Расчет однокорпусного выпарного аппарата

ВВЕДЕНИЕ 

      Выпаривание - это процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. 

      Этот  процесс подучил широкое распространение  в пищевой и химической промышленности, в связи с тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др. получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

      Для нагревания выпариваемых растворов  до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

      Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении.

      Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых  очень разнообразны, что значительно  усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

      Выпарные  аппараты с паровым обогревом  состоят из двух основных частей:

             - кипятильник (греющая камера) в  котором расположена поверхность  теплообмена и происходит выпаривание  раствора;

             - сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

        В зависимости от характера  движения кипящей жидкости в  выпарном аппарате различают:

            - выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

            - выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

            - выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;  

        - пленочные выпарные аппараты.

     В однокорпусной выпарной установке  подвергается выпариванию молоко с начальной концентрацией 9%, конечная концентрация продукта – 44%.

     Целью курсовой работы является изучение однокорпусного выпарного аппарата, технологического процесса сгущения молока.

     Задачей курсовой работы является расчет однокорпусного выпарного аппарата.

     1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 

       В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при много кратной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

     Выпаривание проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках).

     Наибольшее  распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

     Выпарные  аппараты с паровым обогревом  состоят из двух основных частей:

• кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;
• сепаратор — пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

     Необходимость в паровом пространстве (сепараторе) составляет основное конструктивное отличие  выпарных аппаратов от теплообменников. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

     1) выпарные аппараты со свободной  циркуляцией;

     2) выпарные аппараты с естественной  циркуляцией;

     3) выпарные аппараты с принудительной  циркуляцией;

     4) пленочные выпарные аппараты.

     Выпарные  аппараты со свободной циркуляцией

     В этих аппаратах неподвижный или  медленно движущийся раствор находится  снаружи труб. В растворе возникают  неупорядоченные конвекционные  токи (свободная циркуляция), обусловленные  свободной конвекцией. К данной группе относятся аппараты, выполненные  в виде чаш или котлов, поверхность  теплообмена которых образована стенками аппарата. В настоящее время  такие аппараты применяются редко, главным образом при выпаривании  очень вязких жидкостей.

     Змеевиковые выпарные аппараты аналогичны змеевиковым  погружным теплообменникам. Греющий  пар проходит по змеевику, а выпариваемая жидкость находится снаружи. Змеевики полностью погружены в жидкость, над уровнем которой остается объем, необходимый для сепарации  вторичного пара. Эти аппараты работают неинтенсивно и в настоящее время  применяются лишь для выпаривания  вязких растворов при небольших  масштабах производства, когда не

требуется большая поверхность теплообмена. Они могут быть использованы

 также  при применении греющего пара  высокого давления и при выпаривании  агрессивных жидкостей. В последнем  случае змеевики изготовляются  из химически стойкого материала,  а внутренняя поверхность аппарата  снабжается защитным покрытием.  Выпарные аппараты с горизонтальными  трубами (пар пропускается по  трубам, жидкость — снаружи труб) могут быть изготовлены с значительными  поверхностями теплообмена —  до 800 м² и более (рис. 1). Для компенсации удлинения труб и разборки аппарата с целью очистки крепление труб в трубных решетках делают на сальниках или применяют U-образные трубы.

     Риунок 1 - Выпарной аппарат с горизонтальными трубами 

     Основным  недостатком аппаратов этого  типа является трудность очистки  межтрубного пространства, вследствие чего они непригодны для выпаривания  кристаллизующихся растворов. Кроме  того, такие аппараты имеют невысокий  коэффициент теплопередачи, громоздки  и требуют значительного количества металла для изготовления. В настоящее  время они применяются редко  и вытесняются более совершенными конструкциями.

     Выпарные  аппараты с естественной циркуляцией

     Естественная  циркуляция возникает в замкнутой  системе, состоящей из необогреваемой опускной (циркуляционной) трубы 1 (рис. 2) и обогреваемых подъемных (кипятильных) труб 2.

     Рисунок 2 - Схема естественной циркуляции:

     1 – циркуляционная труба; 2 – кипятильная  труба.

     Если  жидкость в подъемных трубах нагрета  до кипения, то в результате испарения  части жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой  меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в опускной трубе больше, чем в  подъемных трубах, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: подъемные трубы → паровое пространство → опускная труба-→ подъемные трубы и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

     Для естественной циркуляции требуются  два условия: 1) достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, чтобы  уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и  сообщить этой смеси необходимую  скорость; 2) достаточная интенсивность  парообразования в кипятильных  трубах, чтобы парожидкостная смесь  имела малую плотность.

