Трехкорпусная выпарная установка

 Гидростатическая депрессия  обусловлена разностью давлений  в среднем слое кипящего раствора  и на его поверхности. Давление  в среднем слое кипящего раствора  Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению:

Р_ср=Р_в.п+gН(1-)/2, где Н-высота кипятильнвх труб в аппарате, м; плотность кипящего раствора, кг/м³; – паронаполнение, м³/ м^3.

При пузырьковом режиме кипения  паронаполнение составляет 0,4-0,6. Примем =0,5. Плотность [3]:

₁= 960кг/м³; ₂=964кг/м³ ₃= 986кг/м³

При определении плотности  растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры  от 15 до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения

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

 

 

 

 

 

 

Этим давлениям соответствуют  следующие температуры кипения  и теплоты испарения растворителя [2]:

P, Мпа	t,	r, кДж/кг
	93,5	r=2398
	78,2	r=2424
	45,9	r=2478

 

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ):

 

 

 

Сумма гидростатических депрессий

 

Температурную депрессию  определим по уравнению

Где T-температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; – температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение по корпусам (в ):

 

 

 

Сумма температурных депрессий

 

 

Температуры кипения растворов  в корпусах равны (в ):

 

 

 

4.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

 

Полезные разности температур по корпусам (в ) равны:

 

 

 

Тогда общая полезная разность температур:

 

Проверим общую полезную разность температур:

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й  корпус, производительность каждого  корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем  совместного решения уравнений  тепловых балансов по корпусам и уравнения  баланса по воде для всей установки:

 

 

 

Где 1,03- коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; – теплоемкость растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах, кДж/(кг*К); - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе;  (где - температурная депрессия для исходного раствора) ; при решении уравнений можно принять:

 

Поскольку составляет значительно меньше 3%, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной

Теплоемкость сливок по справочным данным [3]:

 

 

 

Получим систему уравнений:

 

 

 

 

Решение этой системы уравнений  дает нам следующие результаты:

 

Результаты расчетов сведены  в таблицу:

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	0,075	0,08	0,067
Концентрации растворов  х,%	31,3	43,4	75
Давление греющих паров	0,11	0,075	0,04
Температура греющих паров	102,2	91,7	75,8
Температурные потери	6,6	6	21,6
Температура кипения раствора	98,3	81,8	54,4
Полезная разность температур	7,6	11,4	21,4

 

Наибольшее отклонение вычисленных  нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 3%, поэтому не будем  пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

4.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный  материал, стойкий в сред кипящих сливок. В этих условиях стойкой является сталь марки 12Х18Н10Т [5]. Скорость коррозии составляет 0.01мм\год, коэффициент теплопроводности λст = 15.71Вт\(м*К).

 

4.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи  для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

 

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенку Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

 

 

Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующего пара к стенке

 

Где - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; - соответственно плотность (кг/), теплопроводность Вт/(м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки где - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет  ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем =2,0 град. Тогда

 

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

 

Где q-удельная тепловая нагрузка, Вт/;-перепад температур на стенке; -разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

 

Отсюда

 

Тогда

 

Коэффициент теплоотдачи  от стенки к кипящему раствору для  пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках равен:

 

Подставив численные значения, получим:

 

Физические свойства кипящих  сливок и их паров приведены в  таблице [3], [4]:

Параметр	Корпус
	1	2	3
Теплопроводность раствора, Вт/(м*К)	0,53	0,37	0,27
Плотность раствора	960	964	986
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг*К)			3340
Вязкость раствора , Па*с	0,021	0,025	0,029
Поверхностное натяжение  , Н/м	0,0019	0,0027	0,0035
Теплота парообразования  , Дж/кг	2252*	2305*	2370*
Плотность пара	1,81	1,13	0,92

 

Проверим правильность первого  приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

 

 

Как видим,

 

Находим

 

 

Далее рассчитает коэффициент  теплопередачи для второго корпуса. Для этого найдем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видим,

Находим

 

 

Далее рассчитает коэффициент  теплопередачи для второго корпуса. Для этого найдем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видим,

Находим

 

 

4.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим  из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

 

Где соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-ого корпуса.

