Содержание
Введение
1. Материальный баланс
1.1 Определение производительности поиспаряемой влаге
1.2 определение температуры кипенияраствора
2. Тепловой баланс
2.1 Определение расхода греющего пара
3. Определение коэффициентов теплоотдачии теплопередачи
3.1 Ориентировочная площадьповерхности теплообмена
3.2 Коэффициент теплоотдачи α1
3.3 Коэффициент теплоотдачи α2
3.4 Коэффициент теплопередачи
3.5 Уточненная площадь теплообмена
4. Конструктивный расчет
4.1 Число труб греющей камеры
4.2 Внутренний диаметр обечайкигреющей камеры
4.3 Диаметр циркуляционной трубы
4.4 Объем парового пространства
4.5 Скорость витания капли
4.6 Скорость пара в паровомпространстве
4.7 Высота парового пространства
4.8 Скорость выхода пара из паровыхтруб
4.9 Толщина трубной решетки
4.10 Выбор способа размещенияотверстий в трубной решетке
5. Расчет вспомогательногооборудования
5.1 Расчет барометрическогоконденсатора
5.2 Расчет размеров барометрическойтрубы
5.3 Определение диаметра штуцеров
5.4 Выбор фланцев
5.5 Расчет вакуум-насоса
5.6 Выбор крышки и днища аппарата
Описание технологической схемы
Заключение
Список используемой литературы
Приложение
Введение
Выпариванием называетсяпроцесс концентрирования растворов нелетучих веществ, заключающийся в частичномудалении растворителя путем испарения при кипении.
Выпарные установки широкоприменяются для концентрирования растворов в химической и пищевой отраслидругих областях народного хозяйства, для термического опреснения соленых вод,для снабжения предприятия греющим паром и других технологических промышленныхпотребителей горячими кондансоционными водами.
Выпарной аппарат долженудволетворять технологическим и общеконструктивным требованиям, обладатьоптимальными техническими и технико-экономическими показателями.
К технологическимтребованиям относятся: возможность соблюдения требуемого режима, полученияполупродукта или продукта требуемого качества и концентрации.
К конструктивнымотносятся: простота и компактность аппарата, надежность в работе, технологичностьизготовления, монтажа и ремонта, удобство очистки, возможность сосредоточенияповерхности нагрева в единице объема.
К оптимальным техническими технико-экономическим относятся: высокая интенсивность теплопередачи, малыйвес, невысокая стоимость эксплуатации.
При проектировании иэксплуатации выпарных установок возникает необходимость решения ряда следующихзадач:
· выбор конструкцииаппаратов схем установок, определение оптимальных параметров установок;
· определениеоптимальных режимов работы действующий установок, обеспечивающих наибольшуюпроизводительность, качество продукта
Основной целью проектныхрасчетов является определение конструктивных параметров аппаратов выпарныхустановок при выбранных условиях теплового режима их работы.
1. Материальный баланс
1.1 Материальныйбаланс выпарного аппарата может быть составлен по всему количеству вещества:
/> (1)
Материальный баланс порастворенному раствору:
/> (2)
Тогда производительностьпо испаряемой влаге определяется по формуле:
/> (3)
1.2 Определениетемпературы кипения раствора
Температура кипенияраствора определяется по формуле:
/> (4)
Где tВП=59,7°С, при р=0,02 МПа [2, табл.56],
Δ- полнаядепрессия,°
/> (5)
Где ΔГС-гидростатическаядепрессия, ΔГС=1-2 [5], примем 1,5°
ΔГ=1° — гидродинамическая депрессия,
ΔФ-Х –физико-химическая депрессия.
/> (6)
/>
2. Тепловой баланс
Тепловой баланс аппаратанепрерывного действия:
/> (7)
Где W= 0,336- производительность поиспаряемой влаге, кг/с,
GH=0.556- количество поступающего ваппарат раствора, кг/с,
GK=0.224- количество выходящего изаппарата раствора, кг/с,
Сн и Ск-теплоемкость поступающего на выпарку и упаренного раствора соответственно, Сн= Ск = 4,18*103 Дж/(Кл*К) [2],
rГП= 2208*103 Дж/кг- удельнаятеплота конденсации греющего пара [2, таб 56],
iВП= 2607*103 Дж/кг- удельнаяэнтальпия вторичного пара, [2, таб 56].
2.1 Расход греющегопара
/>
Тепловая нагрузка греющейкамеры, Вт:
/> (8)
Полезная разностьтемператур,°С:
/> (9)
Где Т=119,6°С-температура греющего пара,[2, таб 56].
/>
3. Определениекоэффициентов теплопередачи и теплоотдачи
3.1 Ориентировочная площадьповерхности теплообмена
/> (10)
Где q-удельная тепловая нагрузка, Вт/м2,примем q = 30000 Вт/м2
Q = 821.376*103 Вт-тепловая нагрузка греющей камеры.
/>
По ГОСТ 11987-81принимаем выпарной аппарат со следующей характеристикой: поверхностьтеплообмена F=25 м2, длина труб l=4 м, диаметр труб D=38*2 мм, материал труб стальХ18Н10Т.
Число труб:
/> (11)
3.2 Коэффициенттеплоотдачи
α1, Вт/м2*К
Ориентировочный:
/> (12)
Где ρ= 943 кг/м3-плотность
λ= 68,6*10-2Вт/м*К- коэффициент теплопроводности,
μ=231*10-6Па*с – коэффициент динамической вязкости.
Значения приняты при t = 119.6°C.
/>
Найдем значениесмоченного периметра П, м:
/> (13)
Рассчитаем плотностьстекания конденсата по наружной поверхности труб:
/> (14)
Найдем критерий Reпл для пленки конденсата:
/> (15)
3.3 Коэффициенттеплоотдачи α2
/> (16)
Где при температурекипения: λ=0,524 Вт/м*К; ρ=1125,9 кг/м3;
μ=0,63*10-3Па*с,с=2943,6 Дж/кг*К, σ=42*10-3Н\м [2, таб 37]
Свойства водяного пара:
r = 2336*103 Дж/кг; ρп=0,1876 кг/м3, ρо=0,579 кг/м3 [2, таб 56]
/>
3.4 Коэффициенттеплопередачи
/> (17)
Где δ = 0,002 м-толщина стенки, λ-коэффициент теплопроводности стали Х18Н10Т, 1/rз1=5000Вт/м2*К и 1/rз2=5800 Вт/м2*К- тепловаяпроводность загрязнений со стороны раствора и со стороны пара соответственно. [1, с143]
/>
Удельная тепловаянагрузка:
/> (18)
Отсюда, выражаем ΔtПОЛ
/>
Задавая различныезначения q рассчитаем ΔtПОЛ методом последовательных приближенийи построим график.
q, Вт/м2 20*103 50*103
ΔtПОЛ,°С 15,4 35,6
Из графика видно, что дляпредварительно вычисленного значения
ΔtПОЛ=55,874°С
идеальная тепловаянагрузка
q= 42*103 Вт/м2.
Из формулы (18)коэффициент теплопередачи равен:
/>
3.5 Необходимая площадьповерхности теплообмена
/> (19)
По ГОСТ 11987-81 выбираемноминальную поверхность теплообмена F=25м2.
4. Конструктивныйрасчет выпарного аппарата
4.1 Число труб греющейкамеры (уточненное):
/>
4.2 Внутренний диаметробечайки греющей камеры:
Dk=0,6м [1]
4.3 Диаметрциркуляционной трубы:
Dц= 0,3м [1]
4.4 Объем паровогопространства:
Vc=W/W` (20)
/>
Где W`-допустимое напряжение паровогопространства, кг/м3*ч:
W`=f1*f2*WАТМ (21)
Где f1=1,7 при абсолютном давлении 0,02 МПа [1], f2=0,5 при уровне раствора над точкой вводапарожидкостной смеси в паровое пространство на высоте Н=0,15м [1], WАТМ=2600 кг/м3*ч-значениедопускаемого напряжения парового пространства.
W`=1,7*0,5*2600=663 кг/м3*ч
Vc=0.3336*3600/663=1.81 м3
4.5 Скорость витаниякапли:
/> (22)
Где ξ-коэффициентсопротивления, ρЖ и ρП-плотность жидкости ипара соответственно, кг/м3 dк — диаметр капли,м.
dк=0,0006 м [1]
ρЖ=1009,15кг/м3 [6]
ρП=0,1283 кг/м3, при р= 0,02МПа [2]
ξ=18,5/Re0.6 =18.5/1551.50.6=0.225 (23)
/>
4.6 Скорость пара впаровом пространстве:
/> (24)
Где DC=1 -диаметр сепаратора, м
ωП=0,3336/(0,1283*0,785*12)=3,312 м/с
4.7 Высота паровогопространства:
H=4VC/(π*D2C)=4*1.81/3.14*12=2.31м (25)
4.8 Скорость выходапара из кипятильных труб
ωтр=W/ ρП*f
где f-суммарная площадь сечениякипятильных труб, м2
/>
4.9 Толщина трубнойрешетки:
/> (26)
Где dпар=42 –наружный диаметр трубки, мм
/>
4.10 Выбор способаразмещения отверстий в трубной решетке
Трубная решеткапредставляет собой диск, в котором высверлены отверстия под трубки, и служитдля разделения трубного и межтрубного пространств. Для диаметра труб 38 мм соответствует шаг t= 48 мм. Выбираем размещение отверстий по вершинам равностороннего треугольника с шагом 48 мм.
