Технологический расчет выпарного аппарата

Барботажные выпарные аппараты с погружными горелками. Для выпаривания таких агрессивных жидкостей, как серная, фосфорная, хлороводородная кислоты, сульфаты и хлориды некоторых металлов и др., наиболее эффективным способом оказался барботаж дымовых газов с помощью погружных горелок 2 (рисунок 1.11), работающих на газообразном или жидком топливе. В этом методе выпаривания создаются хорошие условия для тепломассообмена между дымовыми газами и жидкостью, так как дымовые газы при барботаже в растворы распыляются в виде пузырьков, образуя газожидкостную смесь, обладающую большой межфазной поверхностью.

Рисунок 1.11. Барботажный выпарной аппарат с погружной горелкой: 1 -форсунка; 2-погружная горелка; 3-корпус выпарного аппарата.

Интенсивное испарение раствора обеспечивается насыщением газовых пузырьков водяным паром.

Большим достоинством барботажных  выпарных аппаратов является возможность изготавливать их из обычной углеродистой стали, однако их приходится футеровать самыми разнообразными антикоррозионными материалами: керамикой, графитом, резиной, пластмассами и др. ^[2]

 

 

 

 

 

 

2 Технологическая схема линии и ее описание

 

Двухкорпусная циркуляционная вакуум-выпарная установка с поверхностным  конденсатором и системой пароструйных вакуум-насосов показана на рисунке 2.1.

Вакуум-выпарная установка  имеет три трубчатых подогревателя 11, 13, 14, в которых томатная масса движется по трубам. В межтрубное пространство подается пар для нагревания продукта. В подогреватель первой ступени 11 поступает вторичный пар (50°С), образованный во втором корпусе, из сепаратора 2, а в подогреватель второй ступени 13—вторичный пар, образованный в первом корпусе, из которого он сначала проходит через калоризатор второго корпуса, а затем попадает в межтрубное пространство этого подогревателя. Температура пара 68°С. В подогреватель 14 паровоздушная смесь (100°С) направляется из двухступенчатого эжектора 8.  Кроме того, подогреватель 14 может выполнять функции пастеризатора, т. е. исходное сырье не нужно предварительно пастеризовать.

Вторичный пар, образованный в первом корпусе, используют следующим образом. Часть его служит греющим агентом во втором корпусе установки, часть направляют в подогреватель 13, остальной пар поступает в инжектор, где происходит его термокомпрессия. После термокомпрессии вторичный пар используется в качестве греющего в калоризаторе первого корпуса.

При использовании вторичного пара, поступающего из второго корпуса, в подогревателе 11 для нагревания томатной массы часть его конденсируется, поэтому в поверхностный конденсатор 4 направляется сравнительно небольшое количество пара, который не успел сконденсироваться в подогревателе первой ступени.

Вакуум в  установке создается и поддерживается системой эжекторов (пароструйных вакуум-насосов). Эжектор 7 используется только в начале работы для создания предварительного вакуума в системе. Паровоздушная смесь из него выбрасывается в атмосферу. Двухступенчатый эжектор 8 является рабочим. В период пуска установки (создание предварительного вакуума) паровоздушная смесь из него также отводится в атмосферу. В рабочий период эта смесь поступает в подогреватель 14.

Система отвода конденсата из калоризаторов, подогревателей и конденсатора работает следующим образом. Из калоризатора первого корпуса конденсат через подпорную шайбу переходит в калоризатор второго корпуса. Затем через подпорную шайбу поступает в конденсатор 4, из которого конденсат, собранный из калоризаторов, подогревателя второй ступени и образованный в конденсаторе, отводится вакуум-насосом 9. Конденсат, образованный в подогревателе 11, отсасывается тем же насосом 9.

Рисунок 2.1 .Схема двухкорпусной вакуум-выпарной  установки: 1-инжектор (термокомпрессор); 2-сепаратор; 3-термометр; 4-поверхностный конденсатор; 5-мановакуумметр; 6-шибер; 7-пусковой эжектор; 8-двухступенчаты эжектор; 9-вакуум-насос для откачивания конденсата; 10-насос для откачивания томатной массы; 11-подогреватель первой ступени; 12-дроссельный клапан для томатной массы; 13-подогреватель второй ступени; 14-подогреватель третьей ступени; 15-калоризаторы.