     При небольшом уровне жидкости в опускной трубе парожидкостная смесь не может  подняться до верха кипятильных  труб; при этом не происходит циркуляции, и работа аппарата сопровождается резким снижением производительности и быстрым покрыванием труб накипью. С повышением уровня жидкости возрастает скорость циркуляции и увеличивается коэффициент теплопередачи. Однако возрастание коэффициента теплопередачи происходит лишь при повышении уровня до некоторой определенной величины (оптимальный уровень), соответствующей покрытию кипятильных труб по всей их высоте парожидкостной смесью. При дальнейшем повышении уровня коэффициент теплопередачи несколько снижается, так как вследствие возрастания давления внизу кипятильных труб жидкость начинает кипеть не в нижней их части, а немного выше.

     Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным  образом вязкостью) и разностью  температур между стенкой трубы  и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование  и тем больше скорость циркуляции. Для достижения достаточной циркуляции разность температур между греющим  паром и раствором должна быть в среднем не ниже 7-10° С.

     Оптимальный уровень жидкости повышается с понижением разности температур и увеличением  вязкости раствора и находится опытным  путем. Если при выпаривании из раствора не выпадают кристаллы, оптимальный  уровень обычно составляет от 1/4 до 3/4 высоты кипятильных труб.

     Если  при выпаривании из растворов  выпадают кристаллы (так называемые кристаллизующиеся растворы), уровень  жидкости поддерживают выше кипятильных  труб для того, чтобы, жидкость в  них перегревалась и закипала лишь при выходе из труб в паровое  пространство; при отсутствии кипения  в кипятильных трубах отпадает главная  причина выделения накипи.

     Выпарной  аппарат с центральной циркуляционной трубой (рис. 3) является одной из наиболее старых, но широко распространенных конструкций.

     Рисунок 3 - Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой:

     1 – корпус; 2 – кипятильные трубы; 3 – циркуляционная труба; 

     4 – сепаратор; 5 – отбойник. 

     Греющая камера состоит из ряда вертикальных кипятильных труб 2, обогреваемых снаружи  паром. По оси греющей камеры расположена  циркуляционная труба 3 значительно  большего диаметра, чем кипятильные  трубы. Хотя в таком аппарате циркуляционная труба обогревается снаружи паром, раствор нагревается в ней  значительно меньше, чем в кипятильных  трубах. Это объясняется тем, что  поверхность трубы пропорциональна  ее диаметру, а объем жидкости в  ней пропорционален квадрату диаметра; таким образом, в циркуляционной трубе объем жидкости на единицу  поверхности трубы значительно  больше, чем в кипятильных трубах.

     В аппаратах большой производительности вместо одной циркуляционной трубы  устанавливают несколько труб меньшего диаметра.

     Аппарат с центральной циркуляционной трубой отличается простотой конструкции  и легкодоступен для ремонта  и очистки. В то же время наличие  обогреваемой циркуляционной трубы  снижает интенсивность циркуляции.

     По  нормалям аппараты с центральной  циркуляционной трубой выполняют с  поверхностью теплообмена 25, 50, 100, 150, 250 и 350 м²; они снабжены кипятильными трубами с наружным диаметром 38 или 57 мм (длиной от 2000 до 4000 мм) и циркуляционной трубой диаметром около 1/3 диаметра аппарата

     Выпарной  аппарат с подвесной греющей  камерой показан на рис. 4. Этот аппарат  имеет греющую камеру, снабженную кожухом 2; роль циркуляционной трубы  выполняет кольцевой зазор между  корпусом аппарата и кожухом камеры.

     Рисунок 4 - Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой:

     1 – корпус; 2 – кожух греющей  камеры; 3 – кипятильные трубы; 4 –  труба для подвода пара к  греющей камере.

     Греющий пар подводится в камеру по трубе 4. Греющая камера может выниматься из аппарата для чистки и ремонта. В аппарате имеются благоприятные  условия для циркуляции, поскольку  кольцевое пространство со стороны  корпуса не обогревается. Недостатками являются усложнение конструкции и большие габариты, так как часть площади сечения аппарата не используется из-за наличия кольцевого канала.

     Аппараты  с подвесной греющей камерой  изготовляются с поверхностью 50, 75, 95 и 150 м², кипятильные трубы имеют наружный диаметр 63,5 мм при длине от 1300 до 1700 мм.

     Выпарной  аппарат с выносным кипятильником (риc.5) широко применяется для выпарки кристаллизующихся и пенящихся растворов и постепенно вытесняет аппараты других типов.