Подставив численные значения, получим:

 

 

Проверим общую полезную разность температур установки:

 

Теперь рассчитаем поверхность  теплопередачи выпарных аппаратов  по формуле:

 

 

 

 

 

По ГОСТ 11987-81 [10] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность  теплообмена	25
Диаметр труб d	38х2 мм
Высота труб Н	5000 мм
Диаметр греющей камеры	1000 мм
Диаметр сепаратора	1600 мм
Общая высота аппарата	10720 мм
Масса аппарата	4600 кг

 

5 Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности  изоляции в окружающую среду:

 

Где коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, температуры изоляции со стороны окружающей среды;

; температуры окружающей среды, ; коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м*К).

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-ого корпуса:

 

В качестве материала для  тепловой изоляции выбираем совелит (85 % магнезии+ 15% асбеста), [6] имеющий коэффициент теплопроводности Вт/(м*К).

Тогда получим:

 

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,025 м и для других корпусов.

 

6 Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в  выпарных установках обычно применяют  конденсаторы смешение с барометрической  трубой. В качестве охлаждающего агента использую воду, которая подается в конденсатор чаще всего при  температуре окружающей среды. Смесь  охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум насоса откачивают неконденсирующие газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры  барометрического конденсатора  барометрической  трубы, производительность вакуум-насоса.

 

 

6.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:

 

Где энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж\кг; конечная температура смеси воды и конденсата, .

Разность температур между  паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому  конечную температуру на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры  конденсации паров:

 

Тогда

 

 

6.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определяют из уравнения расхода:

 

Где плотность паров, кг/ При остаточном давлении Па скоость паров =15-25 м/с. Тогда

По нормалям [7] подбираем конденсатор диаметром, равным 800 мм. Определяем его основные размеры.

 

6.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [7] внутренний диаметр барометрической трубы равен 200 мм. Скорость воды в барометрической трубе

 

Высота барометрической  трубы

 

Где В- вакуум в барометрическом конденсаторе, ПА; сумма коэффициентоа местных сопротивлений; коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5- запас высоты на возможное и-менение барометрического давления, м.

 

 

Где - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

 

Для гладких труб при  коэффициент трения равен 0,022.

Тогда:

 

 

7.Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум насоса определяется количеством газа, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

 

Где количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Где R-универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль*К); -молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; -температура воздуха, ; -парициальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

 

Температуру воздуха рассчитываем по уравнению:

 

Давление воздуха равно:

 

Где -давление сухого насыщенного пара при 27. Подставив, получим:

 

Тогда

 

Зная объёмную производительность

 

Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчёт  выпарой установки для сгущения сливок до конечной концентрации сухих веществ 75 %. Исходное веществе – сливки концентрацией 25%. Для расчетов был выбран пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой.

В ходе работы для аппарата рассчитано и выбрано: номинальная  поверхность теплообмена, диаметр  и высота труб, диаметр греющей  камеры, диаметр сепаратора, диаметр  циркуляционной трубы, общая высота аппарата и его масса. Так же произведен расчет толщины теплоизоляции и  расчет вспомогательного оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию, под. ред. Ю.И. Дытнерского, Москва: ООО ИД «Альянс», 2007 –496 с.
2. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, под. ред. П. Г. Романкова, Москва: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 548-576 с.
3. Проектирования процессов и аппаратов пищевых производств: учебное пособие, Еренгалиев А. Е., Масленников С. Л., Какимов А. К., Тусипов Н. О, Семей: СГУ имени Шакарима. 2008-208 с.
4. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: справочник, А. С. Гинзбург, Москва “Пищевая промышленность” 1980.
5. Инженерно-экологический справочник, под ред. Тимонина А.С., Издательство: Н.Бочкаревой, Калуга 2003 - 2825 с.
6. Теплотехнический справочник. Т. 2. М.: Энергия, 1972.896 с.
7. ОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.
8. Вакуумные насосы. Каталог справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. 63 с.
9. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, Москва: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 753 с
10. ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.