Выпарник 2-х корпусной

2.1.Описание принципа работы технологической схемы

 

Закваска на молочной сыворотке на сгущение центробежными насосами Н1 и Н2 из емкости Е1 с начальной температурой 18⁰С подается в выпарной аппарат АВ1. Там закваска, подымаясь по трубкам, концентрируется до концентрации 8,5% и направляется в выпарной аппарат АВ2,где концентрируется до конечной концентрации 39,8%.Далее продукт подается в емкость Е2 на хранение. Образовавшийся вторичный пар идет в барометрический конденсатор КБ и конденсируется. Образовавшийся конденсат в выпарных аппаратах отводится конденсатоотводчиками КО2 и КО3.

 

2.2.Материальный расчёт установки.

 

W=1075 кг/ч - производительность аппарата по испаренной влаге, кг/ч

X _нач =8.5% - концентрация сухих веществ в закваске до упаривания;

X _кон =39.8% - концентрация сухих веществ в закваске после упаривания;

tз=18°С- начальная температура закваски, °С.

tв=16°С- температура воды на входе, °С.

P_к = 0.006 МПа –давление пара в конденсаторе.

P_гп = 0.16 МПа – давление греющего пара.

d=0,93- степень сухости пара.

Выпаривание ведут при  температуре t =70-95⁰С

Материальный баланс:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.Тепловой расчёт аппарата.

 

Определение температуры кипения  растворов:[1]

DРобщ=Ргп-Рк=0,16-0,006=0.154МПа,

где Ргп – давление греющего пара, МПа;

      Рк – давление в конденсаторе, МПа.

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

Тогда

 

В первом приближении  общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда  давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:

Давление пара в конденсаторе:

,

Что соответствует заданной величине Рк=0,006МПа.

По давлениям паров  находим их температуры и энтальпии [7]

            

          

        

Принимаем величину гидродинамической  депрессии для каждого корпуса равной:[1]

Тогда температуры вторичных паров:

По температуре вторичного пара определим его давление:

 

[7] 
                   

         

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

,

Где Н- высота кипятильных  труб в аппарате,м;

ρ- плотность кипящего раствора, кг/м³;

ε- паронаполнение (обьемная доля паров в кипящем растворе), м³/ м³.

Для выбора Н необходимо ориентировочно оценить поверхность  теплопередачи выпарного аппарата Fор. Для аппаратов с естественной циркуляцией тепловая нагрузка аппаратов равна g=20000-50000 Вт/м². Примем g=35000 Вт/м².[1] Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна:

м²,

Где r- теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг[7]

По ГОСТ 11987-81 [1, Пр-2] аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоит из кипятильных труб высотой 5м и 4м при dн=38мм и толщине стенки δст=2мм. При пузырьковом кипении  паронаполнение составляет ε=0,5. Плотность закваски ρ=1027кг/м³[3, СТР.108] .

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

 

Этим давлениям соответствуют  температуры кипения и теплоты  испарения растворителя[7]

Р1ср=21693,4Па               t1=62,16              rвп1=2353,1 кДж/кг

Р2ср=18867,59Па               t2=58,98              rвп2=2360,9 кДж/кг

Определяем гидростатическую депрессию :

Сумма гидростатических депрессий равна:

 
Температурная депрессия определяется по уравнению:

,

Где Т- температура паров  в среднем слое кипятильных труб;

- температурная депрессия при  атмосферном давлении.[4., ПР-5.4.]

Находим значение по корпусам:

,

,

 

Сумма температурных  депрессий равна:

Температуры кипения  растворов в корпусах равны:

В аппаратах с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой обычно достигаются скорости раствора υ=0,6-0,8 м/с.

Масса циркулирующего раствора равна:

,

Где S- сечение потока в аппарате,м²

,

 

Расчёт полезной разности температур:

 

Общая полезная разность температур:

Полезные разности температур по корпусам:

Тогда полезная разность температур:

Проверим общую полезную разность температур:

°С

 

Определение тепловых нагрузок:

 

 

  Где 1.03 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду (3%);

Ссух=4077,9 Дж/кг(при 40°С) – теплоёмкость абсолютно сухого вещества закваски на молочной сыворотке[3]

( -температурная депрессия для исходного раствора )

    

Определение расхода  греющего пара:

Выбор конструкционного материала:

 

В качестве конструкционного материала выбираем сталь нержавеющую, марки Х18Н10Т. Коэффициент теплопроводности

 

Расчет коэффициента теплопередачи:

 