/>
5. асчетвспомогательного оборудования
5.1 Расчетбарометрического конденсатора
Расход охлаждающей воды Gв, кг/с:
Gв=W*(in-cвtконд/св*(t2-t1)), (27)
Где in=iвп= 2607кДж/кг-энтальпия вторичного пара [2], св=4,19кДж/кг*К-удельнаятеплоемкость вторичного пара [2], t1=12°С-начальнаятемпература охлаждающей воды, tконд=59,7°С-температура конденсата, t2= tконд-5-конечная температура охлаждающейводы.
Gв=0,3336*(2607-4,19*59,7)*103/[4,19*(59,7-5-12)]=4,43кг/с
Рассчитаем диаметрконденсатора Dбк:
/> (28)
Где ωn =15 м/с- скорость движения пара вконденсаторе [4], ρп=0,1283 кг/м3 — плотность пара.
/>
5.2 Расчет размеровбарометрической трубы
Диаметр барометрическойтрубы dбт:
/> (29)
Где ρ= 985,4 кг/м3при t2= 54,7°С [2, таб 37], ω = 0,6м/с- скорость воды втрубе [1, стр 132]
/>
Высота барометрическойтрубы Нбт, м:
/> (33)
Где В- вакуум вбарометрическом конденсаторе, Па,
/> (34)
Где РАТМ=1,013*105Па, РБК= 0,2*105 Па
В=(1,013-0,2)*105=0,813*105 Па
Σξ- суммаместных сопротивлений на входе и выходе из трубы
Σξ= ξвх+ξвых (35)
Где ξвх=0,5, ξвых=1
Σξ=1+0,5=1,5
λ- теплопроводность, Вт/м*К.
Для определениятеплопроводности рассчитаем критерий Рейнольдса исходя из данных: ω= 0,6м/с; d=0,1 м; ρ= 985,4 кг/м3;μ=511,87*10-6 Па*с [2, таб 37]:
Re=ωdρ/μ=0.6*0.1*985.4/511,87*10-6=115506 (36)
По полученному значениюкритерия из справочного материала принимаем λ= 0,029 Вт/м*К
/>
5.3 Определениедиаметров штуцеров
Примем следующие значенияскоростей движения потоков [1, стр 26]:
· скорость движениягреющего пара ωгп=20 м/с;
· скоростьконденсата ωк=0,5 м/с;
· скоростьвторичного пара ωВП= 50 м/с;
· скоростьпоступающего раствора ωР1= 2 м/с;
· скоростьупаренного раствора ωР2= 0,6 м/с.
Найдем значениясоответствующих плотностей:
· греющего пара приР= 0,2 МПа ρгп=1,107 кг/м3 [2, таб 37];
· конденсата при t=59,7°С ρконд=983кг/м3 [2, таб 37];
· вторичного параρвп=0,1283 кг/м3 [2, таб 57];
· поступающегораствора при t=63,726°С ρр1=1009,3кг/м3 ;
· упаренногораствора ρвп=1082 кг/м3 [6, таб 7.1].
Расходы потоков принимаемиз материальных и тепловых расчетов:
· греющего пара Gгп=0,732 кг/с;
· вторичного пара Gвп=0,5 кг/с;
· входящегораствора Gн=0,556 кг/с;
· упаренногораствора Gк=0,2224 кг/с;
· конденсата Gконд=0,224 кг/с.
Диаметры штуцеров определяемпо формулам:
/> (37)
Вход греющего пара:
/>
Вход раствора:
/>
Выход раствора:
/>
Выход вторичного пара:
/>
Выход конденсата:
/>
Принимаем штуцерастандартных значений [4]:
· вход греющегопара d=0.159 м;
· вход раствора d=0.025 м;
· выход раствора d=0.025 м;
· выход вторичногопара d=0.108 м;
· выход конденсата d=0.038 м.
5.4 Выбор фланцев
Фланцевые соединения являютсяпрочноплотными разъемными соединениями. С их помощью к аппарату присоединяютсявсе возможные днища, крышки и трубы. Фланцы различают по способу соединения струбой и конструкции, по внешней форме и по форме приварочной поверхности.
Выбираем фланцы кштуцерам по условному проходу и условному давлению по ГОСТ 1235-54 цельные тип2 [3, таб 20.10].
· Штуцер входагреющего пара- фланец с наружным диаметром
D= 260 мм;
· штуцера входа ивыхода раствора — фланец с наружным диаметром
D= 150 мм;
· штуцер выходавторичного пара- фланец с наружным диаметром
D= 205 мм;
· штуцер выходаконденсата- фланец с наружным диаметром
D= 70 мм.
5.5 Расчетвакуум-насоса
Количество отсасываемоговоздуха вакуум-насосом из барометрического конденсатора:
/> (38)
Производительность V, м3/с:
/> (39)
Где
Твоз= 273+t1+4+0.1(t2-t1) (40)
Твоз=273+12+4+0.1*(54.7-12)=293.27К
Рвоз-парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па
Рвоз =Рбк– Рп (41)
Где Рп =0,24*104 Па при t=20,27°С[2, таб 56]
Рвоз=0,2*105-0,24*104=1,76*104Па
/>
Мощность, потребляемаявакуум – насосом N, Вт:
/> (42)
Где l- работа, затрачиваемая при сжатии 1 кг газа в одноступенчатом компрессоре, Дж/кг
/> (43)
Где m=1,25- показатель политропы сжатия,V=0.017м3/с=61,2м3/ч-производительность, Р1=Рвозд, Р2= 2*104Па, η= 0,75- КПД компрессора.
/>
5.6 Выбор крышки иднища аппарата
Составными элементамихимических аппаратов являются днища, которые, как правило органически связаны собечайкой аппарата и изготовлены из того же материала. Для данного аппаратавыбираем два вида днищ:
· коническое ГОСТ12621-67 600*4-16 ГС [3 таб 16.21];
· элептическое ГОСТ 6533-68 1000*8-16 ГС [3,таб 16.3].
В отличии от днищ, неразъемносоединяемых с обечайкой, крышки являются отъемными узлами или деталямиаппарата, закрывающими корпус.
Выбираем крышку ГОСТ11972-661000-1135 [3, таб 23.6]
6. Описаниетехнологической схемы производства сгущенного молока
Исходный раствор молокаиз сборника СБ1 центробежным насосом НЦ1 подается в сепаратор-молокоочиститель, где отделяется от различного рода примесей, затемперекачивается в уравнительную емкость, где в полученный раствор добавляетсянеобходимое количество обезжиренного молока или сливок.
После уравниванияжирности молоко центробежным насосом НЦ2 подается в пластинчатый пастеризаторПП, где молоко проходит дополнительную тепловую обработку. После пастеризаторамолоко некоторое время находится в выдерживателе В из которого подается навакуумный охладитель ВО, где молоко охлаждается двумя этапами:
1. холодной водой;
2. специальнымрассолом до более низких температур.
Затем молоко подается ввыпарной аппарат АВ. Вакуум в выпарном аппарате создается за счет конденсациивторичных паров, поступающих в низ аппарата, для их охлаждения водой вбарометрическом конденсаторе КБ и отсоса неконденсирующихся газоввакуум-насосом НВ. Для исключения попадания в насос капель воды перед нимустанавливается ловушка Л. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится изконденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором СВ. Конденсатгреющих паров из аппарата и теплообменника выводится через конденсатороотводчики направляется в котельную либо на технологические нужды.
Затем упаренное молокоподается на пастеризационно-охладительный аппарат ПО, где сгущенное молокоохлаждается до более низких температур. После этого сгущенное молоко поступаетв гомогенизатор, где разбиваются шарики жира, образованные в процессевыпаривания.
Уже готовый раствор поступаетв сборник упаренного раствора откуда непосредственно идет на упаковку.
Заключение
В процессе выполнениякурсового проекта на тему: «Расчет одноко-рпусного выпарного аппарата» былпроизведен расчет материального и теплового баланса, конструктивный расчет, врезультате которого был подобран аппарат с площадью теплообмена 25 м2, с выносной греющей камерой. Для этого аппарата было рассчитано и подобрановспомогательное оборудование: барометрический конденсатор и вакуум- насосмощностью 0,51 кВт.
Список используемойлитературы
1. Иоффе И.Л.«Проектирование процессов и аппаратов химической технологии » Л.:Химия,1991-352с.
2. Павлов К.Ф.«Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии»:Учебное пособие для студентов химико-технологических специальных ВУЗов/ К.Ф.Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков Под ред П.Г. Романкова 10-е изд.,переработанное и дополненное, Л.: Химия, 1987-526с.
3. Лащинский А.А.«Основы конструирования и расчетов химической аппаратуры»: Справочник/ А.А.Лащинский, А.Р. Толчинский-2-е изд., переработанное и дополненное; Под редН.Н. Логинова; Л.: Машиностроение, 1970-753с.
4. Дытнерский Ю.И.«Основные процессы и аппараты химической технологии»/ Ю.И. Дытнерский, Г.С.Борисов; Под ред Ю.И. Дытнерского.-2-е изд., перераб. и доп.-М.:Химия,1991-496с.
5. Баранцев Д.А.«Процессы и аппараты химической технологии »/ Д.А. Баранцев, А.В. Вязьмин идр.- М.: Логос,2000-478с.
6. Чубик И.А.«Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов иполуфабрикатов»/ И.А. Чубик, А.М. Маслов.- 2-е изд. доп.- М.: Пищпром-ть,1970-184с.