Расчет выпарного аппарата
| Формат | Зона | Поз. | Обозначение | Наименование | Кол. | Приме-чание | |||||||||||||
| Документация | |||||||||||||||||||
| А1 | КП.Т00.260601.65.16.00.00 Т | Технологическая схема | 1 | ||||||||||||||||
| А4 | КП.ТОО.260601.65.16.00.00 ПЗ | Пояснительная записка | 41 | ||||||||||||||||
| оборудование | |||||||||||||||||||
| 1 | Гидравлический конвейер | 1 | |||||||||||||||||
| 2 | Соломоботволовушка | 1 | |||||||||||||||||
| 3 | Желоб металлический | 1 | |||||||||||||||||
| 4 | Камнеловушка | 1 | |||||||||||||||||
| 5 | Водоотделитель | 1 | |||||||||||||||||
| 6 | Моечная машина | 1 | |||||||||||||||||
| 7 | Ороситель | 1 | |||||||||||||||||
| 8 | Элеватор | 1 | |||||||||||||||||
| 9 | Конвейер | 1 | |||||||||||||||||
| 10 | Электромагнит | 1 | |||||||||||||||||
| 11 | Весы | 1 | |||||||||||||||||
| 12 | Бункер | 1 | |||||||||||||||||
| 13 | Свеклорезка | 1 | |||||||||||||||||
| 14 | Ленточный конвейер | 1 | |||||||||||||||||
| 15 | Диффузионная установка | 1 | |||||||||||||||||
| 16 | Ленточный конвейер | 1 | |||||||||||||||||
| 17 | Фильтр | 1 | |||||||||||||||||
| 18 | Выпарная станция | 1 | |||||||||||||||||
| 19 | Станция фильтров | 1 | |||||||||||||||||
| 20 | Котел сульфатации | 1 | |||||||||||||||||
| 21 | Фильтр | 1 | |||||||||||||||||
| 22 | Аппарат сатурации | 1 | |||||||||||||||||
| 23 | Вакуум-фильтр | 1 | |||||||||||||||||
| 24 | Гравитационный отстойник | 1 | |||||||||||||||||
| Изм | Лист | № докум. | Подп. | Дата | |||||||||||||||
| Разраб | Технологическая схема линии производства сахара - песка | Лит | Лист | Листов | |||||||||||||||
| Пров | 1 | 2 | |||||||||||||||||
| Т.контр | |||||||||||||||||||
| Н.контр . кконтр. | |||||||||||||||||||
| Утв. | |||||||||||||||||||
| Формат | Зона | Поз. | Обозначение | Наименование | Кол. | Приме-чание | |||||||||||||
| 25 | Подогреватель | 1 | |||||||||||||||||
| 26 | Котел первой сатурации | 1 | |||||||||||||||||
| 27 | Аппарат дефекации | 1 | |||||||||||||||||
| 28 | Подогреватель | 1 | |||||||||||||||||
| 29 | Сульфитатор | 1 | |||||||||||||||||
| 30 | Станция фильтров | 1 | |||||||||||||||||
| 31 | Подогреватель | 1 | |||||||||||||||||
| 32 | Вакуум-аппарат | 1 | |||||||||||||||||
| 33 | Утфелемешалка | 1 | |||||||||||||||||
| 34 | Центрифуга | 1 | |||||||||||||||||
| 35 | Виброконвейер | 1 | |||||||||||||||||
| 36 | Сушильно – | ||||||||||||||||||
| охладительная установка | 1 | ||||||||||||||||||
| 37 | Ленточный конвейер | 1 | |||||||||||||||||
| 38 | Вибросито | 1 | |||||||||||||||||
| 39 | Силосная башня | 1 | |||||||||||||||||
| Шайба 2021 | Лист | ||||||||||||||||||
| 2 | |||||||||||||||||||
| Изм | Лист | № докум. | Подп. | Дата | |||||||||||||||
| Формат | Зона | Поз. | Обозначение | Наименование | Кол. | Приме-чание | ||||||||||
| Документация | ||||||||||||||||
| А3 | КП.ТОО.260601.65.16.01.00 СБ | Сборочный чертеж | 1 | |||||||||||||
| детали | ||||||||||||||||
| 1 | КП.ТОО.260601.65.16.01.01.000 | Сепаратор | 1 | |||||||||||||
| 2 | КП.ТОО.260601.65.16.01.02.000 | Корпус | 1 | |||||||||||||
| 3 | КП.ТОО.260601.65.16.01.03.000 | Крышка | 1 | |||||||||||||
| КП.ТОО.260601.65.16.01.00 СБ | ||||||||||||||||
| Изм | Лист | № докум. | Подп. | Дата | ||||||||||||
| Разраб | Константинов | Сепаратор | Лит | Лист | Листов | |||||||||||
| Пров | Талипова | 1 | 1 | |||||||||||||
| Т.контр | ИНЭКА гр.2419 | |||||||||||||||
| Н.контр . кконтр. | ||||||||||||||||
| Утв. | ||||||||||||||||
| Формат | Зона | Поз. | Обозначение | Наименование | Кол. | Приме-чание | ||||||||||
| Документация | ||||||||||||||||
| А1 | КП.ТОО.260601.65.16.18.00 СБ | Сборочный чертеж | 1 | |||||||||||||
| Сборочные единицы | ||||||||||||||||
| 1 | КП.ТОО.260601.65.16.18.01.000 | Сепаратор | 1 | |||||||||||||
| 2 | КП.ТОО.260601.65.16.18.02.000 | Греющая камера | 1 | |||||||||||||
| 3 | КП.ТОО.260601.65.16.18.03.000 | Труба циркуляционная | 1 | |||||||||||||