 

При работе вакуум-выпарной установки томатная масса поступает в подогреватель 11, затем переходит в подогреватели 13 и 14. Из подогревателя 14 томатная масса попадает в калоризатор первого корпуса. Частично из сепаратора первого корпуса через дроссельный клапан 12 переходит в калоризатор второго корпуса. Сгущенная до требуемой концентрации томатная масса из сепаратора второго корпуса через дроссельный клапан непрерывно отсасывается насосом 10. ^[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Технологический расчет  выпарного аппарата

 

Рассчитать двухкорпусную  выпарную установку непрерывного 
действия для сгущения томатной массы в количестве G= 4450 (1,2 кг/с ) кг/ч от В_н = 5,8 и В_к.п = 29 %. Масса поступает на выпаривание подогретой до температуры кипения. Давление пара, греющего I корпус, р=0,115 МПа, остаточное давление вторичного пара, поступающего в барометрический конденсатор, р_к = 11,8 КПа. Схема установки приведена на рисунке 3.1.

Количество воды, выпаренной в двух корпусах установки, определяем по уравнению (3.1):

W = G ( 1- В_н / В_к.п ), (3.1)

W = 1,2 ( 1- 5,8 / 29 )= 3,5 кг/с.

На основании практических данных примем следующее соотношение  массовых количеств воды, выпариваемой по корпусам:

I: II =1,0 : 1,1.

Тогда количество воды, выпариваемой по корпусам, составит

в I корпусе W₁ = 3,5*1,0/(1 + 1,1) = 1,7 кг/с

во II корпусе W₂= 3,5*1,1/(1 + 1,1) = 1,8 кг/с

Итого W = 3,5  кг/с.   

Из I корпуса во II переходит томатной массы

G₁ = G — W₁ = 1,2 – 1,7 = 0,2 кг/с.

Из II корпуса получим сгущенной массы

G₂ = G — W = 1,2 — 3,5 = 2 кг/с.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1. Зависимость  скорости циркуляции от hопт/Н

Рисунок 3.2. К расчету  выпарной установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определяем конечную концентрацию сгущенной массы в  каждом корпусе по уравнению  (3.2):

В_к.п = GB_н / (G — W₁ — … — W_n ), (3.2)

в I корпусе В_к1 = 1,2 – 5,8 / (1,2 — 1,7 ) = 9,2 %

во II корпусе В_к2= 1,2 – 5,8 / (1,2 — 1,7 —1,8 ) = 20 %, т. е. полученная концентрация равна заданной. Распределим давление пара по корпусам.

Разность между давлением пара, греющего I корпус, и давлением второго пара в барометрическом конденсаторе

êр= р—р_к= 115 – 11,8 = 103,2 кПа.

Распределим перепад  давлений между корпусами поровну, т. е. на каждый корпус примем êр =103,2 / 2 = 51,6 кПа.

Тогда давление по корпусам будет:

во II корпусе р₂=11,8 кПа (задано)

в I корпусе p₁= p₂+êp= 11,8 + 51,6 = 63,4 кПа.

Давление греющего пара р = р₁ + êр = 63,4 +51,6 =115 кПа.

По таблицам водяного пара находим температуру насыщенного  водяного пapa t_н (в °С) и теплоту парообразования г (в Дж/кг) для принятых давлений р (в кПа) в корпусах:

 

	p	tн	r
Корпус I	63,4	88	2288 * 10³
Корпус II	11,8	49	2385 * 10³
Греющий пар	115	104	2245 * 10³

 

Рассчитываем температурные  потери по корпусам.

Температурные потери от физико-химической депрессии в зависимости от концентрации томатной массы и давления в корпусе определяем по формуле ( 3.3 ):

ê_ф-х = 0,025В_к1^1,1 p^0,17, ( 3.3 )

для I корпуса ê_ф-х = 0,025 *9,2^1,1 * 63,4^0,17 =  0,58 °С.

для II корпуса ê_ф-х = 0,025 * 20^1,1 * 11,8^0,17 = 1,03 ^оС, следовательно, по двум корпусам ê_ф-х = 0,58 + 1,03= 1,61°С.

Температурные  потери  от  гидростатической депрессии  примем  равными 1,6°С на каждый корпус. Тогда для двух корпусов ê_rс=1,6*2=3,2⁰ С.

Температурные потери от гидравлической депрессии примем равными 1°С на каждый корпус. Тогда для двух корпусов ê_Г=1 * 2 = 2°С.

Сумма всех температурных  потерь на установке

ê = 1,61 + 3,2 + 2 = 6,81 °С.

Определяем полезную разность температур на установке. Полная разность температур определяется по формуле ( 3.4 )

êt_полн = t_п1 —t_вт.п, ( 3.4 )

êt_полн= 104— 49 = 55 ° С.

Полезная разность температур определяется по формуле ( 3.5 )

êt = t_п — t_р, ( 3.5 )

êt  = 55 — 6,81 = 48,2° С.

Рассчитываем температуры  кипения массы в корпусах по уравнению 

( 3.6 )

t_кип = t_вт + (ê_ф-х + ê_г.с ), ( 3.6 )

во II корпусе t₂ = 49 + 1,03 + 1,6 = 52,6 °С;

в I корпусе t₁ = 88 + 0,58 + 1,6 = 90,2 ° С.

Рассчитываем коэффициенты теплопередачи по корпусам.

Учитывая, что для принятых медных труб диаметром 33X1,5 мм величина δ/λ очень мала, коэффициент теплопередачи К  [в Вт/(м²*К)]  определяем по формуле (3.7 )

К = α₁*α₂/( α₁ + α₂ ), (3.7)

Коэффициент теплоотдачи α₁ от пара к стенке труб при t =102° С для I корпуса

α₁ = 1163(1,9 + 0,04-102) = 6960 Вт/(_мз*К).

При массовом напряжении поверхности нагрева аппарата u=24кг/(м²*ч) I рассчитаем значение α₂ = A₂u ^0,6.

Согласно рисунку 3.3 при  концентрации массы В=9,2 мас.% и температуре  кипения ее t = 90,2° С А₂ = 470.

Тогда α₂ = 470 * 24^0,6 = 2920 Вт/(м²*К);

К₁= 6960 * 2920/(6960 * 2920) = 2050 Вт/(м²*К).

Рассчитаем коэффициент теплопередачи для II корпуса. При t_пл = 80°С α₁ = 1163(1,9 + 0,04 * 80)=5931 Вт/(м²*К).

Примем массовое напряжение для II корпуса u =18 кг/(м²*ч). Согласно рисунку 3.3  В=20 мас.%  и t₂ = 52,6°C, А = 280. Тогда α₂ =280*18^0,6 =1586 Вт/(м²*К) и

К_п = 5931 * 1586/(5931 +1586) = 1251 Вт/(м²*К).

С учетом загрязнения К₂= 1251*0,9= 1126 Вт/(м²*К).

Определяем тепловые нагрузки по корпусам с учетом тепловых потерь. Так как томатная масса  подается на выпарку подогретой до температуры кипения, тепловая нагрузка на I корпус будет

Q₁ =W₁r₁ * l,05, (3.8 )

Q₁ = 1,7 * 2288 * 10³ * 1,05 = 4084 *10³ Вт.

Во II корпус, работающий под меньшим давлением, томатная масса поступает перегретой, и при самоиспарении из нее выделяется часть воды в виде вторичного пара. Тогда тепловая нагрузка на II корпус

Q₂=[W₂r₂—G₁с₁(t₁—t₂)]*1,05, ( 3.9 )

Q₂=[1,8*2385*10³—0,2*3150*(90,2-52,6)]*l,05= 2058*10³ Вт,

где с = 3150 Дж/(кг*К) —теплоемкость  томатной массы.

Расход  греющего   пара   на   I   корпус 

D₁ = Q₁/r₁, (3.10 )

D₁= 4084 *10³/(2288 * 10³) =1,8 кг/с.

Удельный  расход  пара

d₁=D₁/W, ( 3.11 )

d₁=1,8/3,5 = 0,5 кг на 1 кг воды.

Распределение полезной разности температур найдем из условия  одинаковой поверхности нагрева  по  корпусам. Полезная разность температур по формуле ( 3.12 ) будет для I корпуса

êt₁ = (êt_уQ₁/K₁)/∑ⁿ₁(Q/К), ( 3.12 )

Рисунок 3.3. Зависимость  коэффициента А2 от температуры кипения и концентрации раствора.

êt₁ = (51,2*1284*10³)/[(1284*10³/1845) + (1345*10³/1126)]*1845 = 18,8^СС;

для II корпуса

êt₂=(51,2*1345*10³/1126)/[(1284*10³/1845)+(1345*10³/1126)]=32,4°С.

 Проверяем общую  полезную разность температур

∑êt = êt₁ +êt₂ = 18,8 + 32,4 = 51,2°С,

что указывает на правильность распределения ее.

Определяем поверхности  нагрева корпусов

для I корпуса

F₁= 1284*10³/(1845*18,8) =37 м²;

для II корпуса

F₂= 1345*10³/(1126*32,4)=37 м². ^[4]