Примем, что суммарное сопротивление  равно термическому сопротивлению  стенки (d/l) и накипи (dн/lн). Получим:

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке a, равен:

В первом приближении  примем Dt1=2.0 град. Тогда средняя температура плёнки:

 

 

Для установившегося процесса теплопередачи  справедливо уравнение:

Тогда:

 

 

 

Рассчитаем действительный коэффициент теплопередачи :

 

 

Уточнённое значение площади теплопередачи выпарного  аппарата:

 

 

Согласно [1] принимаем к установке выпарной аппарат (тип 1, исполнение 2) с номинальной поверхностью теплообмена 10 м², с диаметром греющей камеры 0,4 м и габаритной высоте не более 12 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.Тепловые расчёты  комплектующего оборудования.

 

2.4.1.Расчёт барометрического конденсатора.

 

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смещения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 ⁰С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической  трубы, производительность вакуум-насоса.

 

Расход охлаждающей  воды

Расход охлаждающей  воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

G_в= ω₂(I_бк-с_вt_к)/ с_в(t_к-t_н)

где I_бк —энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; t_н — начальная температура охлаждающей воды, ⁰С; t_к -  конечная температура смеси воды и конденсата, °С.

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

                                   t_к = t_бк-3,0=36,18-3,0=33,18 °С.

Тогда

G_в=0,16(2567100-4,19*10³*33,18)/4,19(33,18-16)=5396,91 кг/с.

 

Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк  определяют из уравнения расхода:

 

d_бк=

где ρ-плотность паров,[5] кг/м²: ν — скорость паров, м/с.

При  остаточном давлении в   конденсаторе  порядка   10⁴ Па

скорость паров  ν=15-25 м/с. Тогда

 

d_бк= =0,4м

По нормалям НИИХИММАШа подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром d_бк = 500 мм .[1,Пр.-5]

 

  Высота барометрической трубы

 

В соответствии с нормалями [1,Пр-5] , внутренний диаметр барометрической трубы d_бт равен 125мм.Скорость воды в барометрической трубе

ν=4(G_в+ ω₂)/ρπd²_бт=4(5396,91+0,16)/1000*3,14*0,125²=440,02м/с,

 

Высота барометрической  трубы

Н_бк=В/ρ_вg+(1+∑ξ+λ Н_бт/ d_бт) ν_в²/2g+0,5, 

 

где  В—вакуум  в  барометрическом  конденсаторе,  Па;  ∑ξ— сумма  коэффициентов местных сопротивлений; λ— коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 — запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

 

В=P_атм-P_бк=9,8*10⁴-6000=9,2*10⁴ Па;

∑ξ=ξ _вх –ξ_вых=0,5+1,0=1,5,

где ξ _вх , ξ_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее. Коэффициент трения λ зависит от режима течении жидкости.

Определим режим течения воды в барометрической трубе:

 

Re=ν_вd_бтρ_в/μ_в=440,02*0,125*1000/(1*10^-3)=55002500

 

Для гладких труб при Ре = 62500 коэффициент трения λ= 0,62. Подставив в указанные значения, получим:

 

 

         Расчет производительности вакуум-насоса

 

Производительность   вакуум-насоса   G_возд  определяется   количеством   газа   (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

G_возд=2,5*10^-5 (ω₂+G_в)+0,01* ω₂,

где 2,5*10⁵ — количество газа, выделяющегося из1 кг воды; 0,01 — количество газа, в конденсатор через неплотности, на 1  кг паров. Тогда

G_возд=2,5*10^-5 (0,16+5396,91)+0,01*0,16=0,14 кг/с.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

 V_возд=R(273+t_возд) G_возд./(М_возд*Р_влзд),кг/с.

где R-универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль*К); М_возд-молекулярная масса воздуха, кг/кмоль ;t_возд-температура воздуха,⁰С; Р_влзд- парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе,Па.

 Температуру воздуха  рассчитывают по уравнению

t_возд=t_н+4+0,1(t_к-t_н)=20+4+0,1(33,18-20)=25,32⁰С;

      Давление  воздуха равно:

Р_влзд= P_бк-P_п,

 где P_п  - давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд = 25,32 ⁰С. [7]

Подставив, получим:

Р_влзд= 6000 -3166,3 =2833,7Па.

Тогда

V_возд=8310(273+25,32)*0,14/29*2833,7=4,22 м³/мин

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк, по каталогу [1, Пр-6] подбираем вакуум-насос типа ВВН-6 мощностью на валу N= 12,5 кВт