| 4 | КП.ТОО.260601.65.16.18.04.000 | Крышка | 1 | |||||||||||||
| 5 | КП.ТОО.260601.65.16.18.05.000 | Колено | 1 | |||||||||||||
| 6 | КП.ТОО.260601.65.16.18.06.000 | Колено | 1 | |||||||||||||
| 7 | КП.ТОО.260601.65.16.18.07.000 | Фланец | 1 | |||||||||||||
| 8 | КП.ТОО.260601.65.16.18.08.000 | Фланец | 1 | |||||||||||||
| 9 | КП.ТОО.260601.65.16.18.09.000 | Фланец | 1 | |||||||||||||
| Изм | Лист | № докум. | Подп. | Дата | ||||||||||||
| Разраб | нстантиновКонстантинов | Выпарной аппарат с выносной греющей камерой | Лит | Лист | Листов | |||||||||||
| Пров | 1 | 1 | ||||||||||||||
| Т.контр | ||||||||||||||||
| Н.контр . кконтр. | ||||||||||||||||
| Утв. | ||||||||||||||||
1. Описание и теоретические основы технологического процесса.
Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях. Выпариванию подвергают растворы твердых веществ, а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара.
При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.
Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.
Тепло необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.
Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления, связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.
Выпаривание под вакуумом имеет определённые преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением: давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).
При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких pa6очих параметров температуры и давления.
Примёнение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.
Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание, под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т.е. создать, необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по равнению с однокорпусными установками той же производительности.
Экономия первичного пара (и соответственно топлива) может быть достигнута также в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового насоса (например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат для выпаривания раствора.
1.1. Однокорпусные выпарные установки
Рис. 1.
Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат (корпус). Принципиальная схема одиночного выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора с внутренней центральной циркуляционной трубой изображена на рис. 1.
Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате (рис. 1) или камера может быть вынесена и соединена с сепаратором трубами. 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 трубе 2 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.
1.2. Много корпусные выпарные установки.
В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. В однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процессы в многокорпусной выпарной установке. Принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.
Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 2.
Установка состоит из нескольких (в данном случае трёх) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.
В виду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.
Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотёком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.
Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.
Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через не плотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7.
С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей конденсатор.
Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур зреющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, давление вторичного дара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно.
Аппараты с выносной нагревательной камерой.
Рис. 3.
При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре но и за счет увеличения длины кипятильных труб.
Аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. 3) имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.
Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две камеры.
Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается.
Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по не обогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется с сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.
Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа получили широкое распространение.
В некоторых конструкциях выпарных аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 3, у которого удалена циркуляционная труба.
В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т.е. аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов.
2. Расчет аппарата.
Расчет производится по методике [3] п. 3.4.
2.1. Материальный расчет.
Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:
W = GН(1-xН/x) (2,1)
GН = 1.316 кг/с; xН = 12%; xК = 50%.
Подставив, получим:
W = 1.316(1-12/50) = 1 кг/с
А количество сгущенного продукта определяется по формуле:
кг/с (2.2)
кг/с;2.2. Тепловой расчет.
Расход греющего пара определяется из уравнения теплового баланса по формуле:
кг/с, (2.3) где: c - теплоемкость продукта, Дж/кг К;
tкип - температура кипения продукта, оС;
r = 2336 кДж/кг - удельная теплота парообразования при давлении в аппарате (30 кПа), определяется по [3]: Таблица 11.
iп = 2680 кДж/кг, iк = 428.84 кДж/кг - энтальпия греющего пара и конденсата (при давлении 0.11 МПа), определяются по [3]: Таблица 11.
1.05 - коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду (5%).
Температура кипения продукта определяется по формуле:
оС, (2.4) где: tнас = 69.12 оС - температура насыщения при давлении в аппарате (30 кПа), определяются по [3]: Таблица 11.
оС. Теплоемкость продукта зависит от содержания сахара в растворе. При температуре кипения 71 оС и концентрации 12% теплоемкость с = 3630 Дж/кг К (определяется экстраполируя значения из [3]: Таблица 4), при концентрации 50% теплоемкость с = 3195 Дж/кг К (выбирается из [3]: Таблица 4). Так как в процессе выпаривания концентрация раствора постоянно изменяется, для дальнейшего расчета принимается среднее значение теплоемкости с = 3412 Дж/кг К.
После подстановки полученных значений в формулу 2.3 определяется расход греющего пара:
кг/с. Площадь поверхности теплообмена определяется по формуле:
м2, (2.5) где: tср - средняя разность температур, оС;
k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К).
Средняя разность температур определяется как разница температуры пара (tп = 102.32 оС, определяется по [3]: Таблица 11) и температуры кипения продукта:
оС. Коэффициент теплопередачи определяется по приближенной формуле:
Вт/(м2К), (2.6) где: 1 - коэффициент теплоотдачи от конденсируемого пара к стенке кипятильной трубы, Вт/(м2К);
2 - коэффициент теплоотдачи от стенки кипятильной трубы к продукту, Вт/(м2К).
Коэффициент теплоотдачи от конденсируемого пара к стенке кипятильной трубы определяется по формуле, полученной из критериальных уравнений в случае конденсации пара на вертикальных трубах:
Вт/(м2К), (2.7) где: r = 2251.2 кДж/кг - теплота конденсации пара, определяется по [3]: Таблица 11;
= 958 кг/м3 - плотность конденсата, определяется по [3]: Таблица 12;
= 0.683 Вт/мК - теплопроводность конденсата, определяется по [3]: Таблица 12;
g = 9.81 м/с2 - ускорение свободного падения;
=
Па с - коэффициент динамической вязкости конденсата; tст = 4 оС - разница между температурой конденсации пара и средней температурой стенки, принимается в диапазоне 3 .. 5 оС ([3]:п 3.1.);
H = 5 м - высота кипятильной трубы, выбирается из соображений интенсификации естественной циркуляции продукта в выпарных аппаратах с выносной греющей камерой.
Вт/(м2К). Для определения коэффициента теплоотдачи от стенки кипятильной трубы к продукту можно воспользоваться эмпирической формулой:
Вт/(м2К), (2.8)
Вт/(м2К). После подстановки полученных значений в формулу 2.6 определяется коэффициент теплопередачи:
Вт/(м2К) После подстановки полученных значений в формулу 2.5 определяется площадь поверхности теплообмена:
м2.2.3. Конструктивный расчет.
Греющая камера представляет собой вертикальный одноходовой теплообменник. Диаметр труб выбирается в зависимости от типа продукта, его концентрации, коэффициента вязкости. Для вязких жидкостей обычно принимают диаметры труб в диапазоне 25 .. 76 мм.
Для данного расчета принимаются трубы 45х2.5 с наружным диаметром dн = 45 мм, при этом средний диаметр dср = 43.75 мм, а внутренний диаметр dвн = 40 мм.
Количество труб, с учетом их размещения по вершинам правильного шестиугольника, определяется по формуле:
(2.9) Ближайшее уточненное значение z = 217, при этом количество труб по диагонали шестиугольника a = 17.
Шаг между осями соседних трубок в трубной решетке принимается в 1.25..1.3 раза большим внешнего диаметра труб, для дальнейшего расчета принимается t = 58 мм.
Минимальная толщина трубной решетки определяется из соображений обеспечения надежной развальцовки труб по формуле:
мм 11 мм. (2.10)Внутренний диаметр кожуха греющей камеры определяется по формуле:
м. (2.11) В месте подсоединения патрубка, через который подается греющий пар, диаметр кожуха может увеличиваться, размер определяется конструктивно.
Так как данный выпарной аппарат является аппаратом периодического действия и известно время цикла и производительность по влаге, можно определить массу продукта в начале и в конце цикла. Масса продукта в начале выпаривания цикла определяется по формуле:
кг. (2.12) Масса продукта в конце цикла выпаривания определяется по формуле:
кг. (2.13) Зная плотности продукта в начале и в конце цикла выпаривания н = 1020 кг/м3, к = 1205 кг/м3 ([3]: Таблица 4), объем, занимаемый продуктом, в начале и в конце цикла определяется по формулам:
м3. (2.14)
м3. (2.15) При разработке конструкции аппарата следует учесть, что аппарат должен вмещать начальный объем продукта, а также внутренний объем трубной решетки должен быть меньше конечного объема продукта для обеспечения его циркуляции.
Площадь поперечного сечения внутренней части трубной решетки определяется по формуле:
м2. (2.16) Внутренний объем трубной решетки определяется по формуле:
м3. (2.17) Диаметры всех патрубков определяются по формуле
м, (2.19) где: G - расход пара или жидкости, кг/с;
- скорость пара или жидкости, м/с;
- плотность пара или жидкости при соответствующей температуре, кг/м3.
Определяется диаметр патрубка для подачи греющего пара при: скорости пара 25 м/с (выбирается из диапазона 20 .. 40 м/с), плотности пара = 0.645 кг/м3 ([3]: Таблица 11), расходе пара D = 1.197 кг/с.
м. Из стандартного ряда (ГОСТ 8732-70) выбирается ближайшая большая труба - 325 х 4.
Аналогично определяется диаметр патрубка для отвода вторичного пара при следующих параметрах: скорость пара 30 м/с (выбирается из диапазона 20 .. 40 м/с), плотность пара = 0.191 кг/м3 ([3]: Таблица 11), расход пара W = 1.0 кг/с.
м. Из стандартного ряда (ГОСТ 8732-70) выбирается ближайшая большая труба - 500 х 6.
Диаметр патрубка для отвода конденсата определяется по формуле 2.19 при следующих параметрах: скорость конденсата 1 м/с (выбирается из диапазона 0.1 .. 2 м/с), плотность конденсата = 958 кг/м3 ([3]: Таблица 4), расход конденсата равен расходу пара D = 1.197 кг/с.
м. Из стандартного ряда (ГОСТ 8732-70) выбирается ближайшая большая труба - 45 х 2.5.
Диаметр патрубков для загрузки исходного и отбора готового продукта должны обеспечивать наиболее быстрый процесс загрузки и выгрузки.
В данном случае время загрузки принимается з = 15 мин, при этом расход продукта составит:
кг/с (2.20) Диаметр патрубка для загрузки продукта определяется по формуле 2.19 при следующих параметрах: скорость продукта 2 м/с (выбирается из диапазона 0.1 .. 2 м/с), плотность продукта = 1020 кг/м3 ([3]: Таблица 4), расход продукта Gз = 12.72 кг/с.
м. Из стандартного ряда (ГОСТ 8732-70) выбирается ближайшая большая труба - 95 х 3.
Для унификации диаметр разгрузочного патрубка принимается равным диаметру загрузочного, при этом время разгрузки определяется по формуле:
с. (2.21) При скорости продукта = 1.2 м/с и его плотности = 1205 кг/м3 время разгрузки составит:
с 5 мин. Объем парового пространства определяется по формуле:
м3, (2.22) где: атм = 1000 кг/(м3ч) - допустимое напряжение парового пространства для воды;
f1 = 0.85 - коэффициент зависящий от давления вторичного пара ([4]: стр.129);
f2 = 1.0 - коэффициент зависящий от уровня раствора над точкой ввода парожидкостной смеси ([4]: стр.129).
м3. Площадь сепарационного устройства определяется по формуле:
м2, (2.23) где: п = 0.191 кг/м3 - плотность вторичного пара;
п = 2 м/с - скорость вторичного пара в сепараторе.
м2. Диаметр сепаратора определяется по формуле:
м. (2.24) Высота парового пространства определяется по формуле:
м. (2.25) Высота сепаратора определяется из расчета размещения начального объема продукта и парового пространства по формуле:
м. (2.26)Расчет основных геометрических размеров фланцевых соединений производится по формулам:
Толщина втулки фланца:
м, (2.27) где: s - толщина трубопровода.
Высота втулки фланца:
м, (2.28) где: Dy - наружный диаметр трубопровода;
с = 2 .. 6 мм. - прибавка к расчётным толщинам.
Диаметр болтовой окружности фланца:
м, (2.29) где: dб - диаметр болта;
u = 4 .. 12 мм - нормативный зазор между втулкой и гайкой.
Наружный диаметр фланца:
м, (2.30) где: a - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца.
2.4. Расчет толщины изоляции.
Толщина тепловой изоляции и определяется из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду ([5]:4.2):
, (2.31) где: В - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2К);
tст1 = 102.3 оС - температура изоляции со стороны аппарата, принимается равной температуре греющего пара ([5]:стр. 177);
tст2 = 40 оС - температура изоляции со стороны окружающей среды, принимается в диапазоне 35 .. 45 оС для аппаратов, работающих в помещении ([5]:стр. 177);
tВ = 25 оС - температура окружающей среды;
и = 0.09 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности материала изоляции (принимается совелит - 85% магнезии + 15% асбеста).
Коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду определяется по эмпирической формуле:
Вт/(м2К). (2.32) Толщина изоляции определяется по формуле:
м. (2.33)2.5. Гидравлический расчет.
Для данного проекта гидравлический расчет сводится к определению максимального гидравлического сопротивления в контуре циркуляции выпариваемого раствора.
Гидравлическое сопротивление трубного пространства определяется по формуле:
Па, (2.34) где: - скорость жидкости в трубном пространстве, м/с;
- плотность жидкости, кг/м3;
dВ - внутренний диаметр трубного пространства, м.
- коэффициент трения, определяется в зависимости от значения критерия Рейнольдса (при Re = 3000 ... 10000 = 0.3164/Re0.25, при Re < 2320 = 64/Re);
- сумма коэффициентов местных сопротивлений.
Значение критерия Рейнольдса определяется по формуле:
, (2.35) где: - кинематическая вязкость жидкости, м2/с.
Так как данный выпарной аппарат периодического действия, то такие параметры как скорость жидкости, ее кинематическая вязкость и плотность будут изменяться по мере увеличения концентрации сахарного раствора.
Дальнейший расчет производится для раствора с максимальной концентрацией (50%), т.е. на конечной стадии процесса выпаривания.
При этом плотность раствора будет составлять = 1205 кг/м3, кинематическая вязкость - =
м2/с ([3]: Таблица 4). Скорость движения раствора по мере прохождения различных участков аппарата будет изменяться в зависимости от площади поперечного сечения потока (диаметра труб), поэтому общее гидравлическое сопротивление будет определяться как сумма сопротивлений на участках с различной скоростью движения раствора.
