Розрахунково-пояснювальна записка
До курсового проекту на тему
«Проект двохкорпусної випарної установкидля концентрування яблучного соку»
Основне завдання випарювання
Основним завданням випарювання є часткове видалення з розчину розчинника і утворення концентрованого розчину, який піддають дальшому згущуванню, щоб мати напівпродукт або готовий продукт. Так, наприклад, при виробленні каустичної соди розчин КаОН упарюють на випарній станції до концентрації 50–60%, а потім у плавильних котлах з вогневим нагріванням остаточно упарюють його до сухого стану. У цукровому виробництві соки згущують у випарній установці до концентрації 65%, а потім уварюють густий сироп у вакуум-апаратах до утворення 92–93% сухих речовин. Такий напівсухий або сухий продукт більш транспортабельний, його краще зберігати, ніж рідкий розчин. Часто під час упарювання обмежуються утворенням лише концентрованого розчину.
Процес випарювання треба проводити так, щоб при заданій продуктивності випарної установки мати згущений розчин потрібної концентрації і відповідної якості, без втрат сухої речовини під час випарювання, при якомога меншій витраті палива.
Випарюють розчин в одному апараті або у випарній установці, що складається з кількох послідовно сполучених між собою апаратів безперервної дії, так званих корпусів. Застосування такої випарної установки багаторазової дії дає змогу значно знизити витрати палива на випарювання.
Як було вже сказано, процес упарювання часто проводять у два етапи. Це зумовлено потребою очистити і профільтрувати згущений розчин до остаточного упарювання, або потребою вести остаточне упарювання на «голому» вогні чи за допомогою високотемпературного теплоносія, оскільки для цього потрібна висока температура. Часткове випарювання (перший етап) найчастіше можна здійснити за допомогою водяної пари низького тиску у випарній установці багаторазової дії.
Вимоги до продуктів, що надходять до випарної установки і виходять з неї
Розчини, які надходять у випарну установку, не повинні мати механічних домішок. Для цього їх попередньо очищають, щоб на теплообмінній поверхні випарних апаратів не було відкладень. Іноді застосовують проміжну фільтрацію між тими або іншими корпусами для видалення утворюваного осаду.
Температура розчину, який надходить у випарну установку, повинна дорівнювати температурі кипіння або бути близькою до неї в першому по порядку корпусі для того, щоб випарний апарат працював тільки як випарник, а не частково і як підігрівач, бо в цьому разі коефіцієнт теплопередачі апарата дещо знижується.
У випадку, коли розчин має нижчу температуру, ніж температура його кипіння в першому корпусі, доцільно встановити окремі підігрівачі для попереднього підігрівання розчину.
Чим вища концентрація початкового розчину і чим менша його кількість, тим вищою буде продуктивність випарної установки і тим меншою витрата тепла на упарювання розчину до потрібної концентрації.
Для зниження витрати палива на остаточне упарювання розчину (після випарної станції), яке звичайно здійснюють в апараті одноразової дії, цей розчин треба випарити у випарній установці багаторазової дії до найбільш можливої високої концентрації, наскільки це допускають особливості технологічної схеми і гідромеханічні умови транспортування згущеного розчину.
Фізичні основи процесу випарювання
Фізична суть процесу випарювання полягає в перетворенні частини рідини (розчинника) в пару при згущенні розчинів або в перетворенні всієї рідини в пару, якщо випарюють однокомпонентну рідину (наприклад, воду). Слід відрізняти випарювання від випаровування. Випаровування відбувається з поверхні і при будь-якій температурі, тоді як випарювання – з усієї маси рідини при температурі, що відповідає точці кипіння при певному тиску.
З точки зору молекулярно-кінетичної теорії при випарюванні і випаровуванні відбувається видалення частини молекул речовини, що перебувають у тепловому русі, з простору, який займає рідина. Молекули, які видаляються з рідини,
заповнюють паровий простір і утворюють насичену пару цієї рідини. Частина цих молекул знову повертається в рідину, а частина випаровується, поповнюючи убуток у паровому просторі, тобто встановлюється рухома рівновага, внаслідок чого число молекул над рідиною, а отже і тиск насиченої пари набуває певної величини при заданій температурі.
Коли температура кипіння змінюється, рівновага порушується, а це спричинює відповідні зміни густини і тиску пари. Під час кипіння рідини пара виділяється не лише з поверхні, а й з парових бульбашок, що утворюються в самій рідині, і цей процес стає основним, бо утворені бульбашки є центрами пароутворення. Парова бульбашка в міру випаровування в неї рідини збільшується в розмірі, зростає і її піднімальна сила: тому, переборюючи опір рідин, вона спливає на поверхню, де й лопається, а замість неї утворюється нова бульбашка. Таке переміщення бульбашок з нижніх шарів рідини до її поверхні зумовлює безперервне перенесення утворюваної всередині рідини пари в паровий простір.
Парові бульбашки зароджуються на стінках шорсткої теплообмінної поверхні; їх утворенню сприяють також гази, які є в рідині; при нагріванні гази починають виділятися, утворюючи велику кількість бульбашок, в які й випаровується рідина.
Умовою утворення парових бульбашок є рівність тиску пари всередині бульбашки і зовнішнього тиску рідини, яка її оточує; при цьому процес пароутворення відбувається настільки інтенсивно, що, незважаючи на надходження ззовні великої кількості тепла, температура рідини не підвищується.
Іноді спостерігається, що рідина в момент початку кипіння є перегрітою; це буває тоді, коли рідина не містить у собі розчинених газів. У цьому випадку тиск пари всередині бульбашки повинен дорівнювати зовнішньому тиску і додатковому тиску, зумовленому діями капілярних сил на межі пара – рідина.
При наявності розчинених газів випаровування відбувається головним чином у газові бульбашки, які виділяються з рідини при її нагріванні, тому дія поверхневого натягу майже не впливає на кипіння рідини, і перегрівання її незначне. Теплоносієм при випарюванні найчастіше є насичена або трохи перегріта пара; можна застосовувати газове або електричне обігрівання, а також обігрівання за допомогою високотемпературного теплоносія.
Щоб здійснити процес випарювання, тепло від теплоносія треба передати до киплячої рідини, що можливо лише при наявності температурного перепаду між ними. Ця різниця температур між теплоносієм і киплячою рідиною називається корисною різницею температур.
Витрата тепла на випарювання залежить відрахованої теплоти пароутворення перетворюваної в пару речовини.
Як було вже зазначено, при випарюванні рідини під час кипіння температура її залишається сталою, бо з початком кипіння тепло витрачається тільки на зміну агрегатного стану рідини, тобто на перетворення рідини в пару. Відомо також з фізики, що температура кипіння рідини є функцією тиску і що з підвищенням тиску температура кипіння підвищується і, навпаки, при вакуумі вона знижується. Останню обставину часто використовують при випарюванні розчинів, для яких у зв'язку з псуванням продукту високої температури кипіння допускати не можна.
Випарювання розчинів відрізняється від кипіння однокомпонентної рідини (наприклад, води) тим, що вони киплять при вищій температурі, ніж
розчинник при тому самому тиску; на це слід зважати при розрахунку і проектуванні випарного апарата, особливо при виборі параметрів теплоносія і робочого режиму експлуатації.
Величина підвищення температури кипіння розчину порівняно з температурою кипіння чистого розчинника при тому самому тиску називається температурною депресією. Вона залежить від концентрації розчину, від тиску під час кипіння і від природи розчиненої речовини. Причиною підвищення температури кипіння розчинів є відмінність у ході температурної кривої для чистих рідин і для розчинів внаслідок неоднакової їх леткості. Температура кипіння однокомпонентної рідини є функцією лише тиску, а для розчинів вона є функцією тиску і концентрації. Те саме стосується і температурної депресії.
Матеріали для виготовлення випарних апаратів
Для виготовлення випарних апаратів застосовують головним чином чорні метали і лише в деяких випадках – кольорові.
Найчастіше застосовується сталь різних марок, рідше чавун.
Застосовують чавун марок СЧ і СЧЩ, чавуни, леговані нікелем і міддю, а також високо хромисті чавуни.
У зв'язку з високою вартістю випарних апаратів, виготовлюваних з високолегованих сталей і титану, НДІОхім разом з УкрНДІхіммашем розробці конструкцію апарата з гріючими трубками з графітопласту АТД 1 і з плитками з цього самого матеріалу для захисного покриття сепараторів і циркуляційних труб, виготовлюваних з вуглецевої сталі.
Графітопласт АТМ-1 – це прес-композиція на основі графітного порошку і синтетичної смоли. Він стійкий проти кислих середовищ, має високий коефіцієнт теплопровідності і легко піддається обробці. Теплостійкий до 130° С.
За підрахунками згаданих вище організацій вартість виготовлення гріючих камер з трубками з графітопласту в кілька разів менша, ніж виготовлення такої самої поверхні нагрівання з титану. Арматура і комунікації випарних апаратів
Прилади і пристрої, призначені для керування роботою окремого випарного апарата або випарної установки в цілому, називаються арматурою.
До арматури належать різні вентилі, водомірні стекла, зорові стекла, маслянка, запобіжний клапан. При випарному апараті є такі вентилі:
а) вентиль для регулювання набирання і видалення розчину з апарата;
б) водяні вентилі для подавання в разі потреби води в апарат і для видалення конденсаційної води;