     Рисунок 5 - Выпарной аппарат с выносным кипятильником

     1 – кипятильник, 2 – труба для  парожидкостной смеси, 3 – сепаратор, 4 – циркуляционная труба

     Аппарат имеет выносной кипятильник 1 и сепаратор 3. В кипятильнике, состоящем из пучка  труб, обогреваемых снаружи паром, образуется парожидкостная смесь, поступающая  в сепаратор по трубе 2. В сепараторе происходит отделение вторичного пара от жидкости, которая по циркуляционной трубе 4 возвращается в кипятильник. Трубы кипятильника могут достигать  значительной длины (до 7 м), что способствует интенсивной циркуляции. С увеличением  длины труб возрастает разность весов  парожидкостной смеси в них и  жидкости в циркуляционной трубе  Расположение кипятильника отдельно от сепаратора удобно для ремонта и  чистки труб Часто к сепаратору присоединяют два или более кипятильников, из которых один можно выключить  для ремонта или очистки, не останавливая всего аппарата.

     Аппараты  с выносными кипятильниками выпускаются  с поверхностью 100, 150, 250, 350 500, 700 и 900 м², они имеют трубы с наружным диаметром 38 или 57 мм при длине от 3000 до 7000 мм

     Выпарной  аппарат для выпаривания концентрированных  растворов

     Выпарной  аппарат для выпаривания концентрированных  растворов (рис. 6), состоит из греющей камеры 1, над которой расположена камера вскипания 2 высотой около 3 м. В верхней части камеры вскипания размещены концентрические перегородки 3, образующие кольцевые каналы. Из камеры вскипания парожидкостная смесь поступает в сепаратор 5, откуда жидкость возвращается в греющую камеру по циркуляционной трубе 4 через приемник для кристаллов 6. В греющей камере происходит только подогрев раствора, а кипит он в каналах между перегородками 3. Эти перегородки упорядочивают поток вскипающей жидкости и препятствуют образованию пульсаций и вредных циркуляционных токов в зоне кипения.

     Рисунок 6 - Выпарной аппарат для концентрированных растворов

     1 – греющая камера, 2 – камера  вскипания, 3 – концентрические перегородки, 4 – циркуляционная труба, 5 –  сепаратор, 6 – приемник кристаллов

     В описанном аппарате достигается  большая скорость циркуляции (до 3,5 м/с вместо 1-1,5 м/с в обычных  аппаратах с естественной циркуляцией). Это наряду с отсутствием кипения  в трубах приводит к значительному  уменьшению выделений накипи на поверхности  теплообмена. Такой аппарат наиболее пригоден для выпаривания концентрированных, кристаллизующихся и вязких растворов

     Выпарные  аппараты с принудительной циркуляцией

     Для повышения интенсивности циркуляции и коэффициента теплопередачи в  последнее время стали применять  аппараты с принудительной циркуляцией. На рис. 7 показан такой аппарат, снабженный наружной циркуляционной трубой 3.

     Рисунок 7 - Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией:

     1 – кипятильник; 2 – циркуляционный  насос; 3 – циркуляционная труба; 4 – сепаратор.

     Циркуляция  жидкости производится пропеллерным или  центробежным насосом 2. Свежий раствор  подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится  из нижней части сепаратора. Уровень  жидкости поддерживается несколько  ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система  почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается не на подъем жидкости, а лишь на преодоление  гидравлических сопротивлений. Давление внизу кипятильных труб больше, чем  вверху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Ввиду этого на большей части  высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а перегревается по сравнению  с температурой кипения, соответствующей  давлению в сепараторе. Закипание  происходит только на небольшом участке  верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды; поэтому отношение  массы жидкости к массе пара в  парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

     Принудительную  циркуляцию применяют также в  аппаратах с выносным кипятильником  и в аппаратах других типов.

     Скорость  циркуляции жидкости в кипятильных  трубах принимают равной

1,5-3,5 м/с.  Скорость циркуляции определяется  производительностью циркуляционного  насоса и не зависит от уровня  жидкости и парообразования в  кипятильных трубах. Поэтому аппараты  с принудительной циркуляцией  пригодны при работе с малыми  разностями температур между  греющим паром и раствором  (3-5° С) и при выпаривании  растворов с большой вязкостью,  естественная циркуляция которых  затруднительна.

     Достоинствами аппаратов с принудительной циркуляцией  являются высокие коэффициенты теплопередачи (в 3 – 4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а также отсутствие загрязнений поверхности теплообмена  при выпаривании кристаллизующихся  растворов и возможность работы при небольших разностях температур.

     Недостаток  этих аппаратов – необходимость  расхода энергии на работу насоса.

     Применение  принудительной циркуляции целесообразно  при изготовлении аппарата из дорогостоящего материала (в этом случае весьма существенно  сокращение поверхности теплообмена  вследствие повышения коэффициентов  теплопередачи), при выпаривании  кристаллизующихся растворов (сокращаются  простои во время очистки аппарата) и при выпаривании вязких растворов (что при естественной циркуляции требует наличия большой разности температур).

     Пленочные выпарные аппараты

     В пленочных аппаратах раствор  движется вдоль поверхности теплообмена  в виде тонкой пленки.

     Пленочные аппараты с вертикальными трубами (рис.8) состоят из пучка кипятильных труб, обогреваемых снаружи паром и присоединенных вверху к

 сепаратору. Жидкость подается снизу, причем  уровень ее поддерживается на 1/4 – 1/5 высоты труб. Остальная  часть высоты труб заполнена  парожидкостной смесью, расслаивающейся  на пленку жидкости (около стенок) и пар (в центре). Трением о  струю пара жидкая пленка увлекается  вверх; поэтому такие аппараты  часто называют аппаратами с  поднимающейся пленкой.

     Рисунок 8 - Пленочный выпарной аппарат:

     1 – кипятильник; 2 – сепаратор. 

     Пленочные аппараты обладают высоким коэффициентом  теплопередачи.

     Последний, однако, достигается лишь при определенном уровне жидкости, который устанавливается  опытным путем: при повышении  уровня коэффициент теплопередачи  снижается; при понижении уровня уменьшается содержание жидкости в  парожидкостной смеси, что приводит к недостаточному смачиванию верхних  концов труб и снижению активной поверхности  теплообмена. Ввиду однократного прохождения  жидкости через аппарат со значительной скоростью, для получения достаточно концентрированного упаренного раствора требуются длинные трубы (обычно 6 – 9 м).

     Недостатками  вертикальных пленочных аппаратов  являются трудность очистки длинных  труб и сложность регулирования  процесса при колебаниях давления греющего пара и начальной концентрации раствора. Кроме того, для размещения пленочных  аппаратов необходимо строить производственные здания большой высоты.

     Эти аппараты применяются для выпаривания  пенящихся, а также чувствительных к высокой температуре растворов; при выпаривании очень вязких и кристаллизующихся растворов  они малопригодны.

     Пленочные аппараты изготовляются с поверхностью теплообмена от 100 до 900 м².

   В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при  много кратной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ  сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое  применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной

   циркуляции  в замкнутом контуре, уменьшающей  скорость отложения накипи на поверхности  труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую  производственную площадь, удобны для  осмотра и ремонта.

     2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ОПИСАНИЯ  И РАСЧЁТЫ 

     2.1 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА  РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ  СХЕМЫ 

     Исходный  разбавленный раствор из сборника 11 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 12, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем в выпарной аппарат 9, из которого упаренный раствор поступает в сборник 7, откуда центробежным насосом 8 подается потребителю. Выпарной аппарат и теплообменник обогреваются греющим паром из котельной.

     Вакуум  в выпарном аппарате создается за счет конденсации вторичных паров, поступающих в низ выпарного  аппарата, при их охлаждении водой  в кожухотрубном конденсаторе 3 и  отсоса неконденсирующихся газов вакуум-насосом 5. Для исключения попадания в  вакуум – насос капель воды перед  ним устанавливается ловушка 2. Смесь  охлаждающей воды и конденсата выводится  из конденсатора при помощи трубы  с гидрозатвором 4. Конденсат греющих  паров из выпарного аппарата и  теплообменника выводится через  конденсатоотводчики и направляется в котельную или на технологические  нужды. 

     2.2 МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЁТ  УСТАНОВКИ 

     Основные  уравнения материального баланса:

                                                          (2.1)

                                                       (2.2)

     где , - соответственно производительность установки по исходному и готовому продукту, кг/с;

            , - соответственно начальное и конечное содержание сухих веществ в молоке;

             W – производительность установки, кг/с.

      Производительность  установки по исходному продукту определяем по уравнению материального баланса:

      G_н = W/(1-х_н/х_к) = 0,194/(1-9/44) = 0,244 кг/с,

      Производительность  установки по готовому продукту:

      G_к= G_н - W = 0,244-0,194 = 0,05кг/с =180 кг/ч. 

     Материальный  баланс выпаривания

          Таблица 2.1