Расчет однокорпусного выпарного аппарата

     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