Вакуум выпарная установка реферат
Обновлено: 02.07.2024
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. 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. Тёпло 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.
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, а именно к таким продуктам относятся чаще всего продукты микробиологической промышленности. 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 выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких paбочих параметров (температура и давление).
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.
В данной работе рассматривается процесс выпаривания дрожжевой суспензии. Концентрирование дрожжевой суспензии методом упаривания имеет свои особенности, связанные со свойствами дрожжевой суспензии. Поскольку БВК являются кормовыми добавками, то с целью сохранения питательных свойств БВК упаривание должно производиться при температурах, не превышающих 90 – 95 оС. Следовательно, давление в корпусах многокорпусной выпарной установки должно быть ниже атмосферного. С другой стороны, дрожжевая суспензия склонна к пригоранию и пенообразованию при кипении, поэтому схема выпарки должна быть прямоточной и с числом корпусов не более трёх, а применяемые аппараты – с принудительной циркуляцией выпариваемого раствора, вынесенной зоной нагрева и испарения.
В данной курсовой работе рассчитывается двухкорпусной прямоточная вакуум-выпарная установка (ВВУ) с вынесенной зоной нагрева и испарения и принудительной циркуляцией раствора в выпарных аппаратах для концентрирования дрожжевой суспензии от 12,4 до 21% АСВ.
1 Расчёт материального баланса выпарной установки
Общее количество выпариваемой воды /> определяется из материального баланса по общему расходу продуктов
и материального баланса по сухому веществу
Решая совместно уравнения (1) и (2) получим
Из опытных данных [8] примем />, тогда
количество воды, выпаренной на 1-й ступени
количество воды, выпаренной на второй ступени.
2 Тепловой расчёт вакуум-выпарной установки
2.1 Уравнение теплового баланса ВВУ
Рисунок 1 — Схема потоков тепла в ВВУ
Уравнение теплового баланса для первого корпуса:
для второго корпуса:
Суммируя уравнения (3) и (4) получаем уравнение теплового баланса двухкорпусной выпарной установки:
где D – расход греющего пара, кг/с;
G – расход суспензии, кг/с;
W – количество выпаренной воды, кг/с;
Е – количество отбираемого экстра-пара, кг/с;
с – теплоёмкость дрожжевой суспензии, кДж/(кг*с);
/>— теплосодержание первичного пара, кДж/кг;
i – теплосодержание вторичного пара, кДж/кг;
/>— теплосодержание конденсата, кДж/кг.
2.2 Расчёт температурных потерь и температур кипения по корпусам
Различают следующие температурные потери: температурная депрессия />, потери от гидравлических сопротивлений /> и потери от гидростатического эффекта />.
Величина повышения температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя при том же давлении называется температурной депрессией. В нашем случае добавки солей в ферментёры производятся согласно балансовым количествам и затрачиваются, в основном, на обеспечение жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому в суспензии, поступающей на выпарку, концентрация солей крайне мала и /> практически равна нулю.
Температурные потери от гидравлических сопротивлений возникают при движении вторичных паров на участке сепаратор первого корпуса – греющая камера второго корпуса и сепаратор второго корпуса – барометрический конденсатор. Они вызваны падением давления пара из-за гидравлического сопротивления паропровода. Чаще всего />принимают без расчёта в интервале 0,5 – 1,5 оС (примем />=0,5 оС).
Температурные потери от гидростатического эффекта объясняются изменением давления по высоте кипятильных труб.
Для расчёта /> сначала принимаются температуры конденсации вторичных паров />по корпусам. Для первого корпуса выбираем />= 90оС (исходя из особенностей выпаривания дрожжевой суспензии) и для второго корпуса /> определяется по паровым таблицам [8, с. 548 – 550] в зависимости от рВ. Для рВ = 0,23 атм определяем /> = 63,5 оС. Затем по этим температурам, с учётом гидравлических депрессий, рассчитываем температуры кипения суспензии в сепараторах:
По значениям t1 и t2 определяются давления в сепараторах р1 и р2 по паровым таблицам :
Поскольку температура кипения суспензии в выпарных аппаратах переменна по высоте труб, то среднюю температуру кипения обычно определяют на середине высоты греющих труб с учётом гидростатического давления. Для этого рассчитывают давление в среднем слое выпариваемой суспензии, например, для первого корпуса:
где /> — плотность суспензии при температуре t1 (определяется графически
при концентрации х1), кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
Н – высота от верхнего уровня жидкости в сепараторе до середины
греющих труб, м (по [1] определяем Н = 5,5 м).
По паровым таблицам определяем
Сумма всех температурных потерь для установки в целом
Полезная разность температур по корпусам
Суммарная полезная разность температур
2.3 Расчёт нагрузок корпусов выпарной установки по методу проф. И.А. Тищенко
Теплоёмкость дрожжевой суспензии в зависимости от концентрации а.с.в. [1] в узком интервале концентраций изменяется практически линейно. С учётом этого из уравнения теплового баланса получаем
/>— коэффициент испарения, показывающий количество воды,
выпаренной за счёт 1 кг первичного пара;
/>— коэффициент самоиспарения, учитывающий количество
воды, выпаренной за счёт тепла самоиспарения раствора;
/>— коэффициент тепловых потерь, учитывающий потери тепла
в окружающую среду.
В общем методе расчёта, предложенном проф. А.И. Тищенко, принимается />=1,0 и произведения двух и более коэффициентов самоиспарения равными нулю. При этом кроме того, для всех корпусов принимается />, то есть не учитываются температурные потери.
В соответствии с приведённым выше уравнением (12) для первого корпуса получим:
Для второго корпуса –
Суммируя уравнения (13) и (14) получим
откуда находим расход греющего пара на первый корпус установки
Теплосодержание потоков пара и жидкости определяем по паровым таблицам в зависимости от давления (таблица 1).
Выпарные установки. Виды, устройство, принцип действия выпарных установок.
Для производства веществ с резко выраженными агрессивными свойствами используют выпарные установки контактного типа, работающие по принципу непосредственного соприкосновения выпариваемого раствора с продуктами сгорания топлива или горячими газами, или погружного горения. Корпуса таких аппаратов изготовляют из углеродистой стали, а для избежания коррозии их внутри футеруют кислотоупорными материалами. Внутренние элементы аппарата — вытяжные трубы, сепараторы, сливные трубы — изготовляют из коррозионно-стойких материалов.
На рис. 1 изображены принципиальные схемы промышленных выпарных установок непрерывного действия.
Рис. 1. Схемы выпарных установок: а — прямоточная с конденсатором; б — прямоточная с противодавлением; в — с ухудшенным вакуумом; г — с нуль-корпусом; д — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии свежим паром; е — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии вторичным паром первой ступени; ж — противоточная; з — с параллельным током пара и раствора; и — с отбором экстрапаров посторонним потребителем; к — со смешанным током раствора; л — трехступенчатая с двумя корпусами в первой ступени: 1 — выпарной аппарат; 2 — конденсатор; 3 — солеотделитель; 4 — насос; 5 — водосборник; 6 — вход первичного и выход вторичного пара; 7 — вход охлаждающей воды; 8 — вход и выход раствора; 9 — выход конденсата
2. Классификация выпарных установок
Непрерывный процесс выпаривания растворов может производиться как в одноступенчатых, так и в двух-, трех- и многоступенчатых выпарных установках с использованием вторичного пара каждой ступени в последующих ступенях с более низким давлением или с передачей части вторичного пара некоторых ступеней другим тепловым потребителям.
По теплотехнологическим признакам промышленные выпарные установки непрерывного действия разделяют на несколько групп:
1. По числу ступеней: одноступенчатые и, многоступенчатые; при этом в одной ступени могут быть один, два и более параллельно включенных аппаратов выпарной установки.
2. По давлению вторичного пара в последней ступени:
а) выпарные установки с достаточно глубоким вакуумом в последней ступени (до 90 %) и следующим за ней конденсатором для поддержания этого вакуума, соответствующего температуре охлаждающей воды. Такая схема встречается наиболее часто (рис. 1, а); в ней обеспечивается наибольшая разность температур между первичным греющим теплоносителем и вторичным паром последней ступени, поступающим в конденсатор. Однако при работе установки по такой схеме вся теплота пара последней ступени теряется с охлаждающей водой конденсатора;
б) выпарные установки с повышенным давлением в последней ступени (рис. 1, б). Такая схема может быть более экономичной, если вторичный пар последней ступени может быть использован в других теплоиспользующих установках (при бытовом потреблении теплоты, в отоплении, и т. д.);
в) выпарные установки с ухудшенным вакуумом (рис. 1, в). По такой схеме установка может работать или на конденсатор, или на потребителя низкопотенциальной теплоты со сбросом излишков пара в конденсатор с ухудшенным вакуумом.
3. По подводу первичной теплоты:
а) выпарные установки с одним источником первичной теплоты;
б) выпарные установки с двумя источниками теплоты. Например, пар с большим давлением обогревает предвключенную ступень установки, называемую в такой схеме нуль-корпусом, а пар с меньшим давлением подается в следующую ступень, получившую название первого корпуса (рис. 1, г);
в) выпарные установки с тепловыми насосами.
4. По технологии обработки раствора:
а) одностадийные выпарные установки (рис. 1, а, г, ж), в которых раствор проходит при выпаривании последовательно все ступени и не отводится для других промежуточных операций обработки;
б) двух- и более стадийные выпарные установки, в которых раствор после одной из промежуточных ступеней может быть направлен для дополнительной обработки (для осветления, центрифугирования и т. п.), а затем снова поступает на довыпаривание в следующую ступень (вторая стадия, рис. 1, д).
5. По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора:
а) прямоточные выпарные установки для растворов, обладающих высокой температурной депрессией (рис. 1, а, е, з);
б) противоточные выпарные установки для растворов с быстро растущей вязкостью при повышении их концентрации (рис. 1, ж); в этих схемах между ступенями ставят насосы;
в) выпарные установки с параллельным питанием корпусов раствором при склонности его к кристаллизации (рис. 1, з);
г) выпарные установки с отпуском части вторичных паров (экстрапаров) посторонним потребителям (рис. 1, и);
д) выпарные установки со смешанным питанием корпусов для растворов с повышенной вязкость (рис. 1, к).
3. Основные схемы выпарных установок
Выпарная установка включает следующие основные элементы: выпарные аппараты с трубчатыми (внутренними) или рубашечными (наружными) паровыми обогревателями, с трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭН) или с погружными горелками для контактной передачи теплоты непосредственно от газов к раствору, сепараторы и брызгоотделители, конденсатоотводчики, подогреватели раствора, конденсаторы, сборные баки и емкости, насосы, запорную и предохранительную арматуру, регулирующие и контрольно-измерительные приборы.
Выпарные аппараты с поверхностью нагрева представляют собой теплообменники-испарители, как правило, с паровым обогревом. В большинстве из них предусматривается значительное надрастворное пространство для сепарации из вторичного пара жидкой и твердой фаз (сепараторы). По движению раствора в греющих трубах различают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также аппараты пленочного типа, в которых раствор проходит по поверхности нагрева однократно в виде тонкой пленки. На рис. 2. 5 представлены основные типы выпарных аппаратов. Греющая камера выпарного аппарата с трубчатой поверхностью нагрева представляет собой пучок труб с двумя трубными решетками, вставленный в кожух-обечайку. В аппаратах жесткой конструкции греющая камера встраивается между фланцами днища и парового пространства, в аппаратах с подвесной греющей камерой она свободно подвешена или опирается на кронштейны внутри растворного пространства. Греющий пар подается в межтрубное пространство, а раствор циркулирует в трубах. Такое направление тока теплоносителей благоприятствует условиям для очистки труб от отложения солей и накипи. Для выпаривания маловязких некристаллизующихся и неагрессивных растворов получил применение выпарной аппарат типа ВВ с внутренней греющей камерой и с центральной циркуляционной трубой (рис. 2, а).
Устойчивая циркуляция раствора в аппарате обеспечивается большой удельной поверхностью нагрева на единицу объема раствора в трубах малого диаметра (подъемных) (d = 32 мм) в сравнении с центральной трубой большого диаметра (опускной). Большая скорость циркуляции раствора в трубах (до 2,0 м/с) обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи. Аппараты компактны и имеют небольшую металлоемкость. Номинальная площадь поверхности нагрева — до 400 м2.
Рис. 2. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией: а — с центральной циркуляционной трубой; б — с совмещенной зоной нагрева и кипения; в — с вынесенной зоной кипения; г — с вынесенной греющей камерой: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — выход неконденсирующихся газов; 7 — греющая камера; 8 — паровое пространство; 9 — брызгоотделитель; 10 — зона парообразования —стабилизатор; 11 — сливная труба
Выпарные аппараты с подвесной греющей камерой применяют для выпаривания кристаллизующихся, химически агрессивных и умеренно вязких растворов.
Выпарные аппараты с совмещенной зоной нагрева и кипения раствора и вынесенной опускной трубой обладают лучшей циркуляцией раствора. Такой аппарат с длиной труб до 4000 мм изображен на рис. 2, б. Устанавливаемый над верхней трубной решеткой конический раструб-стабилизатор (рис. 2, в) предназначен для увеличения статического давления за счет столба жидкости в трубах и вынесения таким путем зоны кипения раствора выше труб. Такое приспособление способствует снижению солеобразования внутренней поверхности греющих труб. Выпаривание кристаллизующихся растворов затрудняется выпадением на поверхности нагрева кристаллов (инкрустацией). Очистка поверхности нагрева вызывает необходимость частых остановок и вскрытия аппарата.
В выпарных аппаратах с вынесенной греющей камерой и вынесенной за пределы аппарата опускной циркуляционной трубой (рис. 2, г) конструктивно более выгоден для выпаривания таких растворов. В опускной трубе раствор охлаждается, увеличивается его плотность, что способствует увеличению динамического напора для циркуляции раствора. В аппарате установлены удлиненные до 5. 7 м трубы. Возникающая в связи с этим повышенная скорость циркуляции раствора затрудняет отложение кристаллов на стенках труб. Имеются конструкции аналогичных аппаратов с вынесенными горизонтальными и наклонными присоединенными к одному аппарату тремя-четырьмя греющими камерами, позволяющими быстро частично демонтировать отдельные камеры для чистки труб.
Устранить инкрустацию поверхности нагрева при выпаривании кристаллизующихся растворов можно повышением до 2. 3 м/с скорости движения раствора. Если такую скорость нельзя получить температурным перепадом между теплоносителями при естественной циркуляции, проектируют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора, создаваемой насосами, устанавливаемыми снаружи или внутри аппарата (рис. 3). Аппараты с принудительной циркуляцией применяют также для упаривания растворов с повышенной вязкостью.
Рис. 3. Выпарный аппарат с принудительной циркуляцией: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера ; 7 — паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — насос
Рис. 4. Выпарный аппарат с поднимающейся пленкой: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7—паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — сливная труба
Рис. 5. Выпарный аппарат роторного типа со скребками: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7 — паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — ротор со скребками
В таком аппарате благодаря высокой скорости движения раствора достигается повышение интенсивности теплообмена в трубах. Раствор только один раз проходит по поверхности греющих труб, т. е. рециркуляция в аппарате отсутствует. Готовность или выходная концентрация раствора может регулироваться отношением длин затопленной раствором части трубы и ее верхней части, где происходит интенсивное испарение растворителя из пленки. чем больше длина этой части, тем выше концентрация раствора, сливающегося из труб в приемный карман. Существует оптимальная высота заполнения трубок раствором, которая определяется свойствами и конечной концентрацией раствора. Конструкция аппарата с поднимающейся пленкой отличается повышенной длиной труб (до 7. 9 м), что усложняет монтажные и ремонтные работы. В выпарных аппаратах с опускающейся пленкой раствор поступает в трубы сверху через специальные насадки, предназначенные для равномерного распределения его в виде тонкой пленки на стенках труб и закручивания. Пройдя по трубе сверху вниз один раз, раствор достигает нужной концентрации. При недостаточной плотности орошения в таких аппаратах возможно оголение и инкрустация нижних концов труб. Очень вязкие, пастообразные и термолабильные растворы выпаривают в роторных аппаратах со скребками (рис. 5). Раствор, подаваемый в роторный аппарат посредством дозировочного насоса, распределяется вращающимися, посаженными на общий вал скребками по стенке, которая обогревается паром. По мере выпаривания растворителя на стенке образуется твердый продукт или паста, которые соскабливаются и выводятся из аппарата через нижний патрубок и шлюзовой затвор.
Рассчитаны материальный и тепловой балансы корпусов по методу Тищенко, подобраны стандартные установки — по две ВВУ-126−2860−06 на каждую ступень выпаривания. Произведен конструктивный расчет корпусов: определено необходимое количество кипятильных труб, диаметр греющей камеры, размеры сепарационного пространства, рассчитаны диаметры штуцеров и трубопроводов. Также произведен расчет… Читать ещё >
Расчет вакуумно-выпарной установки ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )
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. 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. Тёпло 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.
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, а именно к таким продуктам относятся чаще всего продукты микробиологической промышленности. 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 выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких paбочих параметров (температура и давление).
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.
В данной работе рассматривается процесс выпаривания дрожжевой суспензии. Концентрирование дрожжевой суспензии методом упаривания имеет свои особенности, связанные со свойствами дрожжевой суспензии. Поскольку БВК являются кормовыми добавками, то с целью сохранения питательных свойств БВК упаривание должно производиться при температурах, не превышающих 90 — 95 о С. Следовательно, давление в корпусах многокорпусной выпарной установки должно быть ниже атмосферного. С другой стороны, дрожжевая суспензия склонна к пригоранию и пенообразованию при кипении, поэтому схема выпарки должна быть прямоточной и с числом корпусов не более трёх, а применяемые аппараты — с принудительной циркуляцией выпариваемого раствора, вынесенной зоной нагрева и испарения.
В данной курсовой работе рассчитывается двухкорпусной прямоточная вакуум-выпарная установка (ВВУ) с вынесенной зоной нагрева и испарения и принудительной циркуляцией раствора в выпарных аппаратах для концентрирования дрожжевой суспензии от 12,4 до 21% АСВ.
1 Расчёт материального баланса выпарной установки
Общее количество выпариваемой воды определяется из материального баланса по общему расходу продуктов
и материального баланса по сухому веществу
Решая совместно уравнения (1) и (2) получим кг/с.
Из опытных данных примем, тогда
количество воды, выпаренной на 1-й ступени
количество воды, выпаренной на второй ступени.
2 Тепловой расчёт вакуум-выпарной установки
2.1 Уравнение теплового баланса ВВУ
Рисунок 1 — Схема потоков тепла в ВВУ
Уравнение теплового баланса для первого корпуса:
для второго корпуса:
Суммируя уравнения (3) и (4) получаем уравнение теплового баланса двухкорпусной выпарной установки:
где D — расход греющего пара, кг/с;
G — расход суспензии, кг/с;
W — количество выпаренной воды, кг/с;
Е — количество отбираемого экстра-пара, кг/с;
с — теплоёмкость дрожжевой суспензии, кДж/(кг*с);
— теплосодержание первичного пара, кДж/кг;
i — теплосодержание вторичного пара, кДж/кг;
— теплосодержание конденсата, кДж/кг.
2.2 Расчёт температурных потерь и температур кипения по корпусам
Различают следующие температурные потери: температурная депрессия, потери от гидравлических сопротивлений и потери от гидростатического эффекта .
Величина повышения температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя при том же давлении называется температурной депрессией. В нашем случае добавки солей в ферментёры производятся согласно балансовым количествам и затрачиваются, в основном, на обеспечение жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому в суспензии, поступающей на выпарку, концентрация солей крайне мала и практически равна нулю.
Температурные потери от гидравлических сопротивлений возникают при движении вторичных паров на участке сепаратор первого корпуса — греющая камера второго корпуса и сепаратор второго корпуса — барометрический конденсатор. Они вызваны падением давления пара из-за гидравлического сопротивления паропровода. Чаще всего принимают без расчёта в интервале 0,5 — 1,5 о С (примем =0,5 о С).
Температурные потери от гидростатического эффекта объясняются изменением давления по высоте кипятильных труб.
Для расчёта сначала принимаются температуры конденсации вторичных паров по корпусам. Для первого корпуса выбираем = 90 о С (исходя из особенностей выпаривания дрожжевой суспензии) и для второго корпуса определяется по паровым таблицам [8, с. 548 — 550] в зависимости от рВ. Для рВ = 0,23 атм определяем = 63,5 о С. Затем по этим температурам, с учётом гидравлических депрессий, рассчитываем температуры кипения суспензии в сепараторах:
По значениям t1 и t2 определяются давления в сепараторах р1 и р2 по паровым таблицам :
Поскольку температура кипения суспензии в выпарных аппаратах переменна по высоте труб, то среднюю температуру кипения обычно определяют на середине высоты греющих труб с учётом гидростатического давления. Для этого рассчитывают давление в среднем слое выпариваемой суспензии, например, для первого корпуса:
где — плотность суспензии при температуре t1 (определяется графически при концентрации х1), кг/м 3 ;
g — ускорение свободного падения, м/с 2 ;
Н — высота от верхнего уровня жидкости в сепараторе до середины греющих труб, м (по определяем Н = 5,5 м).
