Трёхкорпусная вакуум-выпарная установка для концентрирования дрожжевой суспензии,количество поступающей суспензии 35 т/ч

Из III корпуса выходит раствора:

Gкон = Gнач-W=9,722-4,86=4,862 кг/с

Xкон = 9,722*15/4,862=30 %, что соответствует заданию. 

4. Распределение перепада давления по корпусам:

Разность между давлением греющего пара (в I корпусе) и давлением пара в барометрическом конденсаторе:

Δ p=0,3 МПа-0,2 МПа = 0,28 МПа

Предварительно распределим этот перепад давлений между корпусами поровну, т.е. на каждый корпус приходится:

Δ p/3=0,28/3=0,093 МПа

Тогда абсолютное давление по корпусам будут:

В III корпусе: p3 = 0,02 МПа (задано)

Во II корпусе: p2= 0,02+0,093 = 0,113 МПа

В I корпусе: p1= 0,113+0,093 = 0,206 МПа

Давление греющего пара:

p = 0,206 + 0,093 = 0,299 МПа

По паровым таблицам находим температуры насыщения паров воды и удельной теплоты парообразования для принятых давлений в корпусах:

	Абсолютные давления, МПа	Температура насыщенного пара, оС	Удельная теплота парообразования(г), кДж/кг
В I корпусе	0,206	119,6	2208
Во II корпусе	0,113	101,7	2256,5
В III корпусе	0,02	59,7	2358
Греющий пар	0,299	132,9	2171

Эти температуры и будут температурами конденсации вторичных паров по корпусам.

5. Расчет температурных потерь по корпусам:

От депрессии:

	Концентрация, %	Температура кипения, оС	Депрессия, оС или
В I корпусе	17,68	115	15
Во II корпусе	21,99	121	21
В III корпусе	30	132	32

Для упрощения расчета не уточняем температурную депрессию (в связи с отличием давления в корпусах от атмосферного).

По трем корпусам:

Δtдепр.=15 + 21 + 32 = 68 К

От гидростатического эффекта:

Концентрация, %	17,68	21,99	30
Плотность, pр, кг/м3	1490	1594	1775

Эти значения плотностей применим и для температур кипения по корпусам.

Расчет ведем для случая кипения раствора в трубах при оптимальном уровне:

Hопт = [0,26 + 0,0014 * (pр – pв)]* Hтр,

Hопт – оптимальная высота уровня по водомерному стеклу, м;

Hтр – рабочая высота трубы, м, принимаем Hтр = 5 м;

pр – плотность раствора конечной концентрации при температуре кипения кг/м3;

pв – плотность воды при температуре кипения, кг/м3;

I корпус

Kопт = [0,26+0,0014*(1490-1000)]*5 =4,73 м

pср=р1+0,5*pр*g*Нопт = 0,176*106+0,5*1350*9,81*3,75=0,2МПа

При р1 = 0,206 МПа tкип=119,6 оС, при рср=0,24 МПа tкип=126,4 оС

Δtг.эф.=126,4-119,6=6,8 К

II корпус:

Нопт = [0,26+0,0014*(1594-1000)]*5 =5,5 м

pср = p2+0,5*pр*g*Hопт = 113000+0,5*1594*9,81*5,5=0,156 МПа

При р2 = 0,113 МПа tкип = 101,7 оС, при рср=0,156 МПа tкип = 112,5 оС

 Δtг.эф.=112,5-101,7 = 10,8 К

III корпус:

Нопт = [0,26+0,0014*(1775-1000)]*5 = 6,7 м

рср=р3+0,5*рр*g*Нопт = 20000+0,5*1775*9,81*6,7=0,078 МПа

При рср = 0,02 МПа tкип=59,7 оС, при рср=0,078 МПа tкип = 93 оС

Δtг.эф.=93-59,7 = 33,3 К

Всего:∑ Δtг.эф.=6,8 + 10,8 + 33,3 = 50,9 К

От гидравлических сопротивлений:

Потерю разности температур на каждом интервале температур между корпусами принимаем в 1 К. Интервалов всего 3 (I - II, II - III, III – конденсатор), следовательно : Δtг.эф.= 1*3=3 К

Сумма всех температурных потерь для установки в целом:

Δtпот=68+50,9+3=121,9 К

6. Полезная разность температур:

Общая разность температур 132,9 – 59,7 = 73,21 К, следовательно, полезная разность температур:

Δtпол=121,9-73,21 = 48,69 К

7. Определение температур кипения в корпусах:

В III корпусе: t3=59,7+1+32+33,3=126 оС

Во II корпусе: t2=101,7+1+21+10,8=134,5 оС

В I корпусе: t1=119,6+1+15+6,8=142,4 оС

8. Расчёт коэффициентов теплоотдачи по корпусам:

Принимаем из соотношения К1:К2:К3 = 1:0,7:0,45

Для I корпуса: К1 = 1600 Вт/(м2*К)

Для II корпуса: К2 = 1100 Вт/(м2*К)

Для III корпуса: К3 = 700 Вт/(м2*К)

9. Составление тепловых балансов по корпусам.

Для упрощения расчётов не учитываем тепловые потери и принимаем, что из каждого корпуса в последующий раствор поступает при средней температуре кипения.

По условию раствор подаётся на выпарку подогретым до температуры кипения в I корпусе.

Тогда расход тепла в I корпусе:

Q1 = W1 * r1 = 1,473 * 2208*103 = 3252384 Bт

Раствор приходит во II корпус перегретым,  следовательно, Qнагр отрицательно ( теплота само испарения). Расход теплоты во II корпусе:

Q2 = W2 * r2 – G1 * C1(t1-t2) = 1,62 * 2256,5*103-8,249*4190*1,2*(142,4-134,5) = 3327869,9 Вт

Количество теплоты, которое даёт вторичный пар I корпуса при конденсации, составляет W1*r1 = 3252384 Вт. Расхождение прихода и расхода теплоты в тепловом балансе II корпуса 2,3%. Расход теплоты в III корпусе:

Q3 = W3 * r3 – G2 *C2(t2-t3) = 1,767 * 2358*103-6,629*4190*1,15*(134,5-126) = 3895080,4 Вт

10. Расход греющего пара в I корпусе:

Gг.п. = Q1/rг.п. = 3252384/(2171*103) = 1,498 кг/с

Удельный расход:

d = Gг.п./W = 1,498/4,86 = 0,308 кг/кг

11. Распределение полезной разности температур по корпусам.

Сделаем в двух вариантах:

1.Из условий равной  площади поверхности, т.е. пропорционально Q/K.

2.Из условия минимальной  общей площади поверхности корпуса, т.е. пропорционально √Q/K*103.

	Q/K	√Q/K*103
1 корпус	3252384/1600=2032,74	1425,74
2 корпус	3327869,8/1100=3025,3	1739,3
3 корпус	3895080,4/700=5564,4	2358,9
	Q/K=10622,4	√Q/K*103=5523,94

 

Полезная разность температур по корпусам

	Вариант равной площади поверхности корпусов	Вариант минимальной общей площади поверхности корпусов
Δt1	48,69*2032,74/10622,4=9,32 К	48,69*1425,74/3259,2=21,3 К
Δt2	48,69*3025,3/10622,4=13,8 К	48,69*1739,3/3259,2=25,98 К
Δt3	48,69*5564,4/10622,4=25,5 К	48,69*2358,9/3259,2=35,2 К
Δtол  оК	48,6	82,5

 

12. Определение площади поверхности нагрева

	Вариант равной площади поверхности корпусов	Вариант минимальной общей площади поверхности корпусов
F1=Q1/(K1*t1)	3252384/1600*9,32=218,1 м2	3252384/1600*21,3=95,4 м2
F2=Q2/(K2*t2)	3327869,8/1100*13,8=219,2 м2	3327869,8/1100*25,98=116,4 м2
F3=Q3/(K3*t3)	3895080,4/700*25,5=218,2 м2	3895080,4/700*35,2=158,08м2
∑F, м2	655,5	369,9

Принимаем вариант равный площади корпусов, обеспечивающий однотипность оборудования.

По ГОСТ 11987-81 принимаем выпарной аппарат со следующей характеристикой:

Поверхность теплообмена при диаметре трубы 38х2 мм и длине 1-5000 мм	272 м2
Количество труб	511
Диаметр греющей камеры (D)	1200 мм
Диаметр сепаратора (D1)	2800 мм
Диаметр циркуляционной трубы (D2)	800 мм
Высота аппарата (H)	16070 мм
Масса аппарата	22760 мм
Высота парового пространства (H1)	4000 мм

 

 

II. Расчёт барометрического конденсатора.

1. Определение расхода охлаждающей воды.

Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:

Gв  = W3(Iбк-Св*tк)/(Св*(tк-tн))

Где Iбк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/(кг*К)

Св – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг*К)

tн - начальная температура охлаждающей воды, С

tк - конечная температура смеси воды и конденсата, С

tк = tбк  - 5 = 69,1 – 4 = 64,1 оС

Gв = 1,767 * (2624,4 *103 – 4,19 *103 * 64,1)/[4,19 * 103 (64,1 – 14)] = 21,09 кг/с

2. Расчет диаметра барометрического конденсатора.

dбк  = √4W3/(ρ*π*ν)

где ρ – плотность паров, кг/м;

ν – скорость паров, м/с, принимаем ν = 20 м/с;

dбк  = √4 * 1,767 / (0,1913 * 3,14 * 20) = 0,767 м

По ОСТ 26717-73 подбираем конденсатор диаметром, равным ближайшему большему и выбираем размеры конденсатора dбк  = 800 мм

3. Расчет высоты барометрической трубы.

Выбираем конденсатор с диаметром dбк  =800 мм. Внутренний диаметр барометрической трубы равен 160 мм. Скорость воды в барометрической трубе Vв равна:

Vв  = 4*(Gв + W3)/(ρ * π * dбк 2) = 4*(21,09 + 1,767)/(998*3,14*0,162) = 1,14 м/с

Высоту барометрической трубы определяют по уравнению:

Hбт = В/(ρg)+(1+Σξ+λ*Hбт/dбт)

Где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

λ – коэффициент трения;

Hбт, dбт  - высота и диаметр барометрической трубы, м;

0,5 – запас высоты на  возможное изменение барометрического  давления, м.

В = ратм – рбк = 9,81*104 – 2*104 = 7,81*104 Па

Σξ = ξвх + ξвых = 0,5 + 1,0 = 1,5

ξвх, ξвых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и выходе из нее.

Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости.

Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Re = рв * Vв * dбт /μв, где μв - вязкость воды, Па*с

Re = 998*1,14*0,16/0,54*103 = 337102,2

Для гладких труб при Re = 337102,2 λ= 0,0103. Принимаем новые стальные трубы.

Hбт = 7*104/(998*9,81)+(1+1,5+0,0103* Hбт/0,16)*(1,14/(2*9,81))+0,5 = 7,8 м.

III. Расчет вакуум – насоса.

Производительность вакуум – насоса Gвозд определяется количеством воздуха, который необходимо удалить из барометрического конденсатора.

Gвозд = 2,5 *10-5 *(Gв+W3)+0,01 W3

где 2,5 *10-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды.

0,01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через не плотности, на 1 кг паров.

Gвозд = 2,5 *10-5 *(21,09 + 1,767) + 0,01 * 1,767 = 0,02 кг/с

Объёмная производительность вакуум – насоса равна:

Vвозд = R(273 + tвозд)Gвозд/(Мвозд * Рвозд)

Где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль*К);

Мвозд – молекулярная масса воздуха, кг/моль;

tвозд – температура воздуха, оС;

Рвозд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе;