МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ПОСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ :

«ТРЕХКОРПУСНАЯ ВАКУУМ-ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ МОЛОКА ЦЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ 2,0 КГ/С»

Выполнила студентка 2306 группы:

Мауль Диана

Проверил:

Федоров Константин Михайлович

Санкт – Петербург

2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ………………………………………………....3

ВВЕДЕНИЕ…………………………………..……………………………………..……4

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ………………………………9

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТОВ…………………….……….12

3. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ……………………...30

4. ВЫБОР ТОЧЕК КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ УСТАНОВКИ…………………………………………………………………....33

5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСТАНОВКИ………………..….….36

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ…………………………………………….…………37

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..……38

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………...…...41

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Спроектировать трехкорпусную вакуум-выпарную установку для концентрирования с производительностью установки по исходному продукту G_Н = 2,0 кг/с цельного молока от начальной концентрации сухих веществ в продукте x_Н = 10,5% до конечной концентрации сухих веществ в продукте x_К = 44% при следующих условиях :

• обогрев производится насыщенным водяным паром давлением P_ГП = 1,1 кг/см² (0,11 МПа = 110 кПа = 110 000 Па);

• абсолютное давление в барометрическом конденсаторе P_БК = 15,75 кПа (15750 Па = 0,01575 Мпа);

• тип выпарного аппарата – 1, исполнение – 2 (с вынесенной греющей камерой);

• взаимное направление пара и раствора – прямоток;

• циркуляция естественная;

• раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения;

• количество корпусов- 3

ВВЕДЕНИЕ

Процесс концентрирования растворов, заключающийся в удалении растворителя путем испарения при кипении, называется выпариванием.

Выпаривание широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.

В промышленности в большинстве случаев выпариваются водные растворы различных веществ, поэтому в дальнейшем рассматривается только выпаривание водных растворов. Однако описываемые ниже выпарные аппараты и методы их расчета применимы для выпаривания растворов с любыми растворителями, а также для испарения чистых жидкостей.

В пищевой промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются как по физическим параметрам, так и по другим характеристикам.

Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-испарение, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.Разнообразие требований вызывает определенные сложности при выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. Для обогрева выпарных аппаратов применяют нагревающие агенты. Наибольшим распространением пользуется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев.

Нагревание выпариваемого раствора производится путем передачи тепла от нагревающего агента через стенку, разделяющую оба вещества, либо путем непосредственного соприкосновения веществ. Выпаривание путем непосредственного соприкосновения нагревающего агента с раствором применяют только при обогреве топочными газами.

Выпаривание ведут как под атмосферным, так и под пониженным или повышенном давлении.

При выпаривании раствора под атмосферным давлением образующийся так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым.

При выпаривании под пониженным давлением (при разрежении) в аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного пара в специальном конденсаторе и отсасывании из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса.

Вакуум-выпарная установка позволяет снизить температуру кипения раствора и применяется для выпаривания чувствительных к высокой температуре растворов (например, растворов органических веществ), а также высококипящих растворов, когда температура нагревающего агента не дает возможности вести процесс под атмосферным давлением. Использование вакуума позволяет также увеличить разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором, а, следовательно, уменьшить поверхность теплообмена. Недостатком выпаривания в вакууме является удорожание установки (дополнительные затраты на конденсационное устройство) и ее эксплуатации (расход воды на конденсатор, затрата энергии на вакуум-насос, расходы по обслуживанию, амортизация конденсационного устройства).

При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления и т. п., а также для различных технологических нужд. Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения раствора, поэтому применение данного способа ограничено свойствами раствора и температурой нагревающего агента.

Установки, состоящие из одиночного аппарата, вторичный пар из которого используется (при выпаривании под атмосферным давлением или при разрежении) или используется вне аппарата, называются однокорпусными выпарными установками.

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединенных друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Образующийся в первом корпусе вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже, и т. д. вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор (если этот корпус работает при разрежении) или используется вне установки (если последний корпус работает при повышенном давлении). Таким образом, в многокорпусных установках осуществляется многократное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), что позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.

Многократное использование тепла возможно также в однокорпусных выпарных установках, если сжать вторичный пар при помощи компрессора или пароструйного инжектора до давления, позволяющего применять пар для обогрева того же аппарата, в котором этот пар образовался.

Выпарные установки со сжатием вторичного пара называются аппаратами с тепловым насосом (или с термокомпрессией).

В многокорпусной установке вторичный пар каждого корпуса ( кроме последнего) используется ля обогрева следующего корпуса. Давление от корпуса к корпусу уменьшается так, чтобы температура кипения раствора в каждом корпусе была ниже температуры насыщенного пара, обогревающего этот корпус.

Применение многокорпусных выпарных установок дает значительную экономию пара. Если приближенно считать, что с помощью 1 кг греющего пара в однокорпусном аппарате выпаривается 1 кг воды, то в многокорпусной выпарной установке на 1 кг греющего пара, поступившего в первый корпус, приходится количество килограммов выпаренной воды, равное числу корпусов, т.е. расход греющего пара на выпаривание 1 кг воды обратно пропорционален числу корпусов.

Так, в двухкорпусной выпарной установке одним килограммом греющего пара, поступившим в первый корпус, выпаривается в нем 1 кг воды, а образовавшимся при этом 1 кг вторичного пара выпаривается во втором корпусе еще 1 кг воды; таким образом, всего на 1 кг греющего пара выпаривается 2 кг воды, а расход пара на 1 кг выпариваемой воды составляет 0,5 кг. Аналогично можно найти, что расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды в трехкорпусной выпарной установке составляет 0,33 кг, в четырехкорпусной – 0,25 кг и т. д.

Действительный расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды несколько выше.

Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно не целиком направить на обогрев следующего корпуса, а частично отводить на сторону и использовать для предварительного подогрева раствора, поступающего на выпаривание, или для других технологических целей, не связанных с выпариванием. Отводимый на сторону вторичный пар называется экстра-паром. Экстра-пар может быть отобран из любого корпуса, кроме последнего. Из последнего корпуса не производят отбора экстра-пара, так как вторичный пар оттуда направляется в конденсатор; если же выпаривание ведется под давлением, вторичный пар можно полностью использовать вне выпарной установки.

Преимущество отбора заключается в том ,что возрастание расхода греющего пара при отборе экстра-пара меньше, чем количество отбираемого экстра-пара; целесообразнее отбирать экстра-пар не из первых, а из последующих корпусов.

В многокорпусных выпарных установках экономия пара достигается за счет увеличения поверхности теплообмена. Поверхность многокорпусной установки больше поверхности однокорпусной в число раз, равное числу корпусов. Если учесть температурные потери то увеличение поверхности теплообмена многокорпусной установки будет еще больше.

Температуры кипения по корпусам устанавливаются сами собой в зависимости от поверхности отдельных корпусов и коэффициентов теплопередачи в них. Если, например, в одном из корпусов коэффициент теплопередачи понизится, то поступающий на обогрев этого корпуса вторичный пар из предыдущего корпуса не будет полностью конденсировать и давление (а, следовательно, и температура) в предыдущем корпусе повысится, пока не установится новое распределение температур.

Таким образом, температуры в отдельных корпусах при работе установки не регулируются. Единственной возможностью регулирования этих температур является изменение отбора экстра-пара. При увеличении отбора экстра-пара из какого-либо корпуса количество пара, поступающего на обогрев следующего корпуса, уменьшится, и температура в нем понизится.

В зависимости от способа подачи раствора различают следующие основные схемы многокорпусных выпарных установок:

-с прямоточным питанием (слабый раствор подается в первый корпус, из него поступает во второй, из второго в третий и т. д.; раствор и вторичный пар движутся в одном направлении);

-с противоточным питанием (слабый раствор подается в последний корпус, из него в предпоследний и т. д.; раствор и вторичный пар движутся из корпуса в корпус в противоположных направлениях);

-с параллельным питанием ( слабый раствор подается одновременно во все корпуса, а упаренный раствор обирается из всех корпусов).

Схема с прямоточным питанием имеет наибольшее распространение. Слабый раствор подается в первый корпус, из него поступает во второй .из второго в третий и т. д. Таким образом, раствор и вторичный пар движутся в одном направлении. Раствор переходит из одного корпуса в другой вследствие разности давлений в корпусах. Так как температура кипения в каждом последующем корпусе понижается, то раствор поступает во все корпуса (кроме первого) с температурой более высокой, чем температура кипения. В результате раствор охлаждается и за счет отдаваемого при этом тепла испаряется некоторое количество воды (самоиспарение). Однако при питании первого корпуса холодным раствором значительное количество греющего пара в этом корпусе затрачивается на подогрев раствора. Поэтому при прямоточном питании целесообразно подавать в первый корпус предварительно подогретый раствор (путем установки подогревателей, обогреваемых экстра- паром или конденсатом).

Недостаток схемы с прямоточным питанием заключается в том, что в последнем корпусе, где температура кипения самая низкая, выпаривается наиболее концентрированный раствор. Одновременное понижение температуры и повышение концентрации раствора приводит к повышению вязкости и снижению коэффициентов теплопередачи; поэтому в данной схеме коэффициенты теплопередачи уменьшаются от первого корпуса к последнему.

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

- кипятильник - греющая камера, в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

- сепаратор – пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в паровом пространстве составляет основное конструкционное отличие выпарных аппаратов от теплообменников.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой опускной трубы и обогреваемых подъемных (кипятильных) труб.

Если жидкость в подъемных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения части жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в опускной трубе больше, чем в подъемных трубах, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути : подъемные трубы – паровое пространство – опускная труба – подъемные трубы и т. д. при циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

Для естественной циркуляции требуются 2 условия:

-достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси необходимую скорость;

-достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела малую плотность.

При небольшом уровне жидкости в опускной трубе парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб; при этом не происходит циркуляции, работа аппарата сопровождается резким снижением производительности и быстрым покрыванием труб накипью. С повышением уровня жидкости возрастает скорость циркуляции и увеличивается коэффициент теплопередачи. При дальнейшем повышении уровня коэффициент теплопередачи несколько снижается, так как вследствие возрастания давления внизу кипятильных труб жидкость начинает кипеть немного выше нижней части.

Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом, вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и тем больше скорость циркуляции. Для достижения достаточной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть в среднем не ниже 7-10 ⁰C.

Оптимальный уровень жидкости повышается с понижением разности температур и увеличением вязкости раствора и находится опытным путем.

Если при выпаривании из раствора не выпадают кристаллы, оптимальный уровень обычно составляет от ¼ до ¾ высоты кипятильных труб. Если при выпаривании из растворов выпадают кристаллы (так называемые кристаллизующиеся растворы), уровень жидкости поддерживают выше кипятильных труб для того, чтобы жидкость в них перегревалась и закипала лишь при выходе из труб в паровое пространство; при отсутствии кипения в кипятильных трубах отпадает главная причина выделения накипи.

1. Технологическая схема установки

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта.

Вместе с тем, выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа*с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией.

Выпариваемый продукт – молоко цельное – характеризуется вязкостью 1,8 мПа*с, поэтому в работе производится расчет выпарного аппарата с естественной циркуляцией.

Процесс выпаривания осуществляется либо в аппарате однократного, либо многократного действия. В последнем случае, расход топлива на выпаривание значительно снижается. В промышленных условиях наиболее распространены аппараты многократного действия.

Расход греющего пара на выпаривание растворов в однокорпусных аппаратах весьма велик и в ряде производств составляет значительную долю себестоимости конечного продукта. Для уменьшения расхода греющего пара широко используют многокорпусные выпарные аппараты.

Принцип действия многокорпусных аппаратов заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус, путем последовательного соединения нескольких однокорпусных аппаратов, позволяющем использовать вторичный пар каждого предыдущего корпуса для обогрева последующего. Для практического осуществления такого многократного использования одного и того же количества тепла требуется, чтобы температура вторичных паров каждого последующего корпуса была выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Это требование легко выполняется путем понижения рабочего давления в корпусах по направлению от первого к последнему. С этой целью устанавливается сравнительно высокая температура кипения в первом корпусе и температура 50 - 60 C в последнем корпусе выпарной установки под разряжением, который соединяется с конденсатором, снабженным вакуум - насосом.

Принципиальная схема выпарной установки состоит из: насосов, теплообменника, система выпарных аппаратов, барометрического конденсатора, вакуум-насоса, гидрозатвора, емкости для исходного и упаренного раствора, трубопроводы, участвующие в процессе выпаривания, конденсатоотводчика.

Согласно заданию, проектируемая установка состоит из трех корпусов и представляет собой установку непрерывного действия, с естественной циркуляцией и кипением раствора в трубах, работающую под давлением.

Схему проектируемой установки рационально принять прямоточной, что предполагает не принудительное (без затраты внешней работы) движение раствора через всю систему и минимальные потери тепла с уходящим выпаренным раствором.

Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем - в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки приведена на рис.1.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ.

Технологический расчет выпарных аппаратов включает определение основных размеров аппаратов (диаметра, высоты, поверхности теплопередачи и т. д.).

Для проведения технологического расчета необходимо предварительно найти по справочникам физико-химические свойства перерабатываемых веществ (плотность, вязкость и т. п.), составить материальные и тепловые балансы.

При этом, особое внимание уделяется гидродинамическому режиму работы того или иного аппарата, выбор которого обосновывается с учетом технико – экономических показателей его работы.

Также определяются расходы, составы и температуры получаемых продуктов, тепловые производительности, расходы теплоносителей.

По кинетическим уравнениям тепло- и массопередачи рассчитываются размеры аппаратов и подбираются стандартные.

2.1.Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов.

Поверхность теплопередачи для каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F=Q/(K∆tn) .

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур ∆tn необходимо знать распределение упариваемой, концентрации растворов температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

П е р в о е п р и б л и ж е н и е

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W=G_Н (1-X_H/X_K).

Подставив, получим:

W=2,0*(1 - (10,5/44))=1,52кг/с

2.1.2. Концентрации упариваемого раствора.

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимаем, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

w₁:w₂:w₃ = 1,0:1,1:1,2

Тогда: w₁ = 1,0*w/(1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,0*1,52/3,3 = 0,46 кг/с

w₂ = 1,1*w/3,3 = 0,51 кг/с

w₃ = 1,2*w/3,3 = 0,55 кг/с

Рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

x₁ = G_Н*x_Н /(G_Н -w₁) = 2,0*0,105/(2,0 - 0,46) = 13,6%

x₂ = G_Н*x_Н/(G_Н -w₁-w₂) = 2,2*0,105/(2,0 - 0,46 - 0,51) = 20,4%

x₃ = G_Н*x_Н/(G_Н- w₁-w₂-w₃) = 2,2*0,105/(2,0 - 0,46 - 0,51 - 0,55) = 44%

2.1.3. Температуры кипения растворов.

Общий перепад давлений в установке равен:

Р_Г1= Р _ГП =1,1*10⁵ Па

∆Р_ОБЩ = Р_Г1 – Р_БК = 1,1*10⁵ – 0,158*10⁵ = 0,942*10⁵ Па

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:

Р_Г2 = Р_ВП1 = Р_Г1 - ∆Р_ОБЩ /3 = 1,1*10⁵ – 0,314*10⁵ = 0,786*10⁵ Па

Р_Г3 = Р_ВП2 = Р_Г1 - ∆Р_ОБЩ /3 = 0,786*10⁵ - 0,314*10⁵ = 0,472*10⁵ Па

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

Р_БК = Р_Г3- ∆Р_ОБЩ /3= 0,472*10⁵ – 0,314*10⁵ = 0,158*10⁵ Па

По давлениям паров Р_Г находим их температуры t_г и энтальпии I (Приложение 1 «Свойства насыщенного пара» [1, с.27-30]).

Таблица 1

Давление, температура и энтальпия греющих паров

РГ , Па	tг ,0C	I, кДж/кг	r,кДж/кг
РГ1 =1,1*105	tг1 = 103	I1 = 2681,0	r1 = 2249,3
РГ2 =0,786*105	tг2 = 93	I2 = 2664,4	r2 = 2274,7
РГ3 = 0,472*10	t г3 = 80	I3 = 2642,6	r3 = 2307,7
РБК = 0,158*105	tБК = 55	IБК = 2599,9	rБК = 2369,7

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимаем равной конечной в данном корпусе, и, следовательно, температуру кипения раствора определяем по конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимаем соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости.

