Проект трехкорпусной выпарной установки для концентрирования Gн=4,2 кг/с цельного молока
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по процессам и аппаратам
Проектировал студент ____231группы____________________
_______________Громцев Павел Сергеевич_________
_________________17 апреля 2003 года_________________
Руководитель проекта
_______________Жариков Алексей Николаевич _______________
«___» ________________________________________________
П
Санкт-Петербург
2002
Санкт-Петербург
2002
роект защищен с оценкой: _____________________________ВВЕДЕНИЕ.
ВЫПАРИВАНИЕ – это процесс концентрирования растворов нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.
В пищевой промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.
Принцип действия.
Исходный разбавленный раствор (молоко) из промежуточной емкости центробежным насосом подается в теплообменник (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.
Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.
Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор подается в промежуточную емкость упаренного раствора.
Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.
Задание на проектирование
Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования Gн=4,2 кг/с цельного молока от начальной концентрации Xн=11% до конечной
Xк=53% при следующих условиях:
обогрев производится насыщенным водяным паром давлением;Pг1=107,8кПА
давление в барометрическом конденсаторе;Pбк=18,2 кПА
выпарной аппарат – тип 3, исполнение 1 (с наружной циркуляционной трубой);
взаимное направление пара и раствора – прямоток;
1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:F=Q/(K*Vtn)
Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур Vtn необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.
Первое приближение.
Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:W=Gн*(1-Xн/Xк)=4,2*(1-11/53)=3,33 кг/с
Концентрации упариваемого раствора
Принимаем, на основании практических данных:
w1:w2=1,0; 1,1.
Тогда: w1=1,0*W/(1,0+1,1)=1,58 кг/с.
w2=1,1*W/(1,0+1,1)=1,74 кг/с.
Концентрации растворов в корпусах:
X1=Gн*Xн/(Gн-w1)=4,2*0,11/(4,2-1,58)=0,176=17,6%
Xк=X2= Gн*Xн/(Gн-w1-w2)=4,2*0,11/(4,2-1,58-1,74)=0,53=53%
Температуры кипения растворов
Общий перепад давлений в установке:
VPоб=Pг1-Pбк=107,8-18,2=89,6 кПа.
Давление греющих паров в корпусах:
Pг1=107,8 кПа.
Pг2= Pг1- Vpоб/2=107,8-89,6/2=63кПа.
Pбк= Pг2- Vpоб/2=63-89,6/2=18,2кПа.
По давления паров находим их температуры и энтальпии:
-
Р, кПа
t, оС
I, кДж/кг
Pг1=107,8
tг1=102
Iг1=2679,5
Pг2=63
tг2=87
Iг2=2654,3
Pбк=18,2
tбк=58
Iбк=2605,4
Температура кипения молока в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь {V от температурной (V'), гидростатической (V'') и гидродинамической (V''') депрессий ({V=V'+V''+V''').
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус.
Примем V'''=1, тогда температуры вторичных паров:
tвп1= tг2+ V'''=87+1=88 оС
tвп2= tбк+ V'''=58+1=59 оС
Сумма гидродинамических депрессий:
{ V'''= V''' + V'''=1+1=2
По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования:
Pвп1=65кПа; Pвп2=19,05кПа; r1=2287,6 Дж/кг; r2=2360,1 Дж/кг
Поверхность теплоотдачи 1-го корпуса (ориентировочно):
Fор1=Q/q=w1*r1/q=1,58*2287,6*10^3/40000=90,36 м^2. q=40000 Вт/м^2.
Fор2=Q/q=w2*r2/q=1,74*2360,1*10^3/40000=102,66 м^2
Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.
Определяем плотность молока при температуре 15 оС:
a1=Xн+X1=(11+17,6)/2=14,3%; a2=X1+X2=(17,6+53)/2=35,3%
=10*[1,42*a1+(100-a1)]=10[1,42*14,3+(100-14,3)]=1060,0 кг/м^3
[1,42*a2+(100-a2)]=10[1,42*35,3+(100-35,3)]=1148,3 кг/м^3
Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов:
P1ср= Pвп1+g*H*(1-)=65+1060*9,8*4(1-0,5)=85,77 кПа.
P2ср= Pвп2+g*H*(1-)=19,05+1148,3*9,8*4(1-0,5)=41,55 кПа.
По давления паров находим их температуры кипения:
-
Р., кПа
t, оС
r, Дж/кг
P1ср=85,77
t1ср=94
rвп1=2272
P2ср=41,55
t2ср=73
rвп2=2325
Определим гидростатическую депрессию по корпусам:
V''1= t1ср-tвп1=94-88=6 оС
V''2= t2ср-tвп2=73-59=14 оС
Сумма гидростатических депрессий:
{ V''=20 оС
Температурную депрессию определим по формуле:
V'=0,38*exp*(0,05+0,045*a);
Получаем
V'=0,38*exp*(0,05+0,045*14,3)=0,76
V'=0,38*exp*(0,05+0,045*35,3)=1,96
Сумма температурных депрессий:
{V'=2,72
Температуры кипения растворов в корпусах:
tк1=tг2+V'1+V''1+ V'''=88+0,76+6+1=96 оС
tк2=tбк+V'2+V''2+ V'''=59+1,96+14+1=76 оС
Полезная разность температур
Vtп1=tг1-tк1=102-96=6 оС
Vtп2=tг2-tк2=88-76=12 оС
Общая полезная разность температур
{Vtп1=18 оС
Проверяем общую полезную разность температур:
{Vtп1=tг1-tбк-({V'+{V''+{V''')=102-58-(2,72+20+2)=19,28 оС
Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в 1-ый 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:
Q1=m*c*(tк1-tпр)+w1*r1; tк=tг1- (2-3 оС);
Q1=D1*(Iгр1-cк*tк);
m*c*(tк1-tпр)+w1*r1= D*(Iгр1-cк*tк); 4,2*4000*(96-76)+1,58*2287,6=D*(2679-4180*100);
D1=(4,2*4*(96-76)+1,58*2287,6)/ (2679-4,18*100)=1,75кг/с
Q2=D2*(Iвп1-cк*tк); tк=tвп1- (2-3 оС);
Q2=w2*rвп1-mпр*cпр (tк1-tк2)/r (при tк2);
D2= (w2*rвп2-mпр*cпр (tк1-tк2)/r (при tк2))/ (Iвп1-cк*tк)=
=(1,74*2360,1-2,45*4(96-76))/(2317,8-4*86)=1,98 кг/с
2. Расчет барометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют 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 неконденсирующиеся газы.
Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.
2.1 Расход охлаждающей воды
Расход определяем из теплового баланса конденсатора:
Gв=w2*(Iбк-св*tк)/(cв*(tк-tн)).
Так как разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 градусов, конечную температуру воды t>к> на выходе примем на 3 градуса ниже температуры конденсации паров:
tк=tбк-3 оС=58-3 оС=55 оС
тогда
Gв=1,98*(2605,4-4*55)/(4*(55-20))=33,74 кг/с
2.2 Диаметр конденсатора
Определяем из уравнения расхода:
dбк=(4*w2/(П*U))^0,5.
При остаточном давление
в конденсаторе порядка 104 Па
скорость паров примем
Тогда
Dбк=(4*1,74/(0,098*3,14*20))=1,13м.
Выбираем барометрический конденсатор диаметром 1200 мм.
2.3 Высота барометрической трубы
Внутренний диаметр барометрической трубы dбт=300 мм. Скорость воды в барометрической трубе:
U=4*(33,74+w2)/П* dбт^2=4*(33,74+1,74)/1000*3,14*0,3^2=0,5 м/с.
Высота барометрической трубы:
Hбт=B/в*g+(1+{+* Hбт/ dбт)*Uв^2/2*g+0,5.
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе:
B=Pатм-Pбк=9,8*10^4-1,8*10^4=8,0*10^4 Па.
- сумма коэффициентов местных сопротивлений:
{вхвых=0,5+1,0=1,5
Коэффициент трения зависти от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:
Re=Uв* dбт*в/в=0,5*0,3*1000/0,54*10^(-3)=277777
Для гладких труб при Re=111111 коэффициент трения =0,014.
Подставив указанные значения, вычислим высоту барометрической трубы:
Hбт=8,0*10^4/1000*9,8+(1+1,5+0,014*Hбт/0,3)*0,5^2/2*9,8+0,5.
Отсюда находим Hбт=8,67 м.
Список использованной литературы.
1. Иоффе И.Л. «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии» Химия, 1991.
2. «Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств». Под редакцией Ставникова. Киев, 1982.
3. Курсовое проектирование по предмету: «Процессы и аппараты химической промышленности». Кувшинский М.Н., Соболева А.П. «Высшая школа», 1968.
4. «Основные процессы и аппараты химической технологии». Борисов Г.С., Быков В.П. и др. М. Химия, 1991.