Проект трехкорпусной выпарной установки для концентрирования Gн=4,2 кг/с цельного молока

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТНИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХИ ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРАПРОЦЕССОВ ИАППАРАТОВПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА

к курсовомупроекту попроцессам иаппаратам

Проектировалстудент____231группы____________________

_______________ГромцевПавел Сергеевич_________

_________________17апреля 2003 года_________________

Руководительпроекта

_______________ЖариковАлексей Николаевич_______________

«___»________________________________________________

П

Санкт-Петербург

2002

Санкт-Петербург

2002

роект защищенс оценкой:_____________________________

ВВЕДЕНИЕ.

ВЫПАРИВАНИЕ– это процессконцентрированиярастворовнелетучихвеществ путемудаления жидкоголетучего растворителяв виде паров.

В пищевойпромышленностижидкие смеси,концентрированиекоторых осуществляетсявыпариванием,отличаютсябольшим разнообразиемкак физическихпараметров(вязкость, плотность,температуракипения, величинакритическоготепловогопотока и др.),так и другиххарактеристик(кристаллизующиеся,пенящиеся,нетермостойкиерастворы идр.). Свойствасмесей определяютосновные требованияк условиямпроведенияпроцесса(вакуум-выпаривание,прямо- и противоточные,одно- и многокорпусныевыпарные установки),а также к конструкциямвыпарных аппаратов.

Принципдействия.

Исходныйразбавленныйраствор (молоко)из промежуточнойемкости центробежнымнасосом подаетсяв теплообменник(где подогреваетсядо температуры,близкой к температурекипения), а затемв первый корпусвыпарной установки.Предварительныйподогрев повышаетинтенсивностькипения в выпарномаппарате.

Первыйкорпус обогреваетсясвежим водянымпаром. Вторичныйпар, образующийсяпри концентрированиираствора впервом корпусе,направляетсяв качествегреющего вовторой корпус.Сюда же поступаетчастичносконцентрированныйраствор из 1-гокорпуса. Аналогичнотретий корпусобогреваетсявторичным паромвторого и в немпроизводитсяконцентрированиераствора,поступившегоиз второгокорпуса.

Самопроизвольныйпереток раствораи вторичногопара в следующиекорпуса возможенблагодаряобщему перепадудавлений,возникающемув результатесоздания вакуумаконденсациейвторичногопара последнегокорпуса вбарометрическомконденсаторесмешения (гдезаданное давлениеподдерживаетсяподачей охлаждающейводы и отсосомнеконденсирующихсягазов вакуум-насосом).Смесь охлаждающейводы и конденсатавыводится изконденсаторапри помощибарометрическойтрубы с гидрозатвором.Образующийсяв третьем корпусеконцентрированныйраствор подаетсяв промежуточнуюемкость упаренногораствора.

Конденсатгреющих паровиз выпарныхаппаратоввыводится спомощьюконденсатоотводчиков.

Заданиена проектирование

Спроектироватьтрехкорпуснуювыпарную установкудля концентрированияGн=4,2 кг/сцельного молока от начальнойконцентрацииXн=11% до конечной

Xк=53%при следующихусловиях:

• обогревпроизводитсянасыщеннымводяным паромдавлением;Pг1=107,8кПА

1. давлениев барометрическомконденсаторе;Pбк=18,2кПА

2. выпарнойаппарат – тип3, исполнение1 (с наружнойциркуляционнойтрубой);

3. взаимноенаправлениепара и раствора– прямоток;

1.Определениеповерхноститеплопередачивыпарных аппаратов

Поверхностьтеплопередачикаждого корпусавыпарной установкиопределяютпо основномууравнениютеплопередачи:F=Q/(K*Vtn)

Дляопределениятепловых нагрузокQ, коэффициентовтеплопередачиK и полезныхразностейтемпературVtn необходимознать распределениеупариваемойводы, концентрациирастворов иих температуркипения покорпусам. Этивеличины находятметодом последовательныхприближений.

Первоеприближение.

Производительностьустановки повыпариваемойводе определяютиз уравненияматериальногобаланса:W=Gн*(1-Xн/Xк)=4,2*(1-11/53)=3,33кг/с

1. Концентрацииупариваемогораствора

Принимаем,на основаниипрактическихданных:

w1:w2=1,0;1,1.

Тогда:w1=1,0*W/(1,0+1,1)=1,58кг/с.

w2=1,1*W/(1,0+1,1)=1,74кг/с.

Концентрациирастворов вкорпусах:

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%

2. Температурыкипения растворов

Общийперепад давленийв установке:

VPоб=Pг1-Pбк=107,8-18,2=89,6кПа.

Давлениегреющих паровв корпусах:

Pг1=107,8кПа.

Pг2=Pг1- Vpоб/2=107,8-89,6/2=63кПа.

Pбк=Pг2- Vpоб/2=63-89,6/2=18,2кПа.

По давленияпаров находимих температурыи 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

Температуракипения молокав корпусе отличаетсяот температурыгреющего парав последующемкорпусе насумму температурныхпотерь {Vот температурной(V'), гидростатической(V'') и гидродинамической(V''') депрессий({V=V'+V''+V''').

Гидродинамическаядепрессияобусловленапотерей давленияпара на преодолениегидравлическихсопротивленийтрубопроводовпри переходеиз корпуса вкорпус.

ПримемV'''=1, тогдатемпературывторичныхпаров:

tвп1=tг2+ V'''=87+1=88^оС

tвп2=tбк+ V'''=58+1=59^оС

Суммагидродинамическихдепрессий:

{ V'''=V''' + V'''=1+1=2

Потемпературамвторичных паровопределим ихдавления итеплоты парообразования:

Pвп1=65кПа;Pвп2=19,05кПа;r1=2287,6 Дж/кг;r2=2360,1 Дж/кг

Поверхностьтеплоотдачи1-го корпуса(ориентировочно):

Fор1=Q/q=w1*r1/q=1,58*2287,6*10^3/40000=90,36м^2. q=40000 Вт/м^2.

Fор2=Q/q=w2*r2/q=1,74*2360,1*10^3/40000=102,66м^2

Примемвысоту кипятильныхтруб Н = 4 м.

Определяемплотностьмолока притемпературе15 ^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)]=1060,0кг/м^3

[1,42*a2+(100-a2)]=10[1,42*35,3+(100-35,3)]=1148,3кг/м^3

Давленияв среднем слоекипятильныхтруб корпусов:

P1ср=Pвп1+g*H*(1-)=65+1060*9,8*4(1-0,5)=85,77кПа.

P2ср=Pвп2+g*H*(1-)=19,05+1148,3*9,8*4(1-0,5)=41,55кПа.

По давленияпаров находимих температурыкипения:

Р., кПа	t,оС	r,Дж/кг
P1ср=85,77	t1ср=94	rвп1=2272
P2ср=41,55	t2ср=73	rвп2=2325

Определимгидростатическуюдепрессию покорпусам:

V''1=t1ср-tвп1=94-88=6^оС

V''2=t2ср-tвп2=73-59=14^оС

Суммагидростатическихдепрессий:

{V''=20 ^оС

Температурнуюдепрессиюопределим поформуле:

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

Сумматемпературныхдепрессий:

{V'=2,72

Температурыкипения растворовв 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

3. Полезнаяразность температур

Vtп1=tг1-tк1=102-96=6^оС

Vtп2=tг2-tк2=88-76=12^оС

Общаяполезная разностьтемператур

{Vtп1=18^оС

Проверяемобщую полезнуюразность температур:

{Vtп1=tг1-tбк-({V'+{V''+{V''')=102-58-(2,72+20+2)=19,28^оС

4. Определениетепловых нагрузок

Расходгреющего парав 1-ый корпус,производительностькаждого корпусапо выпареннойводе и тепловыенагрузки покорпусам определимпутем совместногорешения уравненийтепловых балансовпо корпусами уравнениябаланса по водедля 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)=1,98кг/с

2.Расчет барометрическогоконденсатора

Длясоздания вакуумав выпарныхустановкахобычно применяютконденсаторысмешения сбарометрическойтрубой. В качествеохлаждающегоагента используютводу, котораяподается вконденсаторчаще всего притемпературеокружающейсреды. Смесьохлаждающейводы и конденсатавыливаетсяиз конденсаторапо барометрическойтрубе. Дляподдержанияпостоянствавакуума в системеиз конденсаторас помощьювакуум-насосаоткачиваютнеконденсирующиесягазы.

Необходиморассчитатьрасход охлаждающейводы, основныеразмеры барометрическогоконденсатораи барометрическойтрубы, производительностьвакуум-насоса.

2.1 Расходохлаждающейводы

Расходопределяемиз тепловогобаланса конденсатора:

Gв=w2*(Iбк-св*tк)/(cв*(tк-tн)).

Таккак разностьтемпературмежду пароми жидкостьюна выходе изконденсаторадолжна быть3-5 градусов,конечную температуруводы t_кна выходе примемна 3 градусаниже температурыконденсациипаров:

tк=tбк-3^оС=58-3 ^оС=55 ^оС

тогда

Gв=1,98*(2605,4-4*55)/(4*(55-20))=33,74кг/с

2.2 Диаметрконденсатора

Определяемиз уравнениярасхода:

dбк=(4*w2/(П*U))^0,5.

Приостаточномдавление вконденсаторепорядка 10⁴ Паскорость паровпримем

Тогда

Dбк=(4*1,74/(0,098*3,14*20))=1,13м.

Выбираембарометрическийконденсатордиаметром 1200мм.

2.3 Высотабарометрическойтрубы

Внутреннийдиаметр барометрическойтрубы dбт=300мм. Скоростьводы в барометрическойтрубе:

U=4*(33,74+w2)/П*dбт^2=4*(33,74+1,74)/1000*3,14*0,3^2=0,5м/с.

Высотабарометрическойтрубы:

Hбт=B/в*g+(1+{+*Hбт/ dбт)*Uв^2/2*g+0,5.

где В– вакуум вбарометрическомконденсаторе:

B=Pатм-Pбк=9,8*10^4-1,8*10^4=8,0*10^4Па.

 -сумма коэффициентовместных сопротивлений:

{вхвых=0,5+1,0=1,5

Коэффициенттрения зависти отрежима теченияжидкости. Определимрежим теченияводы в барометрическойтрубе:

Re=Uв*dбт*в/в=0,5*0,3*1000/0,54*10^(-3)=277777

Длягладких трубпри Re=111111 коэффициенттрения =0,014.

Подставивуказанныезначения, вычислимвысоту барометрическойтрубы:

Hбт=8,0*10^4/1000*9,8+(1+1,5+0,014*Hбт/0,3)*0,5^2/2*9,8+0,5.

Отсюданаходим Hбт=8,67м.

Списокиспользованнойлитературы.

1. ИоффеИ.Л. «Проектированиепроцессов иаппаратовхимическойтехнологии»Химия, 1991.

2. «Проектированиепроцессов иаппаратовпищевых производств».Под редакциейСтавникова.Киев, 1982.

3. Курсовоепроектированиепо предмету:«Процессы иаппараты химическойпромышленности».КувшинскийМ.Н., СоболеваА.П. «Высшаяшкола», 1968.

4. «Основныепроцессы иаппараты химическойтехнологии».Борисов Г.С.,Быков В.П. и др.М. Химия, 1991.