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.