температуре около 90 °С, а в I при 126°С.

Примерное распределение давления греющего и вторичных паров и рекомендуемый температурный режим в четырехкорпусной выпарной установке с концентратором приведено в таблице 2

Температуру и давление в корпусах выпарной установки поддерживают на определенном уровне в зависимости от соотношения размеров площади поверхности теплообмена этих корпусов, пароотбора на технологические нужды и вакуума, создаваемого в вакуум - конденсационной установке.

Полезная разность температур в 1 и II корпусах принимается не менее    6 °С, в последующих - 10,..12 °С. Увеличение полезной разности температур в последних корпусах вызвано необходимостью повышения коэффициента теплопередачи, что обусловлено увеличением вязкости сгущаемого сока. Чем больше в выпарном аппарате с многократной естественной циркуляцией температурный перепад между греющим паром и кипящим соком, тем выше скорость циркуляции сока и коэффициент теплопередачи, тем меньше размеры аппарата, а также длительность пребывания в нем сока и накипеобразование.

Таблица 2 - Примерное распределение давления греющего и вторичных паров

Например на некоторых сахарных английских заводах температуру греющего пара в первом корпусе повышают до 163°С, а температуру кипения сока оставляют не выше 130°С. В результате увеличения полезной разности температур в I корпусе до 33°С в 4 раза сокращаются площадь поверхности теплообмена и продолжительность пребывания сока в нем по сравнению с I корпусом выпарной установки, обогреваемым паром температурой 132 °С. Однако увеличение температуры греющего пара в I корпусе возможно только при совершенствовании конструкции выпарных аппаратов, исключающей пригорание сахара на поверхностях теплообмена.

При сгущении термически устойчивого сока и правильной эксплуатации температуру кипения в четырехкорпусной выпарной установке можно повысить на несколько градусов без увеличения потерь сахарозы и ухудшения качества сахара. Например, на Лохвицком сахарном заводе выпарная установка длительное время работает при температуре кипения сока в I корпусе 132°С, что не влияет на нарастание цветности сока и разложение сахарозы, так как сократилась продолжительность пребывания сока в выпарных аппаратах. А повышение температуры вторичных паров дало возможность перенести отбор пара с первых корпусов на последние.

1.2. Обзор существующих конструкций аппаратов

Различают следующие группы конструкций теплообменников: элементные, с рубашками, кожухотрубные, погружные трубчатые, оросительные и с плоскими поверхностями нагрева.

Теплообменники с рубашками. Имеют двойные стенки разнообразной конфигурации, через которые происходит теплообмен. Скорость движения теплоносителей в рубашках мала, и потому теплообмен не очень интенсивен. Часто для его интенсификации в теплообменники встраивают мешалки.

В аппаратах полного смешения организуется перемешивание теплоносителя в объеме аппарата; это приводит к выравниванию температур в объеме.

В аппаратах полного вытеснения (рис. 25.2) полностью отсутствует перемешивание данного теплоносителя. Новые его порции, поступающие в аппарат, вытесняют старые, не смешиваясь с ними.

В аппаратах, выполненных по промежуточной схеме (рис. 25.3), имеют место элементы, как первой, так и второй вышеназванных схем. Температуры подогреваемого теплоносителя в этой схеме и в схеме полного вытеснения изменяются по длине аппарата экспоненциально, хотя и с разными показателями экспонент.

Кожухотрубные теплообменники. Наиболее распространены в пищевых производствах. Они представляют собой пучок труб,  размещенных в кожухе. Трубки закрепляют, например, завальцовывают в межтрубные решетки, отделяющие полость межтрубного пространства (кожухотрубную) от полости, заполненной вторым теплоносителем (трубной).  Схема одноходового кожухотрубного теплообменника показана на рисунке 25.4, а многоходового — на рисунке 25.5. На этих рисунках и далее стрелками Ж\ и Ж2 обозначены потоки жидкостей, движущихся по обеим полостям теплообменника, стрелками К - поток конденсата греющего пара, Г - поток неконденсирующихся газов, выделяющихся при конденсации.

Цилиндрические трубки имеют относительно неблагоприятное с точки зрения теплообмена отношение площади проходного сечения к площади их поверхности: поверхность относительно мала. В связи с этим для нагрева больших массовых потоков жидкости, текущих по трубам, требуется большая длина труб. Поэтому для сокращения размеров теплообменников их разделяют на секции, соединенные последовательно. Общая длина пути теплоносителя при этом увеличивается. Такие теплообменники называют многоходовыми. Известны разнообразные конструкции многоходовых теплообменников: с перекрывающими движение перегородками; с U-образными трубками на одной трубной решетке, вынимаемой из корпуса; с плавающей головкой - коллектором, заменяющим нижнюю соединительную часть U-образных трубок, и др. Вход и выход теплоносителя в теплообменниках устраивают таким образом, чтобы естественное тепловое конвективное движение совпадало с направлением принудительного движения теплоносителя. Для этого более теплый и охлаждающийся компонент подводят сверху, а холодный подогреваемый - снизу. Это условие невозможно выдержать в многоходовых теплообменниках, установленных вертикально, поэтому их часто устанавливают горизонтально.

Рис. 25.5. Схема многоходового кожухотрубного теплообменника:

а – схема; б – верхняя коробка; в – нижняя коробка; г – расположение ходов. Цифрами обозначены номера полостей перетекания жидкости между ходами: 1 – 8 – полости верхней коробки

Цилиндрические трубки имеют относительно неблагоприятное с точки зрения теплообмена отношение площади проходного сечения к площади их поверхности: поверхность относительно мала. В связи с этим для нагрева больших массовых потоков жидкости, текущих по трубам, требуется большая длина труб. Поэтому для сокращения размеров теплообменников их разделяют на секции, соединенные последовательно. Общая длина пути теплоносителя при этом увеличивается. Такие теплообменники называют многоходовыми. Известны разнообразные конструкции многоходовых теплообменников: с перекрывающими движение перегородками; с U-образными трубками на одной трубной решетке, вынимаемой из корпуса; с плавающей головкой - коллектором, заменяющим нижнюю соединительную часть U-образных трубок, и др. Вход и выход теплоносителя в теплообменниках устраивают таким образом, чтобы естественное тепловое конвективное движение совпадало с направлением принудительного движения теплоносителя. Для этого более теплый и охлаждающийся компонент подводят сверху, а холодный подогреваемый - снизу. Это условие невозможно выдержать в многоходовых теплообменниках, установленных вертикально, поэтому их часто устанавливают горизонтально.

Одноходовые теплообменники предпочтительно устанавливать вертикально. Однако имеются и другие соображения, которые могут заставить изменить способ их установки: удобство чистки труб, удобство монтажа в конкретном здании и др.

На рисунке 25.5, а приведен продольный разрез четырехходового теплообменника, на рисунке 25.5, б показано устройство перегородок в его верхней и нижней распределительных коробках. Две перегородки в верхней коробке обозначены сплошными линиями, одна перегородка в нижней коробке показана пунктирной линией. На рисунке 25.5, в, г приведено устройство перегородок в верхней и нижней распределительных головках восьмиходового кожухотрубного теплообменника.

Элементные теплообменники (составленные из простых однотипных элементов). Их применяют как скоростные, т. е. при больших скоростях течения, а также при высокой стоимости теплоносителя (в холодильной технике). В элементных холодильниках входная и выходная полости отсутствуют и благодаря этому их рабочие полости минимизируются. В результате теплоносителя требуется меньше. В таких теплообменниках можно соблюсти противоточное движение компонентов и выдержать желаемые их скорости.

Погружной трубчатый теплообменник. Имеет вид змеевика, погруженного в сосуд с жидкостью. Более горячее рабочее тело обычно подают в змеевик сверху. Теплообмен может интенсифицироваться мешалками. Витки змеевика скрепляют планками для прочности. Такие теплообменники применяют при большом давлении в трубках, а также в качестве дополнительных подогревателей.

Оросительные теплообменники. Это трубчатые спирали с горизонтальными витками, размешенными в одной вертикальной плоскости. При орошении верхнего витка этой спирали вода стекает на нижерасположенные витки и охлаждает также и их. Применяют оросительные теплообменники в холодильной технике при высоком давлении внутри трубок.

Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева. Это оребренные трубчатые теплообменники с ребрами в виде пластин (калориферы) и пластинчатые теплообменники.

Живое сечение межтрубного пространства калориферов составляет около 40%. Их расчет выполняют по справочным данным каталогов калориферов, в которых приводят коэффициент теплопередачи в зависимости от скорости воздуха и температуры теплоносителя, а также гидравлическое сопротивление по воздушному тракту.

Пластинчатые жидкостные и парожидкостные теплообменники собирают из пакетов стальных штампованных пластин. Такие элементы соединяют в батареи.

Пластинчатые жидкостно-жидкостные теплообменники, работающие при атмосферном давлении, в настоящее время наиболее эффективны.

Применяют их в разнообразных теплотехнических устройствах. Большой вклад в разработку пластинчатых теплообменников внесла шведская фирма «Альфа Лаваль». Теплообменники этой фирмы представляют собой набор плоских или гофрированных пластин толщиной 0,3...0,4 мм, располагаемых эквидистантно с зазором между ними до 2 мм. По одну сторону каждой такой пластины течет один теплоноситель, а по другую - второй. Системы ходов жидкости на каждой пластине объединяются в два подводящих и два отводящих патрубка - по одной паре для каждого из двух теплоносителей. Пластины собираются в блоки пайкой или стягиваются болтами через уплотнительные прокладки и нажимные пластины (рис. 25.7).

Наиболее широко пластинчатые теплообменники используют как бойлеры или нагреватели холодной воды в системах горячего водоснабжения. В бойлерах высокотемпературный теплоноситель, например вода из системы отопления температурой 90...95 °С, постоянно протекает через них. При подаче на вход второго контура бойлера холодная вода нагревается практически за доли секунды и поступает в систему горячего водоснабжения.

Для обеспечения горячей водой одной квартиры при расходе воды I3...15 дм3/мин используют пластинчатый теплообменник из 8...10 пластин (общая толщина теплообменника оказывается равной 4...6 см) при поперечных размерах 10 х 20 см. Столь малые размеры теплообменника при столь высоких параметрах эффективности позволили поднять на качественно новый уровень конструкции котлов для бытового отопления и горячего водоснабжения.

Рис. 25.7. Схема движения жидких теплоносителей в пластинчатом теплообменнике:

1 – пластина; 2 – стойка; 3 – подвижная плита; 4 – направляющая стяжная шпилька; 5, 6 – верхний и нижний несущие брусья

2. Проектирование выпарного аппарата

2.1. Конструкция и рабочий процесс проектируемого аппарата

Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в пищевых производствах.

Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками (см. рис. 1) состоит из цилиндрического корпуса-1, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками-2 с закрепленными в них греющими трубами-3 (см. рис. 2), концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища-5. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки-4. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.

Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе,  вертикальные  или горизонтальные. В  соответствии с ГОСТ 15121-79,  теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Греющие трубы в трубных решетках размещают несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников(в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника.

Из-за маленькой скорости движения теплоносителей одноходовые теплообменники характеризуются низкими коэффициентами теплоотдачи. С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Так же секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок. Благодаря всем этим способам достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве.

При проектировании кожухотрубных теплообменников теплоноситель, который наиболее загрязняет поверхность теплообмена, направляют в трубное пространство, которое легче очищать.

2.2. Расчетная часть

В проектных тепловых расчетах подогревателей определяют:

1)   среднюю разность температур и средние температуры рабочих тел;

2)   тепловую  нагрузку и расход рабочих тел;

3)   коэффициент теплопередачи;

4)   поверхность нагрева.

Тепловой расчет сопровождается расчетом гидравлического сопротивления теплообменника и конструктивным расчетом.

Рассмотрим методику теплового расчета наиболее распространенного паро-жидкостного трубчатого подогревателя.

Исходные данные

Количество подогреваемого продукта G=5 кг/с

начальная температура продукта tн=60 °С

конечная температура продукта tк= 100 °С

Температурные условия нагревания

При давлении пара Р=0,2 МПа определяют температуру его насыщения ts. При этом разности температур в начале и в конце нагревания будут равны

, град.                                               (1)

, град.                                               (2)

град.

град.

где               – температура пара, принимаем °С /4/, °С

Средняя  разность температур равна

, град.                                         (3)

град.

Средняя температура нагреваемого раствора равна

град.                                           (4)

град.

Тепловая нагрузка и расход пара

Затраты теплоты на  нагревание продукта с учётом тепловых потерь

, кДж,                                (5)

где              kтп – коэффициент, учитывающий тепловые потери (kтп =1,02..1,05 /4/);

G – расход нагреваемого продукта, кг/с.

, кДж,

Расход пара равен:

кг/с,                                               (6)

где               – удельная энтальпия пара, принимаем по рекомендации Назарова И.В. кДж/кг, кДж/кг;

– удельная энтальпия конденсата, принимаем по рекомендации Назарова И.В. кДж/кг, кДж/кг;

кг/с,

Расчёт коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи на 1 м длины теплообменника равен

Действительный коэффициент теплопередачи равен

Кд=φ∙К, Вт/(м∙°С),                                               (7)

где               К – коэффициент теплопередачи на 1 м длины теплообменника, принимаем по рекомендации Назарова И.В. .

Кд=0,8∙1,5=1,2 Вт/(м∙°С)

Определение поверхности нагрева

Поверхность нагрева подогревателя определяют по  формуле:

, м2,                                               (8)

м2,

Конструктивный расчёт подогревателя

Общей задачей конструктивного расчета является определение основных размеров теплообменника. Конструктивный расчет выполняют для каждого типа теплообменника. При этом определяют:

а)              размеры проточной части трубного пространства;

б)              размещение трубок на  решетке;

в)              диаметр корпуса  аппарата;

г)              диаметры патрубков.

Проточную часть межтрубного пространства рассчитывают, если теплоноситель жидкий.

По известному расходу продукта G кг/ч, его плотности ρ кг/м3 и скорости движения υ м/с определяют площадь сечения трубок одного хода