Проектирование однокорпусной выпарной установки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 

                                      ИННОВАЦИОННЫЙ ЕВРАЗИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

                                           Кафедра  машиностроение и  стандартизация

              

 

 

 

                                            Курсовой проект

 

По дисциплине: основные процессы и аппараты. ХТП

Тема: Проектирование однокорпусной  выпарной установки

 

 

 

 

 

 

                                                                                            

 

                                                                                                Выполнил студент группы ЗХТНВ (с)-302

                                                  Ф.И.О.Пашкова И.О    

                                                          Проверил Алгазинов Н.К

 

 

 

                                                             

                                                                 г. Павлодар 2013 г.

                                       Введение

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или почти нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, то есть в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.Обычно из растворов удаляют только часть растворителя, чтобы вещество оставалось в текучем состоянии, но в ряде случаев, когда необходимо получить чистое вещество без растворителя, то последний удаляют полностью. Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при разности температур между ними. Разность между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур. Чаще всего в качестве теплоносителя используют насыщенный водяной пар, который называют греющим, или первичным, паром.     

Однокорпусная выпарная установка  включает лишь один выпарной аппарат (корпус). Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного  аппарата с естественной циркуляцией  раствора на примере аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой (рис. 1).  Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера обогревается обычно водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры. Поднимаясь по трубам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе 2. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.Часть жидкости опускается по циркуляционной труб  под нижнюю трубную решётку греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора в трубе 4 и парожидкостной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру, упаренный раствор удаляется через штуцер в днище аппарата.

 Если выпаривание производится под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом. Упаренный раствор удаляется из конического днища аппарата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                           Содержание

 Введение

Исходные данные

1. Материальный расчет
2. Тепловой расчет
3. Конструктивный расчет
4. Гидравлический расчет
5. Изоляционный расчет
6. Расчет теплопотерь
7. Расчет барометрического конденсатора
8. Экономический расчет

Заключение 

 Список литературы

 

 

 

Исходные данные для расчета

 

Выпариваемый продукт  - KNO3

1. Производительность установки  по выпаренной воде W = 850 кг/ч

2. Концентрации сухих  веществ в KNO3: начальная СВ_н  = 17%

                                                                         конечная СВ_к  = 34% 

3. Давление греющего пара  в аппарате  р_п = 0,048 МПа

4. Внутренний диаметр  трубок  d_в = 26 мм

5. Высота кипятильных  трубок  Н = 2,6м

6. Толщина стенки трубки   σ = 2,6 мм

7. Число часов работы  аппарата в сутки O = 8 ч

8. Число рабочих дней  в году 

9. Получаемый продукт  – KNO3

 

 

 

 

1. Материальный расчет

 

1.  Определяем массовый расход поступающего KNO3 (начального раствора) Sн

 

откуда 

 

2.  Производительность выпарной установки по KNO3 S_к

 

 

3.  Определяем величину из баланса по сухим веществам с целью проверки

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Тепловой расчет

 

2.1 Составляем уравнение  теплового баланса

 

 

 

 

 

 

 

 

В таблице свойств водяного насыщенного пара по заданному давлению находим значения энтальпий:

 

 

Определяем значения плотностей пара

В таблице физических свойств  сливок при соответствующих температурах находим значения теплоемкостей  сливок

 

2.2.  Из уравнения теплового  баланса определяем теоретический  (D) и фактический (расходы греющего пара

 

 

 

 

 

 

2.4. Удельный расход греющего пара d:

 

 

2.5. Определяем коэффициент испарения (α):

 

 

2.6. Определяем коэффициент  самоиспарения (β):

 

 

2.7. Рассчитываем фактический расход выпариваемой воды по уравнению Тищенко:

 

 

 

Вычисляем расхождение значения W с рассчитанным ранее

 

 

поэтому пересчет не производится.

 

2.8. Рассчитываем коэффициент  теплоотдачи при конденсации  греющего пара на наружных  поверхностях кипятильных трубок (α₁)

 

 

где c^* = 1,15 – коэффициент расположения для вертикальных трубок, влияющий на интенсивность теплоотдачи.

b - коэффициент, учитывающий физические свойства пленки конденсата на наружной поверхности трубок. При t_п = 80,9°С в Приложении таблице № 24 находим значение b путем интерполяции:

• при 80°С b = 2,076*10³,
• при 100°С b = 2,20*10³.
• на интервал 1°С приходится

При t_п = 81°С  b = 2,076*

r  – теплота парообразования, определяемая из таблицы () путем интерполяции при t_п = 80,9°С

H – определяющий линейный размер при теплоотдачи пара к стенке, длина контакта конденсата и трубки. Для вертикальных кипятильных трубок по исходным данным Н = 2 м.

t_ст – средняя температура стенки, °С 

 

 

 

 

2.9. Рассчитываем  коэффициент теплоотдачи от стенок  трубок к кипящим сливкам 

 

где при температуре  кипения °С  определяем r

В Приложении по таблицам 1 – 3 свойств насыщенного  водяного пара и физические свойства KNO3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.10. Рассчитываем коэффициент  теплопередачи (К)

 

 

2.11. Определяем тепловую  нагрузку выпаривания (Q):

 

 

 

2.12. Рассчитываем площадь  теплопередачи выпарного аппарата (F):

 

 

С учетом коэффициента использования  поверхности нагрева определяем фактическую площадь теплопередачи (

 

 

Принимаем площадь теплопередачи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Конструктивный расчет

 

1.  Определяем общее число кипятильных трубок в аппарате (

 

2.  Шаг размещения кипятильных трубок (t)

 

 

 

3.  Площадь, занятая трубками на трубной решетке 

 

 

 

 

 

4.  Диаметр центральной циркуляционной трубы

 

 

 

 

Принимаем

 

5.  Площадь центральной циркуляционной трубы

 

 

 

 

6.  Площадь трубной решетки

 

 

 

7.  Определяем диаметр корпуса

 

 

 

 

8.  Минимальная толщина трубной решетки, обеспечивающая плотное и прочное скрепление с кипятильными трубками и корпусом аппарата

 

 

9.  Выбираем значение допустимого напряжения парового пространства выпарного аппарата в диапазоне .
10. Объем парового пространства определяют, исходя из условия обеспечения достаточно полного отделения вторичного пара от капелек кипящей жидкости. Чем слабее пенообразование, тем меньше высота парового пространства. С повышением скорости движения пара увеличивается подъемная сила и унос жидкости. Когда скорость пара больше витания капли, последняя поднимается и уносится паром при любой высоте парового пространства. При достаточной высоте парового пространства капли не достигают верха и падают на поверхность испарении. Степень уноса, главным образом, зависит от допустимого массового напряжения или объемного напряжения парового пространства.

 

Температура кипения жидкого  продукта, ,°С	75	70	65	60	55
Массовое напряжение парового пространства	0,107	0,088	0,072	0,058	0,046

 

Определяем объем парового пространства

 

 

 

3.11 Рассчитываем диаметр парового пространства

 

 

 

           3.12  Высота парового пространства

 

 

 

           3.13 Высота конического днища

 

 

           3.14 Полная высота выпарного аппарата

 

 

 

 

 

15.  Рассчитываем диаметры патрубков

 

• для подачи KNO3

 

 

 

 

.

 

• для выхода KNO3

 

 

 

 

.

 

• для подачи греющего пара

 

 

 

 

 

.

 

• для выхода конденсата

 

 

 

 

.

 

 

 

 

4. Гидравлический расчет

Целью данного расчета  является расчет и подбор  центробежного  насоса для подачи молока в выпарной аппарат и предварительно в пастеризационную установку.

4.1. Рассчитываем потери  напора в местных сопротивлениях (h_м):

 

где  Σζ – сумма коэффициентов  местных сопротивлений, количество которых определяется конструктивно  и укрупнено, согласно схеме

 

 

 

  4.2. Рассчитываем потери напора по длине подачи циркуляции молока (h_l):

 

 

где λ_n,  λ_ц   - коэффициенты гидравлического трения соответственно в падающем трубопроводе и циркуляционных трубах.

 

υ_n = 0,54 * 10^-6 м²/с – кинематический коэффициент вязкости начального молока.

 

 

 

 

 

 

υ_ц = 162*10^-6 – средний коэффициент вязкости сгущенного молока при t_k = 75^оС

 

 

   Конструктивно принимаем L_н = 4,5 м; L_ц = 8 м

 

  Тогда потери при  длине:

 

h_l = λ_n*(L_n/d_n)*(w_n²/2g) +  λ_ц*(L_ц/d_ц)*(w_ц²/2g) =

Рассчитываем напор насоса:

        H = Δz + h_l+  h_m =

4.4.  Полезная мощность  насоса (N_п):

         N_п = ρ_ср + g + H + V_c

ρ_ср – средняя плотность молока в процессе преобразования из цельного в сгущенное с сахаром   ρ_ср = 0,5*(962 + 962) = 962 м³/ч

V_c – объемный расход подаваемого молока.

V_c = S_н/ρ_н = 0,417/962 = 4,33*10^-4 м³/с.

Часовая подача V_ч = 4,33*10^-4*3600 = 1,55 м³/ч.

 

 

4.5. Полная мощность насоса (N):