Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки для производства концентрированного молока с производительностью G = 1,4 кг/с

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

 МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

 

ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

 

Пояснительная записка

 

к курсовому проекту

по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

 

на тему: «Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки

 для производства концентрированного  молока

 с производительностью G = 1,4 кг/с»

 

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАЛ СТУДЕНТ з/о группы

 

 

 

РУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА

 

 

 

ПРОЕКТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ

 

 

 

 

 

 

 

2014

Содержание

	Стр.
1. Задание на проектирование	3
2. Введение	4
3. Принципиальная схема установки и ее описание	6
4. Технологический расчет	8
4.1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов	8
4.2. Концентрации упариваемого молока	8
4.3. Температуры кипения молока	9
4.4. Определение тепловых нагрузок 4.5. Расчет коэффициентов теплопередачи 4.6. Определение поверхности теплопередачи	11 11 12
5. Расчет вспомогательного оборудования	13
5.1. Расчет барометрического конденсатора	13
5.1.1. Расчет расхода охлаждающей воды	13
5.1.2. Расчет диаметра конденсатора	13
5.1.3.Расчет высоты барометрической трубы	14
5.2. Расчет производительности вакуум-насоса	15
5.3. Расчет теплообменника	15
6. Техническая характеристика установки 7. Выбор точек контроля работы установки	17 18
8. Заключение	19
9. Список использованной литературы	20

 

Приложение 1.

Технологическая схема двухкорпусной вакуум-выпарной установки с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой (Тип 1, Исполнение 1).

Приложение 2.

Чертеж общего вида двухкорпусной вакуум-выпарной установки с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой (Тип 1, Исполнение 1).

 

 

 

 

 

 

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 охлаждающей воды;

t –начальная температура продукта, поступающего на сгущение;

Pгп– давление греющего пара;

Gн = 1,4 кг/с

xн = 9,5%

xк = 40%

Pбк = 12,99 кПа

t1 = 9°C

t = 21°C

Pгп = 1,1 кг/см2

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

Продукт – М – молоко;

Количество корпусов – 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Введение /1/

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 /1/

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. Молоко 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 молока повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

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

Самопроизвольный переток молока 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, Образующееся во втором корпусе концентрированное молоко центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного молока 11.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Технологический расчет /2/

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 молока и его температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

 кг/с. 

4.2. Концентрации упариваемого молока.

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

w1:w2 = 1,0:1,1.

Тогда:

 кг/с;

 кг/с.

 

Далее рассчитываются концентрации молока в корпусах

 

;

.

4.3. Температуры кипения молока.

 

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:

	Р, Па	t, °С	i, кДж/кг
в.п1 в.п2		102,5 86,4 51	2680 2637,3 2592,8

 

Поскольку для определения tкип мы используем tвт.п над раствором, гидродинамическую депрессию считать не нужно.

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

,

где Н-высота кипятильных труб в аппарате, 3 м; - плотность кипящего молока, кг/м3; - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем молоке), 0,5.

Плотность молока по корпусам можно рассчитать по следующей зависимости:

,

где x – средняя концентрация молока в корпусе.

;

;

 кг/м3;

 кг/м3.

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

;

  .

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя: