Рассчитать двухкорпусную установку для концентрирования молока производительностью G

 

 

 Министерство образования и науки Российской Федерации

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

 

ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ

 

 

КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовому проекту по процессам и аппаратам на тему:

 

Рассчитать двухкорпусную установку для концентрирования молока производительностью G

 

 

 

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАЛ СТУДЕНТ группы и2303

Киселёва Александра Владимировна

 

РУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА

Федоров Константин Михайлович

 

 

 

      ПРОЕКТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ                                         ______________________

                                                                                                             ______________________

 

 

 

 

 

 

 

 Санкт-Петербург

2015г

 

1.Задание на проектирование

 

Спроектировать двухкорпусную выпарную установку для концентрирования водного раствора продукта от начальной концентрации Xн до конечной Xк при следующих условиях:

 

1)обогрев производится насыщенным воляным паром давлением Pг;

2)давление в барометрическом  конденсаторе Pбк;

3)взаимное направление пара  и раствора -прямоток;

4)отбор экстрапара не производится.

 

 

 

Исходные данные(табл.1):

 

Вариант	Продукт	Gн	Xн	Хк	Pб.к.	t1 молоко	t вода	Pг.п.	Кол-во корпусов	Тип аппарата/исполение
-	-	кг/с	%	%	кПа	°C	°C	кг/см²	-	-
16	М	1,6	13	45	15,76	15	5	1,1	2	1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-3-

 

Оглавление

 

      1.   Задание на проектирование……………………………………………….……….…3

2. Введение……………………………………………………………………..………...4
3. Принципиальная схема установки………………………………………..……….....5-6
4. Основные условные обозначения………………………………………….....……...7
5. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов……….…………8
1. Концентрация упариваемого раствора…………………………………..………....8
2. Температура кипения растворов…………………………………………..………..8-10
3. Определение тепловых нагрузок…………………………………………….…….11
4. Расчет коэффициентов теплопередачи……………………………………….……11
6. Расчет барометрического конденсатора……………………………………….……12
1. Расход охлаждающей воды…………………………………………………….…...12
2. Диаметр конденсатора……………………………………………………………....12
3. Высота барометрической трубы……………………………………………………13
7. Расчет производительности вакуум-насоса…………………………………………13
8. Расчет предварительного теплообменника………………………………………….14
9. Средства автоматизированного контроля……………………………..……………15
10. Заключение………………………………………………………………………..…..16
11. Список литературы…………………………………………………… …………..…17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Введение (3)

 

В пищевой промышленности жидкие смеси,концентрирование которых осуществляется выпариванием,отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость,плотность,температура кипения,величина кристалического теплового потока и др.),так и других характеристик (кристаллизующиеся,пенящиеся,нетермостойкие растворы и др.).Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-вапаривание,прямо- и противоточные,одно- и многокорпусные выпарные установки),а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки,типа аппарата,числа ступеней в многокорпусной выпарной установке.В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки показана на рис.1.Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 3 центробежным насосом  подается в теплообменник 4 (где подогревается до температуры,близкой к температуре кипения),а затем -в первый корпус  1 выпарной установки.Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 1.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром.Вторичный пар,образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе,направляется в качестве греющего во второй корпус 2.Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.

  Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений,возникающему в результате создания вакуума конценсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конценсаторе смешения 5(где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды с отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 7).Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором .

  Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-4-

3.Принципиальная схема  установки и ее описание.

 

В пищевой промышленности жидкие смеси,концентрирование которых осуществляется выпариванием,отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость,плотность,температура кипения,величина кристалического теплового потока и др.),так и других характеристик (кристаллизующиеся,пенящиеся,нетермостойкие растворы и др.).Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-вапаривание,прямо- и противоточные,одно- и многокорпусные выпарные установки),а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки,типа аппарата,числа ступеней в многокорпусной выпарной установке.В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

 

 

Рис.1.Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки:

3-емкость исходного раствора;Н-насосы;4-теплообменник-подогреватель;1,2-выпарные аппараты;5-барометрический конденсатор;7-вакуум-насос;6-конденсатоотводчик

 

 

Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки показана на рис.1.Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 3 центробежным насосом  подается в теплообменник 4 (где подогревается до температуры,близкой к температуре кипения),а затем -в первый корпус  1 выпарной установки.Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 1.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром.Вторичный пар,образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе,направляется в качестве греющего во второй корпус 2.Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.

-5-

  Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений,возникающему в результате создания вакуума конценсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конценсаторе смешения 5(где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды с отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 7).Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором .

  Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-6-

 

4.Основные условные обозначения

 

 

с – теплоемкость, Дж/(кг·К);

d –  диаметр, м;

D –  расход греющего пара, кг/с;

F – поверхность теплопередачи, м²;

G –  расход, кг/с;

g – ускорения свободного падения, м/с²; 
H – высота, м;

i, I – энтальпия жидкости и пара, кДж/кг;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

P – давление, МПа;

Q – тепловая нагрузка, кВт;

q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

r – теплота парообразования, кДж/кг;

t, T – температура, град;

w, W – производительность по испаряемоей воде, кг/с;

x – концентрация, % (масс.);

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

λ – теплопроводность, Вт/(м·К);

μ – вязкость, Па·с;

ρ – плотность, кг/м3;

σ – поверхностное натяжение, Н/м;

Re –  критерий Рейнольдса;

Nu – критерий Нуссельта;

Pr – критерий Прандтля.

Индексы:

1, 2 –  первый, второй корпус выпарной  установки;

в – вода;

вп – вторичный пар;

г – греющий пар;

ж – жидкая фаза;

к – конечный параметр;

н – начальный параметр;

ср – среднее значение;

ст – стенка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-7-

 

5. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов:(3)

 

 Поверхность теплопередачи  каждого корпуса выпарной установки  определяют по основному уравнению  теплопередачи:

 

F = Q/(K·Δtп)

 

   Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δtп необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

  Производительность  установки по выпариваемой воде  определяют из уравнения материального баланса:

 

W = Gн*(1-(Xн/Xк)) = 1,6*(1-(13/45)) = 1,14кг/с

 

1. Концентрации упариваемого  раствора.

 

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

 

w1 : w2 = 1,0 : 1,1

 

  Тогда:

 

w1 = (1,0·W)/(1,0+1,1) = (1,0·1,14)/2,1 = 0,54 кг/с

w2 = (1,1·W)/(1,0+1,1) = (1,1·1,14)/2,1 = 0,60кг/с

 

  Далее  рассчитывается концентрация растворов  в корпусах:

 

x1 = (Gн·Xн)/(Gн-w1) = (1,6·13)/(1,6-0,54) = 19,6 %

x2 = (Gн·Xн)/(Gн-w1-w2) = (1,6·13)/(1,6-0,54-0,60) = 45 %

 

   Концентрация раствора в последнем корпусе x2 соответствует заданной концентрации упаренного раствора xк.

 

2. Температуры кипения  растворов.

 

  Общий  перепад давлений в установке  равен:

 

ΔPобщ = Pг1 – Pбк = (1,1·105) – (15,76·103) = (1,1·105) – (0,1576·105) = 0,942·105 Па

 

   В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах можно определить следующим образом:

 

Pг1 – из задания;

-8-

Pг1 = 1,1·105  Па;

 

Pг2 = Pвп1 = Pг1 – (ΔPобщ/2) = 1,1·105 – (0,942·105/2) = 0,63·105 Па

 

  Давление пара в барометрическом конденсаторе:

 

Pбк = Pг2 - (ΔPобщ/2) =  0,63·105- (0,942·105/2) = 0,16·105 Па

 

  что  соответствует заданному значению Pбк.

 

  По давлениям паров находим их температуры и энтальпии(табл.2)

P,Па	t, °C	I, кДж/кг
1,1·105	103	2681
0,63·105	87	2654,3
0,16·105	56	2367,6

 

 

tвп1 = 87 °C

tвп2 = 56 °C

 

   По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно Pвп1; Pвп2.

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

 

Pср = Pвп + ((ρ·g·H·(1-ε)) / 2)

 

где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ – плотность кипящего раствора, кг/м3; ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе, м3/ м3.

 

По ГОСТ 11987-81 принимаем высоту кипятильных труб H = 4 м = 4000 мм.

 

ρ0 = 10[1,42·x + (100 – x)]