Розрахунково-пояснювальназаписка
Докурсового проекту на тему
«Проектдвохкорпусної випарної установкидля концентрування яблучного соку»
Основне завдання випарювання
Основним завданням випарювання є часткове видалення з розчинурозчинника і утворення концентрованого розчину, який піддають дальшомузгущуванню, щоб мати напівпродукт або готовий продукт. Так, наприклад, привиробленні каустичної соди розчин КаОН упарюють на випарній станції доконцентрації 50–60%, а потім у плавильних котлах з вогневим нагріваннямостаточно упарюють його до сухого стану. У цукровому виробництві соки згущуютьу випарній установці до концентрації 65%, а потім уварюють густий сироп увакуум-апаратах до утворення 92–93% сухих речовин. Такий напівсухий або сухийпродукт більш транспортабельний, його краще зберігати, ніж рідкий розчин. Частопід час упарювання обмежуються утворенням лише концентрованого розчину.
Процес випарювання треба проводити так, щоб при заданійпродуктивності випарної установки мати згущений розчин потрібної концентрації івідповідної якості, без втрат сухої речовини під час випарювання, при якомогаменшій витраті палива.
Випарюють розчин в одному апараті або у випарній установці, щоскладається з кількох послідовно сполучених між собою апаратів безперервноїдії, так званих корпусів. Застосування такої випарної установки багаторазовоїдії дає змогу значно знизити витрати палива на випарювання.
Як було вже сказано, процес упарювання часто проводять у дваетапи. Це зумовлено потребою очистити і профільтрувати згущений розчин доостаточного упарювання, або потребою вести остаточне упарювання на «голому»вогні чи за допомогою високотемпературного теплоносія, оскільки для цього потрібнависока температура. Часткове випарювання (перший етап) найчастіше можназдійснити за допомогою водяної пари низького тиску у випарній установцібагаторазової дії.
Вимоги до продуктів, що надходять довипарної установки і виходять з неї
Розчини, які надходять у випарну установку, не повинні матимеханічних домішок. Для цього їх попередньо очищають, щоб на теплообмінній поверхнівипарних апаратів не було відкладень. Іноді застосовують проміжну фільтраціюміж тими або іншими корпусами для видалення утворюваного осаду.
Температура розчину, який надходить у випарну установку, повиннадорівнювати температурі кипіння або бути близькою до неї в першому по порядкукорпусі для того, щоб випарний апарат працював тільки як випарник, а нечастково і як підігрівач, бо в цьому разі коефіцієнт теплопередачі апарата дещознижується.
У випадку, коли розчин має нижчу температуру, ніж температура йогокипіння в першому корпусі, доцільно встановити окремі підігрівачі дляпопереднього підігрівання розчину.
Чим вища концентрація початкового розчину і чим менша йогокількість, тим вищою буде продуктивність випарної установки і тим меншоювитрата тепла на упарювання розчину до потрібної концентрації.
Для зниження витрати палива на остаточне упарювання розчину (післявипарної станції), яке звичайно здійснюють в апараті одноразової дії, цейрозчин треба випарити у випарній установці багаторазової дії до найбільшможливої високої концентрації, наскільки це допускають особливостітехнологічної схеми і гідромеханічні умови транспортування згущеного розчину.
Фізичні основи процесу випарювання
Фізична суть процесу випарювання полягає в перетворенні частинирідини (розчинника) в пару при згущенні розчинів або в перетворенні всієїрідини в пару, якщо випарюють однокомпонентну рідину (наприклад, воду). Слід відрізнятивипарювання від випаровування. Випаровування відбувається з поверхні і прибудь-якій температурі, тоді як випарювання – з усієї маси рідини притемпературі, що відповідає точці кипіння при певному тиску.
З точки зору молекулярно-кінетичної теорії при випарюванні івипаровуванні відбувається видалення частини молекул речовини, що перебувають утепловому русі, з простору, який займає рідина. Молекули, які видаляються зрідини,
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 набуваєпевної величини при заданій температурі.
Коли температура кипіння змінюється, рівновага порушується, а цеспричинює відповідні зміни густини і тиску пари. Під час кипіння рідини паравиділяється не лише з поверхні, а й з парових бульбашок, що утворюються в самійрідині, і цей процес стає основним, бо утворені бульбашки є центрамипароутворення. Парова бульбашка в міру випаровування в неї рідини збільшуєтьсяв розмірі, зростає і її піднімальна сила: тому, переборюючи опір рідин, вонаспливає на поверхню, де й лопається, а замість неї утворюється нова бульбашка.Таке переміщення бульбашок з нижніх шарів рідини до її поверхні зумовлюєбезперервне перенесення утворюваної всередині рідини пари в паровий простір.
Парові бульбашки зароджуються на стінках шорсткої теплообмінноїповерхні; їх утворенню сприяють також гази, які є в рідині; при нагріванні газипочинають виділятися, утворюючи велику кількість бульбашок, в які йвипаровується рідина.
Умовою утворення парових бульбашок є рівність тиску пари всерединібульбашки і зовнішнього тиску рідини, яка її оточує; при цьому процеспароутворення відбувається настільки інтенсивно, що, незважаючи на надходженняззовні великої кількості тепла, температура рідини не підвищується.
Іноді спостерігається, що рідина в момент початку кипіння єперегрітою; це буває тоді, коли рідина не містить у собі розчинених газів. Уцьому випадку тиск пари всередині бульбашки повинен дорівнювати зовнішньомутиску і додатковому тиску, зумовленому діями капілярних сил на межі пара – рідина.
При наявності розчинених газів випаровування відбувається головнимчином у газові бульбашки, які виділяються з рідини при її нагріванні, тому діяповерхневого 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 задопомогою високотемпературного теплоносія.
Щоб здійснити процес випарювання, тепло від теплоносія требапередати до киплячої рідини, що можливо лише при наявності температурногоперепаду між ними. Ця різниця температур між теплоносієм і киплячою рідиноюназивається корисною різницею температур.
Витрата тепла на випарювання залежить відрахованої теплотипароутворення перетворюваної в пару речовини.
Як було вже зазначено, при випарюванні рідини під час кипіннятемпература її залишається сталою, бо з початком кипіння тепло витрачаєтьсятільки на зміну агрегатного стану рідини, тобто на перетворення рідини в пару.Відомо також з фізики, що температура кипіння рідини є функцією тиску і що зпідвищенням тиску температура кипіння підвищується і, навпаки, при вакуумі воназнижується. Останню обставину часто використовують при випарюванні розчинів,для яких у зв'язку з псуванням продукту високої температури кипіння допускатине можна.
Випарювання розчинів відрізняється від кипіння однокомпонентноїрідини (наприклад, води) тим, що вони киплять при вищій температурі, ніж
розчинник при тому самому тиску; на це слід зважати при розрахункуі проектуванні випарного апарата, особливо при виборі параметрів теплоносія іробочого режиму експлуатації.
Величина підвищення температури кипіння розчину порівняно зтемпературою кипіння чистого розчинника при тому самому тиску називаєтьсятемпературною депресією. Вона залежить від концентрації розчину, від тиску підчас кипіння і від природи розчиненої речовини. Причиною підвищення температурикипіння розчинів є відмінність у ході температурної кривої для чистих рідин ідля розчинів внаслідок неоднакової їх леткості. Температура кипінняоднокомпонентної рідини є функцією лише тиску, а для розчинів вона є функцієютиску і концентрації. Те саме стосується і температурної депресії.
Матеріали для виготовлення випарнихапаратів
Для виготовлення випарних апаратів застосовують головним чиномчорні метали і лише в деяких випадках – кольорові.
Найчастіше застосовується сталь різних марок, рідше чавун.
Застосовують чавун марок СЧ і СЧЩ, чавуни, леговані нікелем іміддю, а також високо хромисті чавуни.
У зв'язку з високою вартістю випарних апаратів, виготовлюваних звисоколегованих сталей і титану, НДІОхім разом з УкрНДІхіммашем розробціконструкцію апарата з гріючими трубками з графітопласту АТД 1 і з плитками зцього самого матеріалу для захисного покриття сепараторів і циркуляційних труб,виготовлюваних з вуглецевої сталі.
Графітопласт АТМ-1 – це прес-композиція на основі графітногопорошку і синтетичної смоли. Він стійкий проти кислих середовищ, має високийкоефіцієнт теплопровідності і легко піддається обробці. Теплостійкий до 130° С.
За підрахунками згаданих вище організацій вартість виготовленнягріючих камер з трубками з графітопласту в кілька разів менша, ніж виготовленнятакої самої поверхні нагрівання з титану. Арматура і комунікації випарнихапаратів
Прилади і пристрої, призначені для керування роботою окремоговипарного апарата або випарної установки в цілому, називаються арматурою.
До арматури належать різні вентилі, водомірні стекла, зоровістекла, маслянка, запобіжний клапан. При випарному апараті є такі вентилі:
а) вентиль для регулювання набирання і видалення розчину запарата;
б) водяні вентилі для подавання в разі потреби води в апарат і длявидалення конденсаційної води;
в) спускний вентиль для спорожнювання апарата після очищання йогоабо зупинки;
г) парові вентилі, що керують впусканням пари в апарат першогокорпуса і видаленням її на конденсатор;
д) вентиль для регулювання відведення з парової камери газів, щоне конденсуються.
Застосовувані вентилі мають звичайно стальний або бронзовийклапан. Вентилі встановлюють так, щоб пара або рідина надходили під клапан; цеполегшує відкривання вентиля. Клапан повинен щільно прилягати до сідла, длячого їх притирають один до одного. Слід уникати встановлення кутових вентилів, якістворюють збільшений опір.
Водовказівні стекла встановлюють для визначення рівня розчину вапараті, з одного боку, і конденсату в паровій камері, з другого. За допомогоюкранів ці стекла сполучаються або роз'єднуються з апаратом.
Зорові стекла призначені для спостереження процесу кипіння зфронту апарата; позаду апарата проти зорового скла встановлюють освітлювальнескло з електричною лампочкою для підсвічування. Зорове скло виготовляють зтовстостінного скла і вставляють у металеву оправу. Остання складається зфланця з різьбою, куди вставляють скло; на скло накладають ущільнювальне кільцез м'якого металу або з гуми, після чого на фланець нагвинчують кришку, різьбуякої в свою чергу ущільнюють прядивним шнурком, просоченим суриковою замазкою.У плівковому апараті зорове скло встановлюють на трубі, що відводить упаренийрозчин. На скло надівають запобіжну сітку. Маслянка призначена для подавання вразі потреби масла в апарат у випадках спінювання. Будова маслянки різна дляапаратів, що працюють підтиском, і для апаратів, що працюють під розрідженням.
Запобіжний клапан установлюють у паровому просторі апаратів, щопрацюють під тиском; призначення його – сигналізувати про те, що тиск перевищуєдопустимий, а також для того, щоб запобігти надмірному підвищенню тиску вапараті. Клапан буває звичайно важільної конструкції; довжина його і тягарецьна його кінці розраховані так, щоб клапан піднімався при підвищенні тиску понаднорму.
Лази призначені для огляду і проникнення в апарат при механічномуочищанні або замінюванні трубок. Лази встановлюють овальної або круглої форми іобладнують кришкою, притягуваною болтами. Між кришкою і лазом закладаютьущільнювальне кільце з гуми або з шнура, просоченого замазкою.
Випарну установку обладнують такими комунікаціями для подаваннярозчину, паровою, водяною, спускною і для відведення газів, що неконденсуються.
Розчин у перший по порядку корпус подається насосом по трубі звентилем, призначеним для регулювання кількості подаваного розчину. З першогокорпуса розчин переходить по трубі з вентилем у дальший корпус при прямоточній схемі– без насоса, а тільки за рахунок різниці тисків між корпусами. Так самообладнана комунікація для подавання розчину і в інших корпусах.
З останнього корпуса випарної установки під розрідженням розчинвідсмоктується насосом. Комунікацію слід установлювати без різких поворотів іколін, щоб запобігти втраті напору; швидкість руху розчину в трубах повиннабути близько 1 м/сек.
4. Конструктивний розрахунок вертикального випарного апарата
Розглянемо методику розрахунку найбільш поширеного вертикальноговипарного апарата.
Завданням конструктивного розрахунку є:
1) визначення числа трубок;
2) вибір розміщення трубок у трубних плитах;
3) визначення діаметра корпуса апарата;
4) визначення розмірів парового простору;
5) визначення діаметрів штуцерів і трубопроводів;
6) вибір сепаратора.
Вимоги до ізоляційних матеріалів
Призначення теплової ізоляції – зменшити втрати тепла в зовнішнєсередовище для економії палива, забезпечення належних температурних умовтехнологічного процесу і підтримання потрібних санітарно-гігієнічних умовпраці. За допомогою теплової ізоляції можна знизити втрати тепла в навколишнєсередовище на 75–85% порівняно з втратами неізольованої поверхні. Для ізоляціїможуть застосовуватись найрізноманітніші матеріали з коефіцієнтомтеплопровідності. Проте низька величина не визначає всіх властивостейізоляції, які треба враховувати при її виборі.
До ізоляції ставлять ще ряд вимог. Вона повинна:
1) мати малу об'ємну вагу, що характеризує таку позитивну якість,як пористість;
2) відзначатися малою гігроскопічністю,
3) зберігати свої якості під дією різних температур до граничноїдля вибраного виду ізоляції, тобто бути температуростійкою;
4) бути термостійкою, тобто витримувати температурні коливання безпорушення структури;
5) відзначатися механічною міцністю і протистояти хімічним діям;
6) бути пластичною, не давати тріщин і усадок при розширенніапарата або трубопроводу;
7) бути безпечною відносно пожежі, довговічною і дешевою.
Конструктивне виконання ізоляції
Ізоляцію застосовують у вигляді:
1) пластичної маси – мастики, виготовленої з порошкоподібнихматеріалів при замішуванні їх водою і нанесенні шарами на стінку апарата аботрубопроводу. Позитивна якість такої ізоляції – незалежність від форми.Недоліком її є те, що предмет, який ізолюємо, треба попередньо нагрівати;
2) формованих деталей певної форми, прикріплюваних за допомогоюцементуючої маси до ізольовуваного предмета. Перевагою такої ізоляції є:фабричне виготовлення, можливість монтажу на холодних предметах і можливістьповторного використання;
3) джгутів, рукавів, циновок з волокнистих речовин. Переваги: їїлегко видаляти, можна повторно використовувати, монтувати в холодному станіапарата; недоліки – висока вартість.
4) засипок і набивок. Переваги: можливість монтувати в холодномустані. Недоліки: важко ремонтувати, потрібний каркас.
За допустимою температурою ізоляцію можна класифікувати на: 1)низькотемпературну, що допускає температуру не вище 100 – 150° С; 2) середньотемпературну – в межах 150–450° С; 3) високотемпературну, що допускає температурупонад 450° С.
Якщо ізоляція має високу якість, але є низькотемпературною, тозастосовують двошарову ізоляцію: на голу металеву стінку накладаютьвисокотемпературну ізоляцію, а потім – шар низькотемпературної ізоляції з малимкоефіцієнтом теплопровідності.
У випарних установках здебільшого застосовують мастичну ізоляцію,яка замішується водою. На стінку апарата спочатку накладають сітку, щобізоляційна маса краще трималася, а потім шар мастики відповідної товщини,причому апарат повинен бути теплим. Після повільного просушування ізоляціюобшивають мішковиною і фарбують олійною фарбою.
Регулювання роботи випарної установки
Багатокорпусна випарна установка являє собою багаточленнийагрегат, робота окремих ланок якого взаємозв'язана і повинна бути узгоджена.Завданням регулювання є підтримання стабільного режиму випарювання за допомогоюзовнішньої дії на регулювальні органи апарата при неминучих невеликихколиваннях у роботі заводу або цеху.
Регулювання можна здійснювати або вручну, коли всі операції попідтриманню режиму роботи випарної установки виконуються ручним способом, абоавтоматично, незалежно від участі людини, за допомогою відповідної системиприладів.
При ручному регулюванні апаратник повинен стежити за оптимальнимрівнем розчину в апаратах і встановленим температурним режимом в окремихкорпусах, за концентрацією упареного розчину, підтримуючи задану продуктивністьвипарної станції. Для регулювання роботи в розпорядженні апаратника є таківентилі: вентиль пари, що нагріває перший корпус, вентиль, який сполучаєпаровий простір останнього корпуса з конденсатором, вентилі для розчину привсіх апаратах і вентиль, що регулює подавання води на конденсатор. Припорівняно великій кількості регулювальних органів апаратник повинен бути дужеуважним, уміти налагодити роботу багатокорпусної випарної установки на певнийрежим і підтримувати його при неминучих коливаннях у роботі заводу або цеху.
Так, наприклад, коли поверхня нагрівання апаратів ще не покритавідкладеннями і коефіцієнт теплопередачі нормальний, можна працювати з меншоюзагальною корисною різницею температур; цього досягають прикриваючи або паровийвентиль першого корпуса, або вентиль, який сполучає паровий простір останньогокорпуса з конденсатором. У міру відкладання накипу на поверхні нагріванняапаратів ці вентилі відкриваються дедалі більше; це дає змогу збільшити впевних межах загальну корисну різницю температур і, таким чином, компенсуватизниження коефіцієнта теплопередачі. Подавання слабкого розчину і відведенняконцентрованого регулюють відповідними вентилями, так само як і перепускрозчину з одного корпуса в дальший для підтримання оптимального рівня, що дужевпливає на ефективність роботи випарного апарата з природною циркуляцією.
Проте вручну важко здійснити досконале регулювання роботи випарноїустановки, тому в багатьох випадках доцільно застосовувати автоматичнерегулювання. Автоматизація випарної установки дає змогу ефективніше здійснюватипроцес випарювання, забезпечити належну якість продукту і полегшити умови праці.Схеми регулювання можуть бути різні – з електричними, гідравлічними абопневматичними регулювальними пристроями, причому параметри регулювання такожможуть бути різними. При випарюванні автоматичному регулюванню підлягають:кількість пари, що надходить у перший корпус залежно від інтенсивностіподавання туди розчину, рівень розчину в окремих корпусах для підтриманнявстановленого оптимального рівня, температура парового простору, розрідження востанньому корпусі і концентрація упареного розчину.
На основі викладеного складають принципову схему регулювання івибирають прилади, які можуть забезпечити її здійснення.
Щоб правильно вибрати межі регулювання, треба мати динамічніхарактеристики роботи кожного випарного апарата у вигляді кривих зміни основнихпоказників роботи у функції часу; доцільно також мати характеристику зниженнякоефіцієнта теплопередачі кожного апарата за період між зупинками на очищанняповерхні нагрівання. Такі криві можна визначити експериментально – вони даютьможливість надійно забезпечити регулювання роботи установки за рахунокправильнішого вибору діапазону коливань регульованих величин.
Описання проектованого апарата
У літературі описано багато конструкцій апаратів, щозастосовувались раніше і застосовуються тепер у хімічній та цукровій промисловості.
Якщо простежити за їх розвитком, то можна помітити такупослідовність: при малих масштабах виробництва спочатку з'явилися апарати зпаровою оболонкою, потім на зміну їм прийшли змійовикові і горизонтальнітрубчасті апарати, де кипіння відбувається у великій місткості зовнікип'ятильних трубок. У міру вдосконалення техніки з'явилися більш компактніконструкції вертикальних апаратів з природною циркуляцією рідини всерединікип'ятильних трубок, плівкові апарати, в яких відбувається виповзання рідинноїплівки, вертикальні апарати з виносною поверхнею нагрівання, в яких добресепарується пара, апарати з штучною циркуляцією, в яких у певних умовах можнаінтенсифікувати тепловіддачу, роторні апарати, де кипіння розчину відбуваєтьсяв тонкій плівці, апарати з заглибними пальниками.
Серед кожної групи апаратів є й деякі відмінності.
Проте слід зауважити, що така велика кількість конструкцій булазумовлена не стільки вимогами та особливостями техніки випарювання, скількиміркуваннями рекламного і патентного характеру. У зв'язку з цим слідпідкреслити, що в СРСР, де в умовах планового соціалістичного господарствапроводиться типізація і стандартизація устаткування, число типових конструкційзведене до мінімуму. Але оскільки на заводах збереглися ще не стандартизованіапарати, нижче буде описано найбільш поширені конструкції.
Точно встановленої класифікації апаратів немає, проте їх можна класифікуватиза рядом ознак, а саме:
1) за розміщенням поверхні нагрівання – горизонтальні, вертикальніі похилі, які зустрічаються рідше;
2) за видом теплоносія – паровим, газовим, електричнимобігріванням та обігріванням високотемпературними носіями. На хімічних іцукрових заводах найчастіше застосовують апарати з паровим обігріванням, а томув дальшому їм буде приділено особливу увагу;
3) за способом підведення теплоносія – подавання теплоносіявсередину трубок, подавання пари в парову камеру зовні трубок;
4) за режимом циркуляції – природна і штучна;
5) за кратністю циркуляції – одноразова і багаторазова;
6) за типом поверхні нагрівання – з паровою оболонкою,змійовикові, з трубчастою поверхнею нагрівання різної конфігурації.
Що ж до вимог, які ставлять до раціональних конструкцій, то вониможуть бути зведені до таких:
1) простота, компактність, технологічність конструкцій з точкизору зручності і дешевизни виготовлення, монтажу і ремонту, стандартизаціявузлів і деталей;
2) механічна надійність: міцність, жорсткість, стійкість,герметичність і довговічність апарата;
3) задоволення технологічних вимог: додержання потрібного режиму,виготовлення продукту або напівпродукту належної якості і потрібноїконцентрації, стійкість у роботі при неминучих невеликих коливаннях у відборіекстра пари, по можливості більш тривала робота між зупинками на очищання примінімальних відкладеннях осадів на поверхні нагрівання, зручністьобслуговування і очищання, регулювання і контролю роботи;
4) інтенсивність тепловіддачі при високих значеннях, малавага і невисока вартість поверхні нагрівання;
5) безпека обслуговування, наявність огороджувальних пристроїв ізапобіжних клапанів в апаратах, що працюють під тиском;
6) мінімальна вартість проектування, виготовлення і експлуатації;
7) зручність перевезення;
8) відповідність конструкції вимогам Держтехнагляду.
Апарати здають в експлуатацію після приймання їх спеціальноюкомісією за участю представника Держтехнагляду і періодично повторно оглядають.
Зрозуміло, що задовольнити всі ці вимоги максимально практичнонеможливо, а тому завдання конструктора полягає в тому, щоб, орієнтуючись натехнічні умови, створити найраціональнішу конструкцію.
Під кутом зору сказаного перейдемо до короткого розглядуконструкцій.
1. Випарний апарат з паровою оболонкою застосовується в невеликихза масштабами виробництвах для упарювання в'язких рідин, розчинів, що даютьвідкладення або мають агресивні властивості. Для боротьби з корозією внутрішнястінка корпуса часто буває захищена антикорозійним покриттям. Ці апаратипрацюють або при атмосферному тиску, або під вакуумом. Нерідко вони буваютьоснащені мішалкою для інтенсифікації процесу випарювання. Позитивні якостіапарата: простота і надійність конструкції; недоліки: мала інтенсивністьтеплопередачі, невелика продуктивність, невисокий паровий простір,внаслідок чого можливе механічне винесення краплинок рідини.
2. Змійовиковий апарат порівняно з попередньою конструкцією більшкомпактний, оскільки в одиниці об'єму може мати більшу поверхню нагрівання.Позитивною якістю його є можливість розділення поверхні нагрівання на секції,які поступово вводять у роботу; це важливо для апаратів періодичної дії зпоступовим заповненням упарюваною рідиною. При упарюванні кислих рідинзмійовики слід виготовляти з кислототривкого матеріалу, а стінки корпусаповинні мати відповідні покриття.
Недоліки: при тісному розміщенні змійовики важко очищати зовні;якщо змійовики довгі, то утруднене відведення конденсату і можливе утворення«парових пробок». Крім того, їх важко ремонтувати. Змійовики треба кріпити докорпуса «хомутами», інакше при подаванні всередину змійовиків пари під тискомможлива їх вібрація і дрижання апарата.
Хоч за компактністю ці апарати і кращі за оболонкові, проте вонипоступаються перед трубчастими, які тепер найбільше поширені в промисловості.
До старих конструкцій належить горизонтальний випарний апарат згоризонтальними довгими трубками порівняно невеликого діаметра, з ущільненнямтрубок гумовими кільцями, притискуваними спеціальними розетками до трубок. Параподається в парову камеру, входить в один кінець трубок, а конденсат виходить здругого їх кінця в конденсатну камеру. Щоб трубки через велику їх довжину неперегиналися, їх пропускають через установлені по довжині апарата 2–3 ґратчастіперегородки. І
Корпус апарата має форму сундука або циліндра. У першому випадкупри роботі апарата під надлишковим тиском або вакуумом потрібне додатковекріплення плоских стінок, щоб вони не деформувалися.
До позитивних якостей апарата слід віднести: велике дзеркаловипаровування, великий паровий простір, велика акумуляційна здатність,зручність очищання поверхні нагрівання, бо трубки виймаються з апарата, малівтрати корисної різниці температур від гідростатичного ефекту, оскільки висотарівня розчину в апараті невелика. За дослідними даними наближається до значеньдля вертикальних апаратів з організованою циркуляцією. Недоліки апарата: громіздкість,велика площа підлоги, яку він займає, висока вартість ремонту, що пов'язано звийманням і вставлянням трубок на гумовому ущільненні.
До горизонтальних апаратів належать апарати з горизонтальними трубками,
усередині яких кипить упарюваний розчин; пара подається зовнітрубок. До позитивних якостей апарата належать зручність ремонту, бо можнавідкатувати поверхню нагрівання, великий паровий простір. Недоліком його є те,що трубки важко чистити всередині.
Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі
випарюванняапарат продукт установка
Налисті 2 наведена апаратурно-технологічна схема випарної установки, щоскладається з двох послідовно з’єднаних апаратів з природною циркуляцією,збірників сусла і концентрату, збірників конденсату, насосів для перекачуваннясусла, концентрату, конденсату.
Установкапрацює так. Сок із збірника для ферментації подається у перший корпус випарноїустановки, у якій внаслідок випарювання із розчину видаляється розчинник, а нелеткіречовини залишаються у розчині. Для обігрівання першого корпусу випарноїустановки і для підігріву соку подається гріюча пара з котельні. У нагрівальнійкамері теплота передається від теплоносія до киплячого розчину, упаросепараторі від киплячого розчину відділяється пара. Вторинна пара, щоутворюється у першому корпусі надходить у гріючу камеру другого корпуса. У другий корпус надходитьсконцентрований розчин з першого корпусу.
Перетіканнярозчину і вторинної пари покорпусах відбувається внаслідок перепаду тисків між корпусами, які виникають урезультаті створення вакууму у другому корпусі. Внаслідок створеногорозрідження створюється корисна різниця температур між температурою кипіннярозчину у другому корпусі і температурою вторинної пари першого корпусу.
Концентратсоку з другого корпусу за допомогою відцентрового насосу надходить у збірникдля зберігання.
Вториннапара з другого корпусу направляється в конденсатор, до якого підключенийвакуум-насос. Конденсатор створює розрідження у випарній установці. Приконденсації пари об΄єм, з якої він утворюється. Як наслідок у камерізмішування конденсатора і під΄єднаному до неї апараті створюється розрідження.
Опис технологічного процесу виробництва концентрованого яблучногосоку
Длявиготовлення концентрованого яблучного соку використовують свіжі плоди абосоки-напівфабрикати асептичного консервування або холодильного зберігання. Назаводі використовують тільки свіжі плоди, які повинні відповідати вимогамдіючих стандартів. Плоди які поступають на переробку, повинні бути свіжими,зрілими, здоровими, без ознак псування.
Доставка,приймання, зберігання відбувається так само як і для яблучного пюре.
Миття.Проводиться на барабанній мийній машині чистою водою, яка відповідає вимогам якдо харчової води з метою видалення механічних домішок, мікроорганізмів таядохімікатів з поверхні плодів.
Інспекція.Після миття плоди поступають на інспекційний стіл де видаляються стороннідомішки, ушкоджені плоди та ті, які не відповідають вимогам діючих стандартів.
Даліяблука поступають на дроблення яке проводиться на універсальній дробарці,сировина подрібнюється на шматочки розміром 2–6 мм. Цей процес дозволяєзбільшити вихід соку.
Післядроблення сировина обробляється електричним струмом. Найбільш ефективна обробкасировини в тому випадку, коли з мезги до електричної обробки відібрали частинусоку на центрифузі. Також можна обробляти вижимки після преса для видаленнядодаткової кількості соку.
Увипадку коли відбирається сік спочатку на центрифузі, а потім обробляєтьсяструмом низької частоти напругою 220В, дає можливість збільшити вихід соку на1.5–4.5% при цьому також збільшується продуктивність пресу приблизно на 25–35%.
Далісировина подається на пресування. Пресування – це процес розділення, при якомуіз порожнини між движучимип протитечійно пресуючи ми поверхнями витісняютьсярідкі речовини. Велике значення при пресуванні має шар мезги яка пресується.При високому шарі мезги збільшується зона пресування та тривалість витягненнясоку. Так, при зменшені висоти шару з 12.5 до 5 см. вихід соку з яблук збільшуєтьсяна 4%. Тому пресування необхідно вести в тонкому шарі. Цей принцип врахований увсіх пресах сучасної конструкції.
Потімсік потрапляє на проціджування яке проходить на вібросепараторі. Продуктивністьсепаратора до 12м3/год, потужність електродвигуна 13кВт.Ефективність розділення буде вищим, чим більше розмір частинок та різницягустини соку та частинок. Відходи виводяться з цеху та виводять з виробництваразом з відходами при пресуванні. Сік після проціджування потрапляє напідігрівання, де він нагрівається до 40–450С для того, щоб нанаступній стадії ферментації пройшла краща взаємодія ферментів з соком. Сампроцес ферментації проходить недовго, приблизно одна або півтори години. Длятого щоб сік не був темний додають пектолітичні ферменти в кількості 0,01–0,03%,до маси соку при температурф 40–450С. Далі сік надходить на наступнуоперацію – випарювання, яке проводиться в 2-х корпусній випарній установці. Сікпотрапляє в перший корпус де він обробляється гострою парою температурою 1110С,при цьому температура соку 101–1030С, час 15 – 20 хв, далі вінпоступає на другу колону де пар 890С, температура соку 930С.Після того як сік пройшов випарну установку він надходить на зберігання вемальовані збірники і зберігається на відкритому повітрі, також в автоцистернидля харчових продуктів з нержавіючої сталі по
ГОСТ9218, контейнери-цистерни по діючим стандартам до 60м3 та резервуардо 30м3. Внутрішня частина резервуарів повинна бути виготовлена зматеріалів, дозволених Мінздравом для контакту з харчовими продуктами, або матизахисне покриття. Такий сік зберігається при температурі не вище 100Сі відносній вологості 75% – 1рік.
Розрахунки
Матеріальний баланс
W2
/>
W1
/> D K /> К
SnXn (Sn-W1) X1 (Sn-W1-W2) Xk
Визначення продуктивності установки
Кількістьводи, яка випаровується всією установкою знаходимо по формулі, [1, ст. 66, V.15]:
/>
Де S – маса соку яка поступає на випарювання, кг/с;
Вп,Вк – початкова і кінцева концентрація розчину
/>
Розрахунок концентрації розчину
Розподілконцентрації розчину по корпусам установки залежить від відношення навантаженняза випареною водою у кожному корпусі апарату.
Приймаємо,що продуктивність по випарюваній воді розподіляється між корпусами у відношенні,[2, Ст. 87]:
/>
Такимчином:
/>,
/>
/>
/>
Розраховуємоконцентрації розчину у корпусах [1, Ст. 66, V.16]:
/>
/>
/>
/>
Теперзнаходимо середні концентрації розчину по корпусах:
впершому корпусі: />
/>
вдругому корпусі: />
/>
Густинуяблучного сока в першому корпусі, при температурі кипіння t=1050C, знаходимо за формулою:
/>/>
де Т– температура кипіння розчину, 0С;
/>
Густинаяблучного соку в другому корпусі, при температурі кипіння t=910С:
/>
Оптимальнувисоту рівня рідини в трубках знаходимо за формулою [1, Ст72, V.46]: />
де Нтр– висота трубок, м;
/>
/>
Тискстовпа рідини рахуємо за формулою [1, Cт74, V.66]:
/>
де ρ– густина розчину, кг/м3,
h – відстань від верхнього рівня розчину до середини гріющих труб, м;
Знаходимоh заформулою [1, Ст74, V67]^
/>
де h1 –відстань від верхнього рівня розчину до трубної доски, м;
Hтр – висота гріющих трубок, м;
/>=0,023 мПа
/>=0,026 мПа
Тисквторинної пари:
Pвт1=0,106 мПа; Pвт2=0,053 мПа;
Тискияблучного соку біля середини гріючих труб – в першому корпусі:
Pср1= Pвт1+/>=0,106+0,023=0,129мПа
Вдругому корпусі:
Pср2= Pвт2+/>=0,053+0,026=0,079мПа
Температурнівтрати внаслідок гідростатичної депресії – в першому корпусі:
/> мПа; /> мПа;
Загальнівтрати внаслідок гідростатичного ефекту:
/>0С
Загальнівтрати температур між корпусами:
/>0С
Втратитемператури внаслідок фізико-хімічної депресії знаходимо за формулою [1, Ст87, V.62]:
/>
/>0С
/>0С
Загальнівтрати внаслідок фізико – хімічної депресії:
/>0С
Температурнівтрати при випарювані яблучного сокуІ корпус ІІ корпус Температури загальних втрат установки
/>0С
/>0С
/>0С
/>0С
/>0С
/>0С
/>0С
/>0С
/>0С
Кориснарізниця температур для всієї установки />0С,
/>
/>0С
/>0С
Перевіряєморезультат:
/>/>0С
Температуракипіння соку біля середини гріющих труб
tcp1=tn-/>
впершому корпусі:
tcp1=111–12.9=98.10C
вдругому корпусі:
tcp2=100–18.5=81.50C
Температуракипіння біля верхнього шару в першому корпусі:
tp1= tcp1-/>=98.1–2.75=95.350C
вдругому корпусі:
tp2=81.5–5.75=75.750C
Температурагріючої пари у другому корпусі:
tn=94.65–1=93.650C
Тепловий розрахунок
Тепловий баланс
/>
Q4
Q1 Q6
/>
Q2 Q5
Q3
/>
Притепловому розрахунку БВУ тепловий баланс складається для кожного корпусуокремо:
Q1+Q2=Q3+Q4+Q5+Q6, (10)
Q1=D×I
Q2=S×c1×t1
Q3=S×c2×t2-W×cв×t2
Q4=W×i
Q5=D×ck×tk
Q6= Qн.с
де Q1 – кількість тепла, що надходить з первинної гріючою парою, Вт; Q2-тепло, що надходить з квасним суслом, Вт; Q3 – тепло, що виходить з апарата разом з концентратом квасногосусла, Вт; Q4 — – тепло, що виходитьз апарата разом з вторинною парою, Вт; Q5 – тепло, що виходить з апарата з конденсатом гріючої пари, Вт; Q6 – тепло, що виходить з апарата у навколишнє середовище, Вт.
Розрахунок коефіцієнта теплопередачі
Коефіцієнттеплопередачі розраховуємо за формулою, для першого корпуса:
/>
/>
Визначення теплового навантаження
Розраховуємокоефіцієнт випарювання за формулою [1, Ст66, V.18]:
/>
де /> – ентальпія відповідногріючого пара, конденсату і вторинного пара, Дж/кг;
дляпершого корпуса:
/>
длядругого корпуса:
/>
Розраховуємокоефіцієнт само випаровування за формулою [1, Ст66, V19]:
/>
де tpi – температура кипіння? 0C;
СwСp – теплоємність розчинника і розчину, Дж/(кгК)
дляпершого корпуса:
/>
длядругого корпуса:
/>
Сумарнірозрахунки коефіцієнтів які входять до складу рівнянь І.А. Тищенка,знаходимо за формулами:
Х=2-/>=2–0,03=1,97
/>
Z=1
Длярозрахунку коефіцієнта інжекції приймаємо ступінь сухості пари рівний 0,95.Тоді ентальпія її в першому корпусі складає при тиску 892500Н/м2
/>
По i-s діаграмі визначаємо тепловіперепади h1=503800Дж/кг; h2=109439Дж/кг
Коефіцієнтінжекції розраховуємо за рівнянням [1, Ст76, V.88], при А=0,81
/>;
де h1 – адіабатичний тепловий перепад;
Ентальпіяпари, що виходить із інжектора при тиску 58039 згідно формулі [1, Ст76, V.89]:
/>де – />ентальпія відносно робочогоі вторинного пара;
Проведемона і-s діаграмі лінію для даного значення ентальпії і знаходимо />Параметри І – корпус ІІ – корпус Концентрація соку В, % 10 40
Температура граючої пари tn,0С 111 93,65
Полезна різниця температур/>,0С 12,9 18,5
Температура кипіння розчину біля середини гріючих труб tср,0С 98,1 81,5
Гідростатичні втрати />,0С 2,75 5,75
Температура кипіння розчину біля верхнього рівня tр,0С 95,35 75,75
Депресійні втрати />,0С 0,7 1,4
Температура вторичної пари tвm,0С 94,65 74,35
Втрати температури по корпусах />С,0С 1 1 Тиски граючої пари Р мПа 0,15 0,1
Ентальпія гріючої пари />Дж/кг 2693812 2675123
Ентальпія конденсату />, Дж/кг 447532 398593 Ентальпія вторичної пари і, Дж/кг 2677321 2647529 Тиск вторинної пари Рвт мПа 0,106 0,053 Теплоємність соку С Дж/кг 3695 3604
/>
ентальпія:
/>
/>Оскільки /> відрізняється від />, зробимо нову побудову для/>. Для цього на і-s діаграмі проведемо лініюдля даного значення ентальпії і знайдемо />=94400Дж/кг. При такомузначені:
/>
аентальпія:
/>
Приймаємодля подальших розрахунків коефіцієнт інжекції U=0,872, витрата гострої паризгідно рівняння [1, Ст76, V.80]:
/>
Кількістьвторинної пари що поступає на інжекцію знаходимо за формулою [1, Ст75, V.79]:
/>
/>
Якщовести упарювання без інжекції, то витрата пари в першому корпусі становить: />
/>
Кількістьграючої пари що іде в перший корпус знаходимо за формулою [1, Ст80, V.81]:
/>
Акількість води випариної в першому корпусі – із рівняння [1, Ст80, V.81]:
/>
Кількістьграючої пари у другому корпусі згідно рівняння:
/>
Кількістьводи випареної у другому корпусі складає:
/>
/>
Загальнакількість води випареної в двох корпусах:
/>
Кількістьтеплоти, що передається через поверхню нагріву першого корпуса:
/>
/>
Розрахунок поверхні теплопередачі
Поверхнятеплопередачі першого корпуса:
/>
/>
/>
Конструкційний розрахунок
Числотрубок />
Діаметрвнутрішньої трубки d=0,04 м
Діаметрзовнішньої трубки dз=0,043 м, тоді
/>
Де t – крок між трубами, />
K – коефіцієнт використання трубної дошки, К=0,7…0,9
/>
dц/>
Dk=/>
Товщинатрубної решітки, стальної
/>
Об’ємпростору вторинної пари
/>
А –напруга парового простору, Приймаємо А = 1500 м3/(м3ч)
ρ– густина вториної пари = 0,2166 м3/кг
=0,08728 м3/кг
W1=533 кг/год
W2=587 кг/год
V1/>
Приймаємодіаметр парового простору рівним діаметру корпуса апарата, знайдемо висоту:
/>
Важливимпоказником роботи випарних установок є швидкість витання краплини в паровомупросторі, час знаходження в ньому пари і швидкість пари.
Швидкістьвитання краплини:
/>
Де /> – коефіцієнт опору якийпри Re
/>
dk – діаметр краплини
Re = /> />
Швидкістьпари в над соковому просторі:
/>
/>
Длянормальної роботи установки, необхідно, щоб дотримувалась умова vв>vn
Патрубки розраховуємо за формулою />
Де G – кількість рідини
w – швидкість руху рідини
длявходу розчину в апарат:
/>
Длявиходу розчину з апарату:
/>
Длявходу грійної пари:
/>
Длявходу вторинної пари:
/>
Длявиходу конденсату:
/>
Гідравлічний розрахунок
/>
Де /> – об’ємна витрата рідини
/> – перепад тиску в апараті
/> – ККД насоса
/>;
Де /> — коефіцієнт опору тертя, l – довжина труби (м), d – діаметр труби(м), /> – коефіцієнт місцевогоопору, w – швидкість руху рідини.
Коефіцієнтопору тертя при ламінарному русі потоку (Re;
При2320
/>
Притурбулентному русі в гідравлічно гладких трубах
(4000 ) /> (Re
/> де /> — відношення діаметра трубопроводу до середньої висоти виступівшорсткості. При турбулентному русі в гідравлічно шорстких трубах (20/>), коефіцієнт /> залежитьвід критерію Рейнольда і від шорсткості труб, його можна визначити за формулою:
/> або />
Длянаближення розрахунків можна приймати наступні значення абсолютної шорсткості:труби стальної нові – 0,06–0,1
Визначаємокоефіцієнт Рейнольда />;
/> — знаходимо за формулою />;
/> — в’язкість соку.
С –концентрація, t – температура соку.
/>
/> Отже 20/>Re
Використовуємоформулу
/>,
/>
/>
/>
/>
/>
Розрахунок теплової ізоляції
Товщинутеплової ізоляції /> знаходимо ізрівності питомих теплових потоків через шар ізоляції від поверхні ізоляції внавколишнє середовище
/>
Де /> — коефіцієнт тепловіддачівід зовнішньої поверхні ізоляційного матеріалу в навколишнє середовище Bm/(м2К)
/>
tcm2 – температура ізоляції зі сторони навколишнього середовища; дляапаратів які працюють у закритому приміщені, вибирають в межах 35–450С,
tcm1 – температура ізоляції зісторони апарата, приймають рівною температурі граючої пари tr1, тому, що термічний опірстінки апарату в порівнянні з термічним опором шару ізоляції незначний, tв – температуранавколишнього середовища, />-коефіцієнт термопровідності ізоляційного матеріалу
/>
Розрахуємотовщину теплової ізоляції для першого корпусу
/>
Приймаємотовщину теплової ізоляції 0,036 м і для другого корпуса.
Техніко-економічний показник роботи апарата
Вартість1м2 поверхні теплообміну
/>
Вартість1м2 поверхні стінки
/>
1кВтелектроенергії = 60 коп.=0,6 грн-Се
Площастінки />/>
Вартістьстінки />
Вартістьповерхні теплообміну />
/>
Річніамортизаційні витрати />
Де N – Потужність насосу кВт,
Се –Вартість 1кВт/год електроенергії
/> – Кількість годин роботивипарної установки
/>/>
/>
/> – коефіцієнт амортизації = 0,48
304/>0,08=24
Річніамортизаційні витрати
10520/>0,08=841,6 грн/рік
841,6+24=865– сумарні амортизаційні витрати річні
10520+304=10824грн
10824+865=11689грн
Умови безпечної експлуатації спроектованого апарата і питанняекології
Експлуатаціявипарних установок ведеться згідно з інструкцією, яку затвердив головнийінженер підприємства.
1) Зовнішній огляд проводитьсяодин раз на рік;
2) Внутрішній огляд проводитьсяодин раз у три роки;
3) Гідравлічне випробуванняпроводиться раз на 6 років;
Способиочистки залежать від виду і ступеня завантаження.
1) Механічний – для очисткимілких та твердих осадків і накипів;
2) Хімічний – апарат заповнюютьхімічним реактивом з послідуючою промивкою
3) Гідравлічний – для видаленнянеприлипаючих відкладень;
4) Термічний – для дуже твердихнакипів.
Дляапарату заводиться книжка для реєстрування результатів.
Обслуговуючийперсонал повинен добре вивчити склад апарату. категорично забороняєтьсяпідвищувати тиск і температуру вище допущеної норми. Необхідно слідкувати зафланцевими з΄єднаннями. Огляд і ремонт внутрішніх частин апарату
допускаєтьсятільки після його охолодження до температури 300С. Для затяжкиболтів не дозволяється використовувати гаєчні ключі, в яких зев більше розміруголовки болта або гайки.
Експлуатаціяапарату, що застосовується у даній технологічній схемі, повинна враховувати основніпринципи екологізації виробництва – проникнення екологічних нововведень увиробництво, екологічна модернізація виробництва. Екологізація виробництва можепроводитися різними шляхами: впровадження раціонального природокористування(заощадження природних ресурсів, економія витрат сировини, палива тощо) тапроникненням екологічних нововведень у промисловість (комплексне перетвореннясировини та утилізація відходів виробництва, мінімалізація відходів,використання нетрадиційних джерел енергії використання продуктів переробленняяк вторинної сировини, тобто перетворення забруднювальних у корисні продукти).
Урезультаті екологізації виробництва отримують модель технологічної лінії зполіпшеними еколого-економічними характеристиками.
Обслуговуючийперсонал повинен проходити екологічне навчання, яке підвищує інтелектуальнийпотенціал та забезпечує свідоме ставлення персоналу до вирішення екологічнихзавдань модернізації виробництва [7. с. 333]
Література
1.Малежик І.Ф., Циганков П.С. Процесиі апарати харчових виробництв: Підручник. К.: НУХТ, 2003. – 400 с.: іл.
2.Дытнерскибхй Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. –М.: Химия, 1983. -272 с. Ил.
3.Малежик І. Ф., Зоткіна Л.В.,Немирович П.М., Саввова О.В. Процеси і апарати харчовихвиробництв: Метод. вказівки. – К.: НУХТ, 2002 – 64 с.
4.Стабников В.Н. Проектированиепроцессов и аппаратов пищевых производств. К.: Выща шк., 1982. – 199 с.
5.Чубик И.А., Маслов А.М. Справочникпо теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. – М.:Пищевая промишленность, 1970.-184 с.
6.Запольський А.К., Салюк А.І. Основи екології: Підручник / Заредакцієї Ситника. – К.: Вища школа, 2001. –358 с.:іл