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.
Описання проектованого апарата
У літературі описано багато конструкцій апаратів, що застосовувались раніше і застосовуються тепер у хімічній та цукровій промисловості.
Якщо простежити за їх розвитком, то можна помітити таку послідовність: при малих масштабах виробництва спочатку з'явилися апарати з паровою оболонкою, потім на зміну їм прийшли змійовикові і горизонтальні трубчасті апарати, де кипіння відбувається у великій місткості зовні кип'ятильних трубок. У міру вдосконалення техніки з'явилися більш компактні конструкції вертикальних апаратів з природною циркуляцією рідини всередині кип'ятильних трубок, плівкові апарати, в яких відбувається виповзання рідинної плівки, вертикальні апарати з виносною поверхнею нагрівання, в яких добре сепарується пара, апарати з штучною циркуляцією, в яких у певних умовах можна інтенсифікувати тепловіддачу, роторні апарати, де кипіння розчину відбувається в тонкій плівці, апарати з заглибними пальниками.
Серед кожної групи апаратів є й деякі відмінності.
Проте слід зауважити, що така велика кількість конструкцій була зумовлена не стільки вимогами та особливостями техніки випарювання, скільки міркуваннями рекламного і патентного характеру. У зв'язку з цим слід підкреслити, що в СРСР, де в умовах планового соціалістичного господарства проводиться типізація і стандартизація устаткування, число типових конструкцій зведене до мінімуму. Але оскільки на заводах збереглися ще не стандартизовані апарати, нижче буде описано найбільш поширені конструкції.
Точно встановленої класифікації апаратів немає, проте їх можна класифікувати за рядом ознак, а саме:
1) за розміщенням поверхні нагрівання – горизонтальні, вертикальні і похилі, які зустрічаються рідше;
2) за видом теплоносія – паровим, газовим, електричним обігріванням та обігріванням високотемпературними носіями. На хімічних і цукрових заводах найчастіше застосовують апарати з паровим обігріванням, а тому в дальшому їм буде приділено особливу увагу;
3) за способом підведення теплоносія – подавання теплоносія всередину 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 вони можуть бути зведені до таких:
1) простота, компактність, технологічність конструкцій з точки зору зручності і дешевизни виготовлення, монтажу і ремонту, стандартизація вузлів 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 потрібної концентрації, стійкість у роботі при неминучих невеликих коливаннях у відборі екстра пари, по можливості більш тривала робота між зупинками на очищання при мінімальних відкладеннях осадів на поверхні нагрівання, зручність обслуговування і очищання, регулювання і контролю роботи;
4) інтенсивність тепловіддачі при високих значеннях,мала вага і невисока вартість поверхні нагрівання;
5) безпека обслуговування, наявність огороджувальних пристроїв і запобіжних 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 спеціальною комісією за участю представника Держтехнагляду і періодично повторно оглядають.
Зрозуміло, що задовольнити всі ці вимоги максимально практично неможливо, а тому завдання конструктора полягає в тому, щоб, орієнтуючись на технічні умови, створити найраціональнішу конструкцію.
Під кутом зору сказаного перейдемо до короткого розгляду конструкцій.
1. Випарний апарат з паровою оболонкою застосовується в невеликих за масштабами виробництвах для упарювання в'язких рідин, розчинів, що дають відкладення або мають агресивні властивості. Для боротьби з корозією внутрішня стінка корпуса часто буває захищена антикорозійним покриттям. Ці апарати працюють або при атмосферному тиску, або під вакуумом. Нерідко вони бувають оснащені мішалкою для інтенсифікації процесу випарювання. Позитивні якості апарата: простота і надійність конструкції; недоліки: мала інтенсивність теплопередачі,
невелика продуктивність, невисокий паровий простір, внаслідок чого можливе механічне винесення краплинок рідини.
2. Змійовиковий апарат порівняно з попередньою конструкцією більш компактний, 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 з поступовим заповненням упарюваною рідиною. При упарюванні кислих рідин змійовики слід виготовляти з кислототривкого матеріалу, а стінки корпуса повинні мати відповідні покриття.
Недоліки: при тісному розміщенні змійовики важко очищати зовні; якщо змійовики довгі, то утруднене відведення конденса
Хоч за компактністю ці апарати і кращі за оболонкові, проте вони поступаються перед трубчастими, які тепер найбільше поширені в промисловості.
До старих конструкцій належить горизонтальний випарний апарат з горизонтальними довгими трубками порівняно невеликого діаметра, з ущільненням трубок гумовими кільцями, притискуваними спеціальними розетками до трубок. Пара подається в парову камеру, входить в один кінець трубок, а конденсат виходить з другого їх кінця в конденсатну камеру. Щоб трубки через велику їх довжину не перегиналися, їх пропускають через установлені по довжині апарата 2–3 ґратчасті перегородки. І
Корпус апарата має форму сундука або циліндра. У першому випадку при роботі апарата під надлишковим тиском або вакуумом потрібне додаткове кріплення плоских стінок, щоб вони не деформувалися.
До позитивних якостей апарата слід віднести: велике дзеркало випаровування, великий паровий простір, велика акумуляційна здатність, зручність очищання поверхні нагрівання, бо трубки виймаються з апарата, малі втрати корисної різниці температур від гідростатичного ефекту, оскільки висота рівня розчину в апараті невелика. За дослідними даними наближається до значень для вертикальних апаратів з організованою циркуляцією. Недоліки апарата: громіздкість, велика площа підлоги, яку він займає, висока вартість ремонту, що пов'язано з вийманням і вставлянням трубок на гумовому ущільненні.
До горизонтальних апаратів належать апарати з горизонтальними трубками,
усередині яких кипить упарюваний розчин; пара подається зовні трубок. До позитивних якостей апарата належать зручність ремонту, бо можна відкатувати поверхню нагрівання, великий паровий простір. Недоліком його є те, що трубки важко чистити всередині.
Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі
випарювання апарат продукт установка
На листі 2 наведена апаратурно-технологічна схема випарної установки, що складається з двох послідовно з’єднаних апаратів з природною циркуляцією, збірників сусла і концентрату, збірників конденсату, насосів для перекачування сусла, концентрату, конденсату.
Установка працює так. Сок із збірника для ферментації подається у перший корпус випарної установки, у якій внаслідок випарювання із розчину видаляється розчинник, а нелеткі речовини залишаються у розчині. Для обігрівання першого корпусу випарної установки і для підігріву соку подається гріюча пара з котельні. У нагрівальній камері теплота передається від теплоносія до киплячого розчину, у паросепараторі від киплячого розчину відділяється пара. Вторинна пара, що утворюється у першому корпусі надходить у гріючу камеру другого корпуса.У другий корпус надходить сконцентрований розчин з першого корпусу.
Перетікання розчину і вторинної пари по корпусах відбувається внаслідок перепаду тисків між корпусами, які виникають у результаті створення вакууму у другому корпусі. Внаслідок створеного розрідження створюється корисна різниця температур між температурою кипіння розчину у другому корпусі і температурою вторинної пари першого корпусу.
Концентрат соку з другого корпусу за допомогою відцентрового насосу надходить у збірник для зберігання.
Вторинна пара з другого корпусу направляється в конденсатор, до якого підключений вакуум-насос. Конденсатор створює розрідження у випарній установці. При конденсації пари об΄єм, з якої він утворюється. Як наслідок у камері змішування конденсатора і під΄єднаному до неї апараті створюється розрідження.
Опис технологічного процесу виробництва концентрованого яблучного соку
Для виготовлення концентрованого яблучного соку використовують свіжі плоди або соки-напівфабрикати асептичного консервування або холодильного зберігання. На заводі використовують тільки свіжі плоди, які повинні відповідати вимогам діючих 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 як до харчової води з метою видалення механічних домішок, мікроорганізмів та ядохімікатів з поверхні плодів.
Інспекція. Після миття плоди поступають на інспекційний стіл де видаляються сторонні домішки, ушкоджені плоди та ті, які не відповідають вимогам діючих стандартів.
Далі яблука поступають на дроблення яке проводиться на універсальній дробарці, сировина подрібнюється на шматочки розміром 2–6 мм. Цей процес дозволяє збільшити вихід соку.
Після дроблення сировина обробляється електричним струмом. Найбільш ефективна обробка сировини в тому випадку, коли з мезги до електричної обробки відібрали частину соку на центрифузі. Також можна обробляти вижимки після преса для видалення додаткової кількості соку.
У випадку коли відбирається сік спочатку на центрифузі, а потім обробляється струмом низької частоти напругою 220В, дає можливість збільшити вихід соку на 1.5–4.5% при цьому також збільшується продуктивність пресу приблизно на 25–35%.
Далі сировина подається на пресування. Пресування – це процес розділення, при якому із порожнини між движучимип протитечійно пресуючи ми поверхнями витісняються рідкі речовини. Велике значення при пресуванні має шар мезги яка пресується. При високому шарі мезги збільшується зона пресування та тривалість витягнення соку. Так, при зменшені висоти шару з 12.5 до 5 см. вихід соку з яблук збільшується на 4%. Тому пресування необхідно вести в тонкому шарі. Цей принцип врахований у всіх пресах сучасної конструкції.
Потім сік потрапляє на проціджування яке проходить на вібросепараторі. Продуктивність сепаратора до 12м3
/год, потужність електродвигуна 13кВт. Ефективність розділення буде вищим, чим більше розмір частинок та різниця густини соку та частинок. Відходи виводяться з цеху та виводять з виробництва разом з відходами при пресуванні. Сік після проціджування потрапляє на підігрівання, де він нагрівається до 40–450
С для того, щоб на наступній стадії ферментації пройшла краща взаємодія ферментів з соком. Сам процес ферментації проходить недовго, приблизно одна або півтори години. Для того щоб сік не був темний додають пектолітичні ферменти в кількості 0,01–0,03%, до маси соку при температурф 40–450
С. Далі сік надходить на наступну операцію – випарювання, яке проводиться в 2-х корпусній випарній установці. Сік потрапляє в перший корпус де він обробляється гострою парою температурою 1110
С, при цьому температура соку 101–1030
С, час 15 – 20 хв, далі він поступає на другу колону де пар 890
С, температура соку 930
С. Після того як сік пройшов випарну установку він надходить на зберігання в емальовані збірники і зберігається на відкритому повітрі, також в автоцистерни для харчових продуктів з нержавіючої сталі по
ГОСТ 9218, контейнери-цистерни по діючим стандартам до 60м3
та резервуар до 30м3
. Внутрішня частина резервуарів повинна бути виготовлена з матеріалів, дозволених Мінздравом для контакту з харчовими продуктами, або мати захисне покриття. Такий сік зберігається при температурі не вище 100
С і відносній вологості 75% – 1рік.
Розрахунки
Матеріальний баланс
W2
W1
DKК
SnXn(Sn-W1) X1 (Sn-W1-W2) Xk
Визначення продуктивності установки
Кількість води, 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
Розподіл концентрації розчину по корпусам установки залежить від відношення навантаження за випареною водою у кожному корпусі апарату.
Приймаємо, що продуктивність по випарюваній воді розподіляється між корпусами у відношенні, [2, Ст. 87]:
Таким чином:
,
Розраховуємо концентрації розчину у корпусах [1, Ст. 66, V.16]:
Тепер знаходимо середні концентрації розчину по корпусах:
в першому корпусі:
в другому корпусі:
Густину яблучного сока в першому корпусі, при температурі кипіння t=1050
C, знаходимо за формулою:
де Т – температура кипіння розчину, 0
С;
Густина яблучного соку в другому корпусі, при температурі кипіння t=910
С:
Оптимальну висоту рівня рідини в трубках знаходимо за формулою [1, Ст72, V.46]:
де Нтр
– висота трубок, м;
Тиск стовпа 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;
Знаходимо h за формулою [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
Тиск вторинної пари:
Pвт
1=0,106 мПа; Pвт
2=0,053 мПа;
Тиски яблучного соку біля середини гріючих труб – в першому корпусі:
Pср
1=Pвт
1+=0,106+0,023=0,129 мПа
В другому корпусі:
Pср
2=Pвт
2+=0,053+0,026=0,079 мПа
Температурні втрати внаслідок гідростатичної депресії – в першому корпусі:
мПа; мПа;
Загальні втрати внаслідок гідростатичного ефекту:
0
С
Загальні втрати температур між корпусами:
0
С
Втрати температури внаслідок фізико-хімічної депресіїзнаходимо за формулою [1, Ст87, V.62]:
0
С
0
С
Загальні втрати внаслідок фізико – хімічної депресії:
0
С
Температурні втрати при випарювані яблучного соку
| І корпус | ІІ корпус | Температури загальних втрат установки |
| 0
С |
0
С |
0
С |
| 0
С |
0
С |
0
С |
| 0
С |
0
С |
0
С |
Корисна різниця температур для всієї установки 0
С,
0
С
0
С
Перевіряємо результат:
0
С
Температура кипіння соку біля середини гріющих труб
tcp
1=tn-
в першому корпусі:
tcp
1=111–12.9=98.10
C
в другому корпусі:
tcp
2=100–18.5=81.50
C
Температура кипіння біля верхнього шару в першому корпусі:
tp
1= tcp
1-=98.1–2.75=95.350
C
в другому корпусі:
tp
2=81.5–5.75=75.750
C
Температура гріючої пари у другому корпусі:
tn=94.65–1=93.650
C
Тепловий розрахунок
Тепловий баланс
Q4
Q1Q6
Q2Q5
Q3
При тепловому розрахунку БВУ тепловий баланс складається для кожного корпусу окремо:
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 квасного сусла, Вт; Q4
- – тепло, що виходить з 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
Коефіцієнт теплопередачі розраховуємо за формулою, для першого корпуса:
Визначення теплового навантаження
Розраховуємо коефіцієнт випарювання за формулою [1, Ст66, V.18]:
де – ентальпія відповідно гріючого пара, конденсату і вторинного пара, Дж/кг;
для першого корпуса:
для другого корпуса:
Розраховуємо коефіцієнт само випаровування за формулою [1, Ст66, V19]:
де tpi
– температура кипіння? 0
C;
Сw
Сp
– теплоємність розчинника і розчину, Дж/(кгК)
для першого корпуса:
для другого корпуса:
Сумарні розрахунки коефіцієнтів які входять до складу рівнянь І.А. Тищенка, знаходимо за формулами:
Х=2 -=2–0,03=1,97
Z=1
Для розрахунку 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 теплові перепади h1=503800Дж/кг; h2=109439Дж/кг
Коефіцієнт інжекції розраховуємо за рівнянням [1, Ст76, V.88], при А=0,81
;
де h1 – адіабатичний тепловий перепад;
Ентальпія пари, що виходить із інжектора при тиску 58039 згідно формулі [1, Ст76, V.89]:
де – ентальпія відносно робочого і вторинного пара;
Проведемо на і-s діаграмі лінію для даного значення ентальпії і знаходимо
| Параметри | І – корпус | ІІ – корпус |
| Концентрація соку В, % | 10 | 40 |
| Температура граючої пари tn,0
С |
111 | 93,65 |
| Полезна різниця температур,0
С |
12,9 | 18,5 |
| Температура кипіння розчину біля середини гріючих труб tср,0
С |
98,1 | 81,5 |
| Гідростатичні втрати ,0
С |
2,75 | 5,75 |
| Температура кипіння розчину біля верхнього рівня tр, 0
С |
95,35 | 75,75 |
| Депресійні втрати ,0
С |
0,7 | 1,4 |
| Температура вторичної пари tвm, 0
С |
94,65 | 74,35 |
| Втрати температури по корпусах С, 0
С |
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 лінію для даного значення ентальпії і знайдемо =94400Дж/кг. При такому значені:
а ентальпія:
Приймаємо для подальших розрахунків коефіцієнт інжекції U=0,872, витрата гострої пари згідно рівняння [1, Ст76, V.80]:
Кількість вторинної пари що поступає на інжекцію знаходимо за формулою [1, Ст75, V.79]:
Якщо вести упарювання без інжекції, то витрата пари в першому корпусі становить:
Кількість