Рассчитать двухкорпусную установку для концентрирования молока производительностью G

 

где х – средняя концентрация раствора в корпусе, %;

 

Находим среднюю концентрацию растворов в корпусе:

 

Xср1 = (xн + x1)/2 = (13 + 19,6)/2 = 16,3 %

Xср2 = (x1 + x2)/2 = (19,6 + 45)/2 = 32,3 %

 

Находим плотность растворов по корпусам:

 

-9-

ρ01 = 10·[1,42·x + (100 – x)] = 10·[(1,42·16,3)+(100-16,3)] = 1068,46 кг/м3

ρ02 = 10·[1,42·x + (100 – x)] = 10·[(1,42·32,3)+(100-32,3)] = 1135,66 кг/м3

 

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε = 0,4÷0,6.  Принимаем ε = 0,5.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

 

Pср1 = Pвп1 + ((ρ1·g·H·(1– ε))/2) = (0,63·105)+((1068,46 ·10·4·(1-0,5)) / 2) = 0,737·105 Па

 

Pср2 = Pвп2 + ((ρ2·g·H·(1– ε))/2) = (0,16·105)+((1135,66 ·10·4·(1-0,5)) / 2) = 0,27·105 Па

 

  Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя(табл3):

P, Па	t, °C	r, кДж/кг
0,737·105	91	2279,7
0,27·105	67	2340

 

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °C):

 

Δ''1 = t1ср – tвп1 = 91 – 87 = 4 °C

Δ''2 = t2ср – tвп2 = 67 – 56 = 11 °C

 

Сумма гидростатических депрессий:

 

ΣΔ'' = Δ''1 + Δ''2 =  4+ 11 = 15 °C

 

Температурную депрессию Δ' определим по уравнению:

 

Δ'1 = 0,38·e0,05+0,045·х = 0,38·2,710,05+0,045·16,3 = 0,83 °C

Δ'2 = 0,38·e0,05+0,045·х = 0,38·2,710,05+0,045·32,3 = 1,7 °C

 

где х – средняя концентрация раствора в корпусе.

 

Сумма температурных депрессий:

 

  ΣΔ' = Δ'1 + Δ'2 = 0,83 + 1,7 = 2,53 °C

 

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °C):

 

tк1 = tг2 + Δ'1 + Δ''1 = 87 + 0,83 + 4 = 91,83 °C

tк2 = tгбк + Δ'2 + Δ''2 = 56 + 1,7 + 11 = 68,7 °C

 

Δt1 = 103 – 91,83 = 11,17 °C               

Δt2 = 87 – 68,7 = 18,3 °C

 -10-

 

3. Определение тепловых нагрузок.

 

Расход греющего пара в 1-корпус D, производительность каждого корпуса по выпаренной воде W, тепловые нагрузки по корпусам Q и удельный расход греющего пара d определяются по следующим уравнениям:

 

Q1 = w1·r1 = 0,54· 2300,2= 1242,12 кВт

Q2 = w2·r2 = 0,60· 2292.7= 1375,62 кВт

W = w1 + w2 = 0,54 + 0,60 = 1,14 кг/с

D1 = Q1 / (Ir1 – i1) = 1242,12 / (2681,0-431,73) = 0,552кг/с

d = D / W = 0,55/(0,54+0,60)=0,48 кг/кг

 

Результаты расчета сведены в таблицу(табл.4):

 

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	0,54	0,6
Концентрация растворов, х, %	19,6	45
Давление греющих паров, Pг, Па	1,1·105	0,63·105
Температура греющих паров, tг, °C	91	67
Температурные потери, ΣΔ, град	4,83	12,7
Температура кипения раствора, tк, °C	91,83	68,7
Полезная разность температур, Δtп, град	11,17	18,3

 

4. Расчет коэффициентов теплопередачи.

 

Коэффициенты теплопередачи в корпусах выпарной установки можно рассчитать по следующей эмпирической зависимости

 

K1,2 = 2500/e0,023+0,024·хср

K1 = 2500/2,710,023+(0,024·16,3) = 1654,3 Вт/(м²·К)

К2 = 2500/2,710,023+(0,024·32,3) = 1128,1 Вт/(м²·К)

 

где x – средняя концентрация раствора в корпусах, %.

F = Q/(K·Δtп)

F1=1242,12*103/(1654,3*11,17)=66,6 м2

F2=1375,62*103/(1128,1*18,3)=67,2 м2

 

-11-

6.Расчет барометрического конденсатора.(3)

 

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая попадается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 °C). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

  Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

 

1. Расход охлаждающей  воды.

 

 Расход  охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:

Gв = (w2 (Iбк – свtк)) / (св *(tк – tн))=0,60(2681*103-4180*53)/(4180(53-5)=7,4 кг/c

где Iбк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tн – начальная температура охлаждающей воды, °C; tк – конечная температура смеси воды и конденсата, °C, св – удельная теплоёмкость воды, Дж/(кг °C).

 Разность температур между  паром и жидкостью на выходе  из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру  воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров.

 

2.Диаметр конденсатора.

 

Диаметр барометрического конденсатора dбк определяют из уравнения расхода:

 

dбк = √(4W3/ρπυ)=√(4*0.60)/0,1611*3,14*15=0,562 м

где ρ-плотность паров,кг/м 3

υ- скорость паров,м/c

выбираем барометрический конденсадор dбк=600мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-12-

 

 

3. Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями,внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 300мм.Скорость воды в барометрической трубе:

 

v=4(Gв+w3)/ ρπd2бт=4(7,4+0,60)/(1000*3,14*0,32)=0,11 м/c

 

Высота барометрической трубы:

 

Hбт=(В/ρвg)+(1+∑ζ+λ*Hбт/dбт)*υ2в/2g+0,5

 

B=Pатм-Pбк=105-15,76=0,8424*105 Па

∑ζ= ζвх+ ζвых=0,5+1,0=1,5

 

Коэффициент трения  λ зависит от режима течения жидкости,определяем режим течения воды в барометрической трубе:

Re=(υ2dбтρв)/μв =0,11*0,3*1000/10-3=33*103

 

 

Для гладких труб:

λ=0,316/Re0,25=0,316/330000,25=0.02

 

Hбт=(0,8424*105/1000*10+0,112/2*10+1,5*0,112/2*10+0,5)/(1-0,02*0,112/0,32*10)=8,66м

 

 

 

7.Расчет производительности  вакуум-насоса (3)

 

Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа(воздуха),который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

 

Gвозд=2,5*10-5(W2+Gв)+0,01w2= 2,5*10-5(0,60+7,4)+0,01*0,60=6,0*10-3 кг/с

где 2,5*10-5-количество газа,выделябщегося из 1кг воды;0,01-количество газа,подсасываемого в конденсатор через неплотности,на 1кг паров.

 

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

 

 

 

Vвозд=[R(273+tвозд)Gвозд]/(MвоздPвозд)=[8310(273+14,1)*6,0*10-3]/(29*14,41*103)=0,034 м3/с=2,04 м3/мин

 

R=8,31 Дж/моль*К

Mвозд=29 кг/моль

tвозд=tн+4+0,1(tк-tн)=5+4+0,1(56-5)=14,1°C

Pвозд=Pбк-Pп=16,0-1,59=14,41 кПа

 

 

-13-

 

 

Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление Pбк,по каталогу подбираем вакуум-насос типа ВВН-3 (табл.5)

 

Остаточное давление	75	мм.рт.ст
Производительность	3	М3 /мин
Мощность по валу	6,5	кВт

 

 

8.Расчет предварительного  теплообменника (3)

 

Расчет теплообменника сводится к определению поверхности теплопередачи в результате совместного решения следующих уравнений:

 

Q=KF∆t; Q=GнCн(tк-tн)x1

F=GнCн(tк-tн)x1/K∆t

K=1000Вт/м2*К

Средняя разность температур определяется как среднелогарифмическая разность температур :

 

∆t=∆tб-∆tм/2,3lg(∆tб-∆tм)=88-11,17/2,3lg(88/11,17)=37,2 °C

∆tб=tг1-tн=103-15=88°C

∆tм=tгр-tкип=103-91,83=11,17°C

Q=1,6*3900(91,83-15*1,05)=474739.2 Дж

 

 

F=474739.2/(1000*37,2)=12,76 м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-14-

 

9.Средства автоматизированного  контроля(3)

 

 Для осуществления автоматизированного контроля за техническим процессом производства молока необходимо контролировать следующие основные техничсекие параметры:

 

1.Температура

2.Давление

3.Концентрация

4.Уровень

5.Расход

 

 

 

Обозначение	Прибор
	Прибор для измерения температуры показывающий,установленный на щите (милливольтметр,логометр,потенциаметр,мост автоматический)
	Прибор для измерения  давления показывающий,установленный по месту(дифманометр показывающий)
	Прибор для измерения  расхода регисрирующий,установленный на щите (любой вторичный прибор для регистрации соотношения потоков)
O2	Прибор для измерения концентрации продукта показывающий,установленный по месту (газоанализатор)
H          L	Прибор для измерения уровня показывающий,с контактным устройством установленный на щите (например:вторичный прибор с сигнальным устройством)

                                

табл.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-15-

 

 

10.Заключение.

 

Разработана двухкорпусная вакуум-выпарная установка для концентрации молока

от   13 % до   45% , производительностью W=1,14 кг/с.Произведен расчет поверхности теплопередачи выпарного аппарата (66,6 м2) с естественной циркуляцией с соосно греющей камерой и центральной циркуляционной трубой.

Произведен расчет вспомогательного оборудования:предсварительного теплообменника,бараметрического конденсаотора смешения,вакуумного насоса.

Осуществлен выбор точек контроля за работой установки и приведены приборы для осуществления контроля (табл.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-16-

 

10.Список использованной  литературы.

 

1.Г.С.Борисов,В.П.Брыков,Ю.И.Дытнерский  и др.Основные процессы и аппараты  химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред.Ю.И.Дытнерского,2-е изд.,перераб.и дополн.М.:Химия,1991.-496.с

2.Стабников В.Н.,Лысятинский В.М.,Попов  В.Д.Процессы и аппараты пищевых  производств.-М.:Агропромиздат,1985.-503 c.

3.Фёдоров К.М.Гуляева Ю.Н. Процессы и аппараты пищевых производств:Курсовое проектирование.Часть 2.Выпарные установки:Учебно -методическое пособие.-СПб.:НИУ ИТМО;ИХиБТ,2014 г.-40с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-17-