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

1.1  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%

1.2  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:

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%

r1=10*[1,42*a1+(100-a1)]=10[1,42*14,3+(100-14,3)]=1060,0 кг/м^3

r2=10*[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+ r1*g*H*(1-e)=65+1060*9,8*4(1-0,5)=85,77 кПа.

P2ср= Pвп2+ r2*g*H*(1-e)=19,05+1148,3*9,8*4(1-0,5)=41,55 кПа.

По давления паров находим их температуры кипения:

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

1.3  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

1.4  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/(r*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)/ r*П* dбт^2=4*(33,74+1,74)/1000*3,14*0,3^2=0,5 м/с.

Высота барометрической трубы:

Hбт=B/rв*g+(1+{J+l* 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.

{J - сумма коэффициентов местных сопротивлений:

{ J= J вх+Jвых=0,5+1,0=1,5

Коэффициент трения l зависти от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Re=Uв* dбт* rв/mв=0,5*0,3*1000/0,54*10^(-3)=277777

Для гладких труб при Re=111111 коэффициент трения l=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.