Таким образом, температура кипения молока цельного в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь ∑∆ от температурной, гидростатической и гидродинамической депрессий.

∑∆= ∆^' + ∆^'' +∆^'''

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидродинамических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают ∆^''' = 1,0 – 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса ∆^''' = 1,0 град .

Тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

t_ВП1 = t_г2 + ∆₁^''' = 93 + 1,0 = 94⁰C

t_ВП2 = t_г3 + ∆₂^'''= 80 + 1,0 = 81⁰C

t_ВП3 = t_БК + ∆₃^''' = 55 + 1,0 = 56⁰C

Сумма гидродинамических депрессий:

∑∆^'''=∆₁^''' + ∆₂^''' +∆₃^''' =1,0 + 1,0 + 1,0 = 3⁰C

По температурам вторичных паров t_ВП находим их давления Р_ВП и теплоты парообразования r (Приложение 1 «Свойства насыщенного пара» [1, с. 27-30]).

Таблица 2

Температура, давление и теплота парообразования вторичного пара

tВП,0C	РВП, Па	r, кДж/кг
tВП1 = 94	РВП1 = 82,50	r1 = 2272,2
tВП2 = 81	РВП2 = 49,40	r2 = 2305,2
tВП3 = 56	РВП3 = 16,38	r3 = 2367,6

Гидродинамическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_СР каждого корпуса определяется по уравнению :

Р_СР = Р_ВП + ρ*g*H*(1 -ε )/2,

где Н – высота кипятильных труб в аппарате;

ρ – плотность кипящего раствора, кг/м³;

ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет ε = 0,4–0,6. Примем ε = 0,5.

Определяем высоту кипятильных труб Н (по ГОСТ 11987-81 Приложение 2 «Основные размеры выпарных аппаратов» [1, с.32]). Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м при диаметре труб 38х2 мм.

Плотность пищевых жидкостей, в том числе цельного молока, при температуре 20⁰С и соответствующих концентрациях в корпусах рассчитываем по эмпирической зависимости:

ρ_i = 10*[1,42*x_СРi + (100 – x_СРi)],

где x_СРi - средняя концентрация по корпусам.

Рассчитаем среднюю концентрацию по корпусам:

x_СР1=(x_Н + x₁)/2 = (10,5 + 13,6)/2 = 12,05%

x_СР2=(x₁ + x₂)/2 = (13,6 + 20,4)/2 = 17,00%

x_СР3=(x₂ + x₃)/2 = (20,4 + 44,0)/2 = 32,20%

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

Тогда плотность раствора по корпусам:

ρ₁ = 10*[1,42*12,05 + (100 – 12,05)] = 1050,61 кг/м³

ρ₂ = 10*[1,42*17,00 + (100 – 17,00)] = 1071,40 кг/м³

ρ₃ = 10*[1,42*32,20 + (100 - 32,20)] = 1135,24 кг/м³

Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:

Р_СР1 =Р_ВП1+ ρ₁gН(1-ε )/2= 82,50*10³ + 1050,61*9,8*4(1 – 0,5)/2*10³=103,10*10³ Па

Р_СР2 = Р_ВП2+ ρ₂gH(1-ε )/2= 49,40*10³ + 1071,40*9,8*4(1 – 0,5)/2*10³=70,40*10³ Па

P_СР3= Р_ВП3+ ρ₃gH(1-ε )/2= 16,38*10³ + 1135,24*9,8*4(1 – 0,5)/2*10³=38,60*10³ Па

По давлениям паров находим их температуры кипения t_СР и теплоты испарения растворителя r_ВП :

Таблица 3

Давления, температуры кипения и теплоты испарения растворителя

Р СР, Па	tСР, 0C	rВП, кДж/кг
Р СР1 = 103,10*103	tСР1 = 101	rВП1 = 2254,6
Р СР2 = 70,40*103	tСР2=90	rВП2 = 2282,2
Р СР3 = 38,60*103	tСР3 =74	rВП3= 2322,8

Определяем гидростатические депрессии по корпусам:

∆₁^'' = t _СР1 – t_ВП1 = 101 – 94 = 7⁰С

∆₂^'' = t _СР2 – t_ВП2 = 90 – 81= 9⁰С

∆₃^'' = t _СР3 – t_ВП3 = 74 – 57 = 17⁰С

Сумма гидростатических депрессий:

∑∆^''=∆₁^'' + ∆₂^'' + ∆₃^''= 7 + 9 + 17 = 33⁰С

Температурную депрессию определим по формуле:

∆^' = 0,38*ехр^(0,05 + 0,045*х_ср)

∆^' ₁ = 0,38*ехр^(0,05 + 0,045*12,05) = 0,69⁰С

∆^' ₂ = 0,38*ехр^(0,05 + 0,045*17,00) = 0,86⁰С

∆^' ₃ = 0,38*ехр^(0,05 + 0,045*32,20) = 1,55⁰С

Сумма температурных депрессий:

∑∆^' = ∆^' ₁ + ∆^' ₂ + ∆^' ₃ = 0,69 + 0,86 + 1,55 = 3,1⁰С

Температурные потери:

∑∆₁ = ∆^' ₁ + ∆^'' ₁ + ∆^'''₁ = 0,69 + 7 + 1 = 8,69⁰С

∑∆₂ = ∆^' ₂ + ∆^''₂ + ∆^'''₂ =0,86 + 9 + 1 = 10,86⁰С

∑∆₃ = ∆^'₃ + ∆^''₃ + ∆^'''₃ = 1,55 + 17 + 1 = 19,55⁰С

Температуры кипения растворов в корпусах:

t_К1 = t_г2 + ∑∆₁ = 93 + 8,69 = 101,69⁰С

t_К2 = t_г3 + ∑∆₂ = 80 + 10,86 = 90,86⁰С

t_К3 = t_БК + ∑∆₃ = 56 + 19,55 = 75,55⁰С

2.1.4 Определение полезной разности температур

Полезные разности температур по корпусам равны:

∆t_П1 = t_г1 – t_К1 = 103 – 101,69 = 1,31⁰C

∆t_П2 = t_г2 – t_К2 = 93 – 90,86 = 2,14⁰С

∆t_П3 = t_г3 – t_К3 = 80– 75,55 = 4,45⁰С

Тогда общая полезная разность температур:

∑∆t_П = ∆t_П1 + ∆t_П2 + ∆t_П3= 1,31+2,14+4,45= 7,9⁰C

Проверим общую полезную разность температур:

∑∆t_П = t_г1 – t_БК – (∑∆^' + ∑∆^'' + ∑∆^''')= 103–56 –(3,1+33+3)= 7,9⁰С

2.1.5. Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде w, тепловые нагрузки по корпусам Q и удельный расход греющего пара D определяем по следующим уравнениям

Q₁ = D*(I_г1 – i₁) = 1,03*[G_Н*c_Н*(t_К1– t_Н) + w₁*(I_ВП1 – c_В*t_К1)]

Q₂ = w₁*( I_г2 – i₂) = 1,03*[(G_Н –w₁)*c₁*(t_К2– t_К1) + w₂*(I_ВП2 – c_В*t_К2)]

Q₃ = w₂*(I_г3 – i₃) = 1,03*[(G_Н –w₁–w₂)*c₂*(t_К3– t_К2) + w₃*(I_ВП3 – c_В*t_К3)]

W= w₁+w₂ +w_{3 ,}

где 1,03 –коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

c_Н, c_1, c₂ –теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и втором корпусах, кДж/(кг·К);

с_М – удельная теплоемкость молока в растворе, с_М = 3,9 кДж/(кг·К);

в - % содержание вещества в растворе;

с_В – удельная теплоемкость воды, с_В = 4,19 кДж/(кг·К);

с_Н =(с_Мх_Н + с_В(100 – в))/100 = (3,9*10,5 + 4,19(100 – 10,5))/100 = 4,16 кДж/(кг·К)

с₁ =(с_Мх_СР1 + с_В(100 – в))/100 = (3,9*12,05 + 4,19(100 – 12,05))/100 = 4,15 кДж/(кг·К)

с₂ =(с_Мх_СР2 + с_В(100 – в))/100 = (3,9*17,0 + 4,19(100 – 17,0))/100 = 4,14 кДж/(кг·К)

t_Н– температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе;

∆^' _Н = 1⁰С;

t_Н = t_ВП1 + ∆^' _Н = 94 +1 = 95⁰С;

∆^' _Н - температурная депрессия для исходного раствора.

При решении данных уравнений можно принять I_ВП1 = I_2; I_ВП2 = I₃; I_ВП3 = I_БК.

Получим систему уравнений, для решения которой подставим известные значения параметров:

D*(2681,0 - 431,73)=1,03[(2*4,16*(97,63 - 95)+ w₁*(2664,4 - 4,19*97,63)]

w₁*(2664,4 - 389,57)=1,03[(2 - w₁)*4,15*(86,76 - 97,63 )+ w₂*(2642,6 - 4,19*86,76)]

w₂ *(2642,6 - 334,92)=1,03[(2 - w₁ - w₂ )*4,14*(75,35 - 86,76)+ w₃*(2602,0- 4,19* 75,35)]

w₁+ w₂ + w₃ = 1,52

Решение этой системы дает следующие результаты:

D = 0,506 кг/с; w₁ = 0,480 кг/с; w₂ = 0,515кг/с; w₃ = 0,525 кг/с;

Q₁ = 1138 кВт; Q₂ =1092 кВт; Q₃ =1188 кВт.

2.1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи в корпусах определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

K = 2500 / ехр (0,023 + 0,024*х_СР),

где х_СР – средняя концентрация раствора в корпусах, %.

К₁ = 2500/ ехр (0,023 + 0,024*х_СР1) = 2500/ехр(0,023 + 0,024*12,05) = 1824,8 Вт/(м²·К)

К₂ = 2500/ ехр (0,023 + 0,024*х_СР2)=2500/ехр(0,023 + 0,024*17) = 1623,4 Вт/(м²·К)

К₃ = 2500/ ехр (0,023 + 0,024*х_СР3) = 2500/ехр(0,023 + 0,024*32,2) = 1157,4 Вт/(м²·К)

2.1.7. Распределение полезной разности температур.

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

Δt_Пj = [Σ Δt_{П j}*(Q_j/K_j)] / (ΣQ_j/K_j),

где Δt_Пj , Q_j, K_j- соответственно полезная разность температур ,тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Δt_П1 = [7,9*(1138/1824,8)]/((1138/1824,8) + (1092/1623,4) + (1188/1157,4)) = 2,1⁰С

Δt_П2 = [7,9*(1092/1623,4)]/((1138/1824,8) + (1092/1623,4) + (1188/1157,4)) = 2,3⁰С

Δt_П3 = [7,9*(1188/1157,4)]/((1138/1824,8) + (1092/1623,4) + (1188/1157,4)) = 3,5⁰С

Проверим общую полезную разность температур установки:

Σ Δt_П = Δt_П1 + Δt_П2 + Δt_П3 = 2,1 + 2,3 + 3,5 = 7,9⁰С

Поскольку рассчитаны величины тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезной разности температур по корпусам, следовательно, можно найти поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

F = Q/(K + Δt_П )

F₁ = Q₁/(K₁ + Δt_П1 ) = 1138*1000/(1824,8*2,1) = 296,9 м²

F₂ = Q₂/(K₂ + Δt_П2 ) = 1092*1000/(1623,4*2,3) = 292,5 м²

F₃ = Q₃/(K₃ + Δt_П3 ) = 1188*1000/(1157,4*3,5) = 293,3 м²

По ГОСТ 11987-81 выбираем аппарат с номинальной поверхностью теплообмена F = 315 м² и длиной труб Н = 4 м (Приложение 2 «Основные размеры выпарных аппаратов» [1, с.32]).

Таблица 4

Основные технические характеристики выпарного аппарата

F при диаметре трубы 38х2 мм и длине 4 м, м2	D, диаметр греющей камеры, мм, не менее	D1, диаметр сепаратора, мм, не более	D2, диаметр циркуляционной трубы, мм, не более	НА, высота аппарата, мм, не более	М, масса аппарата, кг, не более
315	1 600	3 600	1 000	15 000	21 000