Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки

4. Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки

Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки с термокомпрессором для изготовления сгущенного молока с разработкой выпарного аппарата.

Исходные данные:

Производительность по испаренной влаге: W=2000;

Давление рабочего пара: P=0,75МПа;

Температура кипения молока:

в первом корпусе – tk1=70°C;

во втором корпусе – tk2=52°C;

Температура греющего пара первого корпуса – tгр1=86°С;

Концентрация сухого вещества в исходном продукте – Хн=12%

в конечном продукте – Хк=35%

Составляем уравнения материального баланса

По всему веществу

Gн-W= Gk

Gн-W1= G1

G1- W2= Gk

По влаге

W= W1+ W2

Из этих уравнений находим количество молока поступающего на сгущение

Где Gн- количество молока поступающего на сгущение кг/ч,

Хн- концентрация сухого вещества в исходном продукте,%

Хк- в конечном продукте,%

Количество конечного продукта

Gk= Gн- W=3045-2000=1045 кг/ч;

Определим количество выпаренной влаги в каждом корпусе:

Для этого воспользуемся отношением выпаренной влаги в первом корпусе к количеству выпаренной влаги во втором корпусе:

I:II =1:1,1

 =958

Определяем конечные концентрации раствора по корпусам:

Тепловой баланс по 1му корпусу

Q1=Dгр(in1-ik1)=W1·r1-G0·Cm1(t0-tk1)+QПОТ (6)

Q2 = Dгр2 (in2- ik2)= W2·r2-G1·Cm2(tк1-tk2)+QПОТ2 (7)

t0-температура молока в 1ом корпусе

tк1-температура кипения молока в 1ом корпусе

tk2-температура кипения во втором корпусе

r1, r2-теплота парообразования при соответствующем давлении в 1и 2 корпусах.

Dгр-расход греющего пара в первом корпусе, кг/ч

Dгр2- расход греющего пара во втором корпусе, кг/ч

QПОТ , QПОТ2-потери теплоты в первом и втором корпусе,кДж

Cm-теплоемкость молока

Cm=41,87W+(13,73+0,113(Т-273)) (8)

Уравнение теплопередачи для корпусов

Q1/3,6=К1F1Δt1 (9)

Q2/3,6= К2F2Δt2 (10)

Δt1=tгр- tk1 =86-70=16°С (11)

Δt2= tгр2- tk2 (12)

tгр2= tk1-Δtфх- Δtн (13)

tвп= tk2-Δtфх- Δtн (14)

Δt1 , Δt2-полезная разность температур, °С

К1, К2-коэффициенты теплопередачи для корпусов, Вт/м2∙К

tk1, tk2-температура кипения молока в первом и втором корпусе, °С

Анализ нагрузки корпусов

Распределение выпариваемой влаги по корпусам и полезной разности температур производят на основании решения системы уравнений с учетом отбора экстра пара на дополнительные нужды. Решение этой задачи ведется методом последовательных приближений. В качестве 1го приближения обычно считают, что количество выпариваемой влаги равно количеству греющего пара. В этом случае можем записать:

W1= Dгр=a(D0+E1)=a D0(1+u) (15)

W2= W1- E1- E111=C W1- u D0 (16)

u= E1/ D0-коэффициент инжекции (=0,8..1)

а = коэффициент учитывающий долю отбираемого экстрапара(=0,9)

с = коэффициент учитывающий отбор экстрапара, направляемого во 2ой В.А.

В (16) подставим вместо

W2= W- W1

W- W1= C W1- u D0

W1(С+1)= W+u D0 (17)

Из (15) получим

D0= W1/а(1+ u),

подставим в (17) и получим

W1(С+1)= W+ u W1/ а(1+ u) (18)

После преобразований получим

W1= [W· а(1+ u)]/ а(1+ c) (1+ u)- u=[2000·0.9(1+0,9)] /0,9(1+0,95)(1+0,9) -0,9=1405 кг/ч (19)

Тогда W2 =2000-1405=595 кг/ч

Концентрация после первого корпуса

Х1= G0Х0/ G0- W1=3045·13/(3045-1405)=23,9 %

При условии равенства площадей F1=F2

Δt2= W2К1Δt1/ W1 К2=16·1500·0,298/0,702·1200 =9°С

tгр2= tk2+Δt2=52+9=61°С

Устанавливаем давление в корпусах

1корпус

tгр1=86°C

p=0,6·105 Па

Калоризатор tк=84°С iк=350 кДж/кг

r=2293кДж/кг i=2653 кДж/кг

tвп1= tгр2=61°С

p=0,21·105 Па r=2354 кДж/кг i=2611 кДж/кг

Калоризатор tк=59°С iк=247 кДж/кг

2 корпус

tвп2=49°С p=1,04·104 Па r=2386 кДж/кг i=2589 кДж/кг

Определяем удельную теплоемкость молока

См1=[41,87·1405+(13,73+0,113·68)]·0.06=3,5 кДж/кг·К

См2=[41,87·595+(13,73+0,113·50)]·0,14=3,4 кДж/кг·К

Определяем теплоту

Q1=1405·2354-3045·3,5(86-70)=3136850 кДж

Q2=595·2386-1640·3,4(67-52)=1336030 кДж

Существующие вакуум-выпарные установки имеют одинаковые поверхности нагрева испарителей и размеры корпусов, поэтому F1= F2. Равенство поверхности дает возможность определить поверхность нагрева одного корпуса установки, а второй изготавливать таким же. При этом лучше определять поверхность нагрева первого корпуса.

Определяем площадь поверхности теплопередачи калоризаторов

F1=3136850/1500·3,6·16=36,3 м2

F2=1336030/1200·3,6·9=35,3 м2

Расход греющего пара в 1м корпусе

Dгр= Q1/0,97(in1-ik1)= 3136850/0,97(2611-350)=1430 кг/ч

Расход рабочего(острого) пара

D0= Dгр/ а(1+ u)=1430/0,9(1+0,9)= 836 кг/ч

Основные размеры испарителя и пароотделителя

Поверхность нагрева испарителя образуется кипятильными трубками в теплообменнике.

Принимают диаметр кипятильных трубок d=0,032м, l=2.5м.

Число трубок в испарителе

n= F/π· d ·l=36,3/(3,14·0,032·2,5)=146

Вакуум-выпарные установки имеют обычно две циркуляционные трубы, площадь трубы, площадь сечения которых принимается за 10% светового сечения кипятильных труб.

Площадь поперечного сечения циркуляционные труб

fц=0.1 F=0,1·3,14·0,0322·187/4=0,15м2

Диаметр циркуляционные труб

Dц== = 0,31м

Определение размеров пароотделителя

Объем пароотделителя определяется по формуле

V=Vвт·W/A=13·2000/6000=4,3 м3

Где Vвт- удельный объем вторичного пара, м3/кг.

А- допускаемое напряжение объема по испаренной влаге,

Объем пароотделителя цилиндрического м3/( м3·ч) (А= 4000…12000 м3/( м3·ч)

V= (π D2/4)·H

D- Диаметр пароотделителя, м;

H- высота пароотделителя, м; (Н=1,2D)

D= =  = 1,65 м

Н=1,2·1,65 = 1,98м

Расчет трубчатого теплообменника

Принимают диаметр кипятильных трубок d=0,032м, l=2.5м.

Определяем число ходов в аппарате

i= L1/L=5/2.5=2

Где i-число ходов в аппарате,

L1-Общая длина аппарата, м

L-длина кипятильных труб, м

Размещаем трубы по сторонам правильных шестиугольников (по вершинам равносторонних треугольников). На диагонали наибольшего из них расположится труб:

nд=

n- число трубок в испарителе;

Количество труб на стороне наибольшего шестиугольника

nс=0,5(nд+1)=0,5∙(14+1)=7.5

Где nд- количество трубок на диагонали шестиугольников

Принимаем nс=8

Определяем шаг труб в кипятильнике

D =1.25∙ d=1.25∙32∙10-3=40∙10-3м = 40мм,

Где d- диаметр кипятильных труб

Определяем ширину простенка

Lн=( L- d)=40-32=8мм.

Внутренний диаметр кожуха аппарата

Dв = L (nд-1)+ d +2( L- d)=40(14-1)+32+2(40-32)=568

Корпус аппарата будет изготовляться сварным. Наружный диаметр примем равным 630 мм (по сортаменту). Коэффициент прочности сварных швов примем равным β =0,7

Список используемой литературы

1. Храмцов А. Г., Нестеренко П. Г., Чеботарев Е. А. Производство сгущенных концентратов молочной сыворотки: Учебное пособие. – Ставрополь: Институт развития образования, 1998. – 80 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 784 с.

3. Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А.А. Примеры задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М., Химия ,1987. - 552 с.

4. Дытнерский Ю.М. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. - М.: Химия,1983. - 261с.

5. Аболмаков Г.Ф. Примеры и задачи по курсу технологического оборудования молочной промышленности. - М.-Л., Машиностроение,1966. - 284 с.

6. Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.- -М.: Легкая и пищевая промышленность,

7.Бредихин С.А., Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника молока.-М.: Колос, 2003г.

8. Г.Н.Крусь., А.Г.Храмцов., З.В.Волокитина., С.В.Карпычев. Технология молока и молочных продуктов .М.:«КолосС».

9.Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии.-М.: Колос, 2000г.

10.Зимняков В.М., Назаров И.В., Щербина С.В. Практикум по основам расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств.- М.: Пенза, 2003г.

11. Антипов С.Т., И.Т.Кретов., А.Н.Остриков., В.А.Панфилов., О.А.Ураков. Машины и аппараты пищевых производств в двух книгах. М.: «Высшая школа», 2001.

12. Селягин В.Е., Процессы и аппараты пищевых производств. Расчет вакуум-выпарной установки.- М.: МГЗИПП. 1997г.