Цикл циркуляции раствора можно разбить на участки по скорости движения раствора:
циркуляционная труба с поворотным коленом;
нижняя часть греющей камеры;
трубные решетки с греющими трубами;
верхняя часть греющей камеры;
верхнее поворотное колено;
сепаратор.
Так как аналитическое определение скорости движения раствора представляет собой довольно сложную задачу, для данного расчета принимается скорость движения раствора в циркуляционной трубе 1 = 0.5 м/с, при этом объемный расход составит:
л/с (2.36) Исходя из постоянства расхода определяются скорости движения на остальных участках аппарата, кроме 3, 4 и 5, т.к. на этих участках образуется парожидкостная смесь (пена) и скорость ее движения резко увеличивается, однако для упрощения гидравлического расчета условно принимается, что увеличение скорости будет компенсировано уменьшением плотности и кинематической вязкости раствора. Поэтому расчет на этих участках производится также, как и на других, т.е. для жидкости.
м/с (2.37) 2.5.1. Расчет гидравлического сопротивления на участке 1 (циркуляционная труба с поворотным коленом):
Скорость раствора = 0.3 м/с, внутренний диаметр d = 392 мм, средний радиус поворота колена R = 500 мм, длинна участка L = 6.13 м.
Местные потери складываются из потерь на повороте 90о и потерь на расширении потока:
Па. 2.5.2. Расчет гидравлического сопротивления на участке 2 (нижняя часть греющей камеры):
Скорость раствора = 0.03 м/с, внутренний диаметр d = 1110 мм, длинна участка L = 0.78 м, Re = 28194, = 0.024
Местные потери складываются из потерь на вход в трубную решетку = 1.0.
Па. 2.5.3. Расчет гидравлического сопротивления на участке 3 (трубные решетки с греющими трубами):
Площадь сечения трубного пространства F = 0.273 м2, условный диаметр трубного пространства dтр = 590 мм, скорость раствора = 0.13 м/с, внутренний диаметр одной трубы d = 40 мм, длинна участка L = 5 м, Re = 3601, = 0.04
Местные потери складываются из потерь на выход из трубной решетки = 1.0.
Па. 2.5.4. Расчет гидравлического сопротивления на участке 4 (верхняя часть греющей камеры):
Скорость раствора = 0.03 м/с, внутренний диаметр d = 1110 мм, длинна участка L = 0.52 м, Re = 28194, = 0.024.
Местные потери складываются из потерь на постепенное сужение канала = 0.5.
Па. 2.5.5. Расчет гидравлического сопротивления на участке 5 (верхнее поворотное колено):
Скорость раствора = 0.3 м/с, внутренний диаметр d = 392 мм, средний радиус поворота колена R = 500 мм, длинна участка L = 1.48 м, Re = 79800, = 0.019.
Местные потери складываются из потерь на повороте 90о и потерь на расширении потока = 0.7.
Па. 2.5.6. Расчет гидравлического сопротивления на участке 5 (верхнее поворотное колено):
Скорость раствора = 0.013 м/с, внутренний диаметр d = 1830 мм, длинна участка L = 1.7 м, Re =17102, = 0.027.
Местные потери складываются из потерь на постепенное сужение потока = 0.5.
Па. Суммарное гидравлическое сопротивление определяется как сумма всех сопротивлений на участках аппарата p = 111.3 Па.
Литература.
1. Черевко О.І., Поперечний А.М. – Процеси і апарати харчових виробництв: Підручник / Харк. держ. акад. технол та орг. харчування. – Харків, 2002. – 420 с.
2. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. – Процессы и аппараты пищевых производств. – М: Агропромиздат, 1985. – 503 с.
3. Поперечный А.Н. Методические указания к курсовому проектированию по процессам и аппаратам пищевых производств. - Донецк: ДонГУЭТ. - 2001, 41 с.
4. Иоффе И.Л. - Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.
5. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. - Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. - М.: Химия, 1991. - 496 с.
22
ОПП 02.06.00 ПЗ