Курсовая работа: Проект двохкорпусної випарної установки для концентрування яблучного соку

Курсовая работа: Проект двохкорпусної випарної установки для концентрування яблучного соку

Розрахунково-пояснювальна записка

До курсового проекту на тему

«Проект двохкорпусної випарної установки для концентрування яблучного соку»

Основне завдання випарювання

Основним завданням випарювання є часткове видалення з розчину розчинника і утворення концентрованого розчину, який піддають дальшому згущуванню, щоб мати напівпродукт або готовий продукт. Так, наприклад, при виробленні каустичної соди розчин КаОН упарюють на випарній станції до концентрації 50–60%, а потім у плавильних котлах з вогневим нагріванням остаточно упарюють його до сухого стану. У цукровому виробництві соки згущують у випарній установці до концентрації 65%, а потім уварюють густий сироп у вакуум-апаратах до утворення 92–93% сухих речовин. Такий напівсухий або сухий продукт більш транспортабельний, його краще зберігати, ніж рідкий розчин. Часто під час упарювання обмежуються утворенням лише концентрованого розчину.

Процес випарювання треба проводити так, щоб при заданій продуктивності випарної установки мати згущений розчин потрібної концентрації і відповідної якості, без втрат сухої речовини під час випарювання, при якомога меншій витраті палива.

Випарюють розчин в одному апараті або у випарній установці, що складається з кількох послідовно сполучених між собою апаратів безперервної дії, так званих корпусів. Застосування такої випарної установки багаторазової дії дає змогу значно знизити витрати палива на випарювання.

Як було вже сказано, процес упарювання часто проводять у два етапи. Це зумовлено потребою очистити і профільтрувати згущений розчин до остаточного упарювання, або потребою вести остаточне упарювання на «голому» вогні чи за допомогою високотемпературного теплоносія, оскільки для цього потрібна висока температура. Часткове випарювання (перший етап) найчастіше можна здійснити за допомогою водяної пари низького тиску у випарній установці багаторазової дії.

Вимоги до продуктів, що надходять до випарної установки і виходять з неї

Розчини, які надходять у випарну установку, не повинні мати механічних домішок. Для цього їх попередньо очищають, щоб на теплообмінній поверхні випарних апаратів не було відкладень. Іноді застосовують проміжну фільтрацію між тими або іншими корпусами для видалення утворюваного осаду.

Температура розчину, який надходить у випарну установку, повинна дорівнювати температурі кипіння або бути близькою до неї в першому по порядку корпусі для того, щоб випарний апарат працював тільки як випарник, а не частково і як підігрівач, бо в цьому разі коефіцієнт теплопередачі апарата дещо знижується.

У випадку, коли розчин має нижчу температуру, ніж температура його кипіння в першому корпусі, доцільно встановити окремі підігрівачі для попереднього підігрівання розчину.

Чим вища концентрація початкового розчину і чим менша його кількість, тим вищою буде продуктивність випарної установки і тим меншою витрата тепла на упарювання розчину до потрібної концентрації.

Для зниження витрати палива на остаточне упарювання розчину (після випарної станції), яке звичайно здійснюють в апараті одноразової дії, цей розчин треба випарити у випарній установці багаторазової дії до найбільш можливої високої концентрації, наскільки це допускають особливості технологічної схеми і гідромеханічні умови транспортування згущеного розчину.

Фізичні основи процесу випарювання

Фізична суть процесу випарювання полягає в перетворенні частини рідини (розчинника) в пару при згущенні розчинів або в перетворенні всієї рідини в пару, якщо випарюють однокомпонентну рідину (наприклад, воду). Слід відрізняти випарювання від випаровування. Випаровування відбувається з поверхні і при будь-якій температурі, тоді як випарювання – з усієї маси рідини при температурі, що відповідає точці кипіння при певному тиску.

З точки зору молекулярно-кінетичної теорії при випарюванні і випаровуванні відбувається видалення частини молекул речовини, що перебувають у тепловому русі, з простору, який займає рідина. Молекули, які видаляються з рідини,

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 набуває певної величини при заданій температурі.

Коли температура кипіння змінюється, рівновага порушується, а це спричинює відповідні зміни густини і тиску пари. Під час кипіння рідини пара виділяється не лише з поверхні, а й з парових бульбашок, що утворюються в самій рідині, і цей процес стає основним, бо утворені бульбашки є центрами пароутворення. Парова бульбашка в міру випаровування в неї рідини збільшується в розмірі, зростає і її піднімальна сила: тому, переборюючи опір рідин, вона спливає на поверхню, де й лопається, а замість неї утворюється нова бульбашка. Таке переміщення бульбашок з нижніх шарів рідини до її поверхні зумовлює безперервне перенесення утворюваної всередині рідини пари в паровий простір.

Парові бульбашки зароджуються на стінках шорсткої теплообмінної поверхні; їх утворенню сприяють також гази, які є в рідині; при нагріванні гази починають виділятися, утворюючи велику кількість бульбашок, в які й випаровується рідина.

Умовою утворення парових бульбашок є рівність тиску пари всередині бульбашки і зовнішнього тиску рідини, яка її оточує; при цьому процес пароутворення відбувається настільки інтенсивно, що, незважаючи на надходження ззовні великої кількості тепла, температура рідини не підвищується.

Іноді спостерігається, що рідина в момент початку кипіння є перегрітою; це буває тоді, коли рідина не містить у собі розчинених газів. У цьому випадку тиск пари всередині бульбашки повинен дорівнювати зовнішньому тиску і додатковому тиску, зумовленому діями капілярних сил на межі пара – рідина.

При наявності розчинених газів випаровування відбувається головним чином у газові бульбашки, які виділяються з рідини при її нагріванні, тому дія поверхневого 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 за допомогою високотемпературного теплоносія.

Щоб здійснити процес випарювання, тепло від теплоносія треба передати до киплячої рідини, що можливо лише при наявності температурного перепаду між ними. Ця різниця температур між теплоносієм і киплячою рідиною називається корисною різницею температур.

Витрата тепла на випарювання залежить відрахованої теплоти пароутворення перетворюваної в пару речовини.

Як було вже зазначено, при випарюванні рідини під час кипіння температура її залишається сталою, бо з початком кипіння тепло витрачається тільки на зміну агрегатного стану рідини, тобто на перетворення рідини в пару. Відомо також з фізики, що температура кипіння рідини є функцією тиску і що з підвищенням тиску температура кипіння підвищується і, навпаки, при вакуумі вона знижується. Останню обставину часто використовують при випарюванні розчинів, для яких у зв'язку з псуванням продукту високої температури кипіння допускати не можна.

Випарювання розчинів відрізняється від кипіння однокомпонентної рідини (наприклад, води) тим, що вони киплять при вищій температурі, ніж

розчинник при тому самому тиску; на це слід зважати при розрахунку і проектуванні випарного апарата, особливо при виборі параметрів теплоносія і робочого режиму експлуатації.

Величина підвищення температури кипіння розчину порівняно з температурою кипіння чистого розчинника при тому самому тиску називається температурною депресією. Вона залежить від концентрації розчину, від тиску під час кипіння і від природи розчиненої речовини. Причиною підвищення температури кипіння розчинів є відмінність у ході температурної кривої для чистих рідин і для розчинів внаслідок неоднакової їх леткості. Температура кипіння однокомпонентної рідини є функцією лише тиску, а для розчинів вона є функцією тиску і концентрації. Те саме стосується і температурної депресії.

Матеріали для виготовлення випарних апаратів

Для виготовлення випарних апаратів застосовують головним чином чорні метали і лише в деяких випадках – кольорові.

Найчастіше застосовується сталь різних марок, рідше чавун.

Застосовують чавун марок СЧ і СЧЩ, чавуни, леговані нікелем і міддю, а також високо хромисті чавуни.

У зв'язку з високою вартістю випарних апаратів, виготовлюваних з високолегованих сталей і титану, НДІОхім разом з УкрНДІхіммашем розробці конструкцію апарата з гріючими трубками з графітопласту АТД 1 і з плитками з цього самого матеріалу для захисного покриття сепараторів і циркуляційних труб, виготовлюваних з вуглецевої сталі.

Графітопласт АТМ-1 – це прес-композиція на основі графітного порошку і синтетичної смоли. Він стійкий проти кислих середовищ, має високий коефіцієнт теплопровідності і легко піддається обробці. Теплостійкий до 130° С.

За підрахунками згаданих вище організацій вартість виготовлення гріючих камер з трубками з графітопласту в кілька разів менша, ніж виготовлення такої самої поверхні нагрівання з титану. Арматура і комунікації випарних апаратів

Прилади і пристрої, призначені для керування роботою окремого випарного апарата або випарної установки в цілому, називаються арматурою.

До арматури належать різні вентилі, водомірні стекла, зорові стекла, маслянка, запобіжний клапан. При випарному апараті є такі вентилі:

а) вентиль для регулювання набирання і видалення розчину з апарата;

б) водяні вентилі для подавання в разі потреби води в апарат і для видалення конденсаційної води;

в) спускний вентиль для спорожнювання апарата після очищання його або зупинки;

г) парові вентилі, що керують впусканням пари в апарат першого корпуса і видаленням її на конденсатор;

д) вентиль для регулювання відведення з парової камери газів, що не конденсуються.

Застосовувані вентилі мають звичайно стальний або бронзовий клапан. Вентилі встановлюють так, щоб пара або рідина надходили під клапан; це полегшує відкривання вентиля. Клапан повинен щільно прилягати до сідла, для чого їх притирають один до одного. Слід уникати встановлення кутових вентилів, які створюють збільшений опір.

Водовказівні стекла встановлюють для визначення рівня розчину в апараті, з одного боку, і конденсату в паровій камері, з другого. За допомогою кранів ці стекла сполучаються або роз'єднуються з апаратом.

Зорові стекла призначені для спостереження процесу кипіння з фронту апарата; позаду апарата проти зорового скла встановлюють освітлювальне скло з електричною лампочкою для підсвічування. Зорове скло виготовляють з товстостінного скла і вставляють у металеву оправу. Остання складається з фланця з різьбою, куди вставляють скло; на скло накладають ущільнювальне кільце з м'якого металу або з гуми, після чого на фланець нагвинчують кришку, різьбу якої в свою чергу ущільнюють прядивним шнурком, просоченим суриковою замазкою. У плівковому апараті зорове скло встановлюють на трубі, що відводить упарений розчин. На скло надівають запобіжну сітку. Маслянка призначена для подавання в разі потреби масла в апарат у випадках спінювання. Будова маслянки різна для апаратів, що працюють підтиском, і для апаратів, що працюють під розрідженням.

Запобіжний клапан установлюють у паровому просторі апаратів, що працюють під тиском; призначення його – сигналізувати про те, що тиск перевищує допустимий, а також для того, щоб запобігти надмірному підвищенню тиску в апараті. Клапан буває звичайно важільної конструкції; довжина його і тягарець на його кінці розраховані так, щоб клапан піднімався при підвищенні тиску понад норму.

Лази призначені для огляду і проникнення в апарат при механічному очищанні або замінюванні трубок. Лази встановлюють овальної або круглої форми і обладнують кришкою, притягуваною болтами. Між кришкою і лазом закладають ущільнювальне кільце з гуми або з шнура, просоченого замазкою.

Випарну установку обладнують такими комунікаціями для подавання розчину, паровою, водяною, спускною і для відведення газів, що не конденсуються.

Розчин у перший по порядку корпус подається насосом по трубі з вентилем, призначеним для регулювання кількості подаваного розчину. З першого корпуса розчин переходить по трубі з вентилем у дальший корпус при прямоточній схемі – без насоса, а тільки за рахунок різниці тисків між корпусами. Так само обладнана комунікація для подавання розчину і в інших корпусах.

З останнього корпуса випарної установки під розрідженням розчин відсмоктується насосом. Комунікацію слід установлювати без різких поворотів і колін, щоб запобігти втраті напору; швидкість руху розчину в трубах повинна бути близько 1 м/сек.

4. Конструктивний розрахунок вертикального випарного апарата

Розглянемо методику розрахунку найбільш поширеного вертикального випарного 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 зовнішнє середовище для економії палива, забезпечення належних температурних умов технологічного процесу і підтримання потрібних санітарно-гігієнічних умов праці. За допомогою теплової ізоляції можна знизити втрати тепла в навколишнє середовище на 75–85% порівняно з втратами неізольованої поверхні. Для ізоляції можуть застосовуватись найрізноманітніші матеріали з коефіцієнтом теплопровідності. Проте низька величина не визначає всіх властивостей ізоляції, 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 граничної для вибраного виду ізоляції, тобто бути температуростійкою;

4) бути термостійкою, тобто витримувати температурні коливання без порушення структури;

5) відзначатися механічною міцністю і протистояти хімічним діям;

6) бути пластичною, не давати тріщин і усадок при розширенні апарата або трубопроводу;

7) бути безпечною відносно пожежі, довговічною і дешевою.

Конструктивне виконання ізоляції

Ізоляцію застосовують у вигляді:

1) пластичної маси – мастики, виготовленої з порошкоподібних матеріалів при замішуванні їх водою і нанесенні шарами на стінку апарата або трубопроводу. 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 допомогою цементуючої маси до ізольовуваного предмета. Перевагою такої ізоляції є: фабричне виготовлення, можливість монтажу на холодних предметах і можливість повторного використання;

3) джгутів, рукавів, циновок з волокнистих речовин. Переваги: її легко видаляти, можна повторно використовувати, монтувати в холодному стані апарата; недоліки – висока вартість.

4) засипок і набивок. Переваги: можливість монтувати в холодному стані. Недоліки: важко ремонтувати, потрібний каркас.

За допустимою температурою ізоляцію можна класифікувати на: 1) низькотемпературну, що допускає температуру не вище 100 – 150° С; 2) середньо температурну – в межах 150–450° С; 3) високотемпературну, що допускає температуру понад 450° С.

Якщо ізоляція має високу якість, але є низькотемпературною, то застосовують двошарову ізоляцію: на голу металеву стінку накладають високотемпературну ізоляцію, а потім – шар низькотемпературної ізоляції з малим коефіцієнтом теплопровідності.

У випарних установках здебільшого застосовують мастичну ізоляцію, яка замішується водою. На стінку апарата спочатку накладають сітку, щоб ізоляційна маса краще трималася, а потім шар мастики відповідної товщини, причому апарат повинен бути теплим. Після повільного просушування ізоляцію обшивають мішковиною і фарбують олійною фарбою.

Регулювання роботи випарної установки

Багатокорпусна випарна установка являє собою багаточленний агрегат, робота окремих ланок якого взаємозв'язана і повинна бути узгоджена. Завданням регулювання є підтримання стабільного режиму випарювання за допомогою зовнішньої дії на регулювальні органи апарата при неминучих невеликих коливаннях у роботі заводу або цеху.

Регулювання можна здійснювати або вручну, коли всі операції по підтриманню режиму роботи випарної установки виконуються ручним способом, або автоматично, незалежно від участі людини, за допомогою відповідної системи приладів.

При ручному регулюванні апаратник повинен стежити за оптимальним рівнем розчину в апаратах і встановленим температурним режимом в окремих корпусах, за концентрацією упареного розчину, підтримуючи задану продуктивність випарної станції. Для регулювання роботи в розпорядженні апаратника є такі вентилі: вентиль пари, що нагріває перший корпус, вентиль, який сполучає паровий простір останнього корпуса з конденсатором, вентилі для розчину при всіх апаратах і вентиль, що регулює подавання води на конденсатор. При порівняно великій кількості регулювальних органів апаратник повинен бути дуже уважним, уміти налагодити роботу багатокорпусної випарної установки на певний режим і підтримувати його при неминучих коливаннях у роботі заводу або цеху.

Так, наприклад, коли поверхня нагрівання апаратів ще не покрита відкладеннями і коефіцієнт теплопередачі нормальний, можна працювати з меншою загальною корисною різницею температур; цього досягають прикриваючи або паровий вентиль першого корпуса, або вентиль, який сполучає паровий простір останнього корпуса з конденсатором. У міру відкладання накипу на поверхні нагрівання апаратів ці вентилі відкриваються дедалі більше; це дає змогу збільшити в певних межах загальну корисну різницю температур і, таким чином, компенсувати зниження коефіцієнта теплопередачі. Подавання слабкого розчину і відведення концентрованого регулюють відповідними вентилями, так само як і перепуск розчину з одного корпуса в дальший для підтримання оптимального рівня, що дуже впливає на ефективність роботи випарного апарата з природною циркуляцією.

Проте вручну важко здійснити досконале регулювання роботи випарної установки, тому в багатьох випадках доцільно застосовувати автоматичне регулювання. Автоматизація випарної установки дає змогу ефективніше здійснювати процес випарювання, забезпечити належну якість продукту і полегшити умови праці. Схеми регулювання можуть бути різні – з електричними, гідравлічними або пневматичними регулювальними пристроями, причому параметри регулювання також можуть бути різними. При випарюванні автоматичному регулюванню підлягають: кількість пари, що надходить у перший корпус залежно від інтенсивності подавання туди розчину, рівень розчину в окремих корпусах для підтримання встановленого оптимального рівня, температура парового простору, розрідження в останньому корпусі і концентрація упареного розчину.

На основі викладеного складають принципову схему регулювання і вибирають прилади, які можуть забезпечити її здійснення.

Щоб правильно вибрати межі регулювання, треба мати динамічні характеристики роботи кожного випарного апарата у вигляді кривих зміни основних показників роботи у функції часу; доцільно також мати характеристику зниження коефіцієнта теплопередачі кожного апарата за період між зупинками на очищання поверхні нагрівання. Такі криві можна визначити експериментально – вони дають можливість надійно забезпечити регулювання роботи установки за рахунок правильнішого вибору діапазону коливань регульованих величин.

Страницы: 1, 2, 3