По паровым таблицам определяем
Сумма всех температурных потерь для установки в целом
Полезная разность температур по корпусам
Суммарная полезная разность температур
2.3 Расчёт нагрузок корпусов выпарной установки по методу проф. И.А. Тищенко
Теплоёмкость дрожжевой суспензии в зависимости от концентрации а.с.в. в узком интервале концентраций изменяется практически линейно. С учётом этого из уравнения теплового баланса получаем
— коэффициент испарения, показывающий количество воды,
выпаренной за счёт 1 кг первичного пара;
— коэффициент самоиспарения, учитывающий количество
воды, выпаренной за счёт тепла самоиспарения раствора;
— коэффициент тепловых потерь, учитывающий потери тепла в окружающую среду.
В общем методе расчёта, предложенном проф. А. И. Тищенко , принимается =1,0 и произведения двух и более коэффициентов самоиспарения равными нулю. При этом кроме того, для всех корпусов принимается, то есть не учитываются температурные потери.
В соответствии с приведённым выше уравнением (12) для первого корпуса получим:
Для второго корпуса ;
Суммируя уравнения (13) и (14) получим
откуда находим расход греющего пара на первый корпус установки
Теплосодержание потоков пара и жидкости определяем по паровым таблицам в зависимости от давления (таблица 1).
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по процессам и аппаратам на тему:
«Двухкорпусная вакуум-выпарная установка
ПРОЕКТИРОВАЛ СТУДЕНТ группы 3ПТ
Лахова Инна Александровна
Фёдоровов Константин Михайлович
ПРОЕКТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ
1. Задание на проектирование
Спроектировать двухкорпусную выпарную установку для концентрирования водного раствора продукта от начальной концентрации хн до конечной хк при следующих условиях:
1) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Ргп;
2) давление в барометрическом конденсаторе Рбк;
3) взаимное направление пара и раствора – прямоток;
4) отбор экстрапара не производится.
Исходные данные:
Gн – производительность установки по исходному продукту;
хн – начальная концентрация сухих веществ в продукте;
хк – конечная концентрация сухих веществ в продукте;
Рбк– абсолютное давление в барометрическом конденсаторе;
t1 – начальная температура продукта, поступающего на сгущение;
t – начальная температура охлаждающей воды;
Pгп– давление греющего пара;
Gн = 4,2 кг/с
Pбк = 18,20 кПа
Pгп = 1,1 кг/см 2
Выпарной аппарат – с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 1, исполнение 2);
Продукт – М – молоко;
Количество корпусов – 2.
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:
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.
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 Рбк.
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:
Гидростатическая депрессия обусловлена разность давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Рср каждого корпуса определяется по уравнению
где Н - высота кипятильных труб в аппарате, 4 м; - плотность кипящего раствора, кг/м 3 ; - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), 0,5 м 3 /м 3 .
Плотность растворов по корпусам можно рассчитать по следующей зависимости:
где x – средняя концентрация продукта в корпусе.
Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:
; .
Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в о С)
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:
Концентрация растворов, х, %
Давление греющих паров, Ргп, Па
Температура греющих паров, tгп, °С
Температурные потери, , град
Температура кипения раствора tк, °С
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:
.
tк=58 - 3 = 55єС;
t1= tн = 10єC;
где Iбк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tн - начальная температура охлаждающей воды, °С; tк - конечная температура смеси воды и конденсата, °С; (tк = tбк – 3).
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров.
5.1.2. Диаметр конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора dбк определяют из уравнения расхода
,
где - плотность паров, кг/м 3 ; - скорость паров, м/с.
кг/м 3 при tбк=58єС;
Принимаем согласно ГОСТу диаметр барометрического конденсатора
dбк = 1000 мм.
5.1.3. Высота барометрической трубы.
В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе
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
5.2. Расчет производительности вакуум-насоса.
Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
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); Мвозд – молекулярная масса воздуха, кг/ кмоль; tвозд – температура воздуха, єС; Рвозд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению
Давление воздуха равно
,
где Pп – давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд.
.
Зная объемную производительность Vвозд 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:
Коэффициент теплопередачи принимаем равным К=1000Вт/(м 2 ·К),
– среднелогарифмическая разница температур, рассчитывается по формуле:
6. Техническая характеристика установки
По ГОСТ 11987-81 выбрали выпарной аппарат со следующими характеристиками:
Номинальная поверхность теплообмена, Fн | 40 м 2 |
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, м 3 /мин | 6 |
Мощность на валу, кВт | 12,5 |
7. Вывод
Рассчитанная двухкорпусная установка непрерывного действия:
выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой;
Установка предназначена для упаривания молока с начальной концентрацией 11% до концентрации 53%; производительность по исходному раствору 4,2 кг/с
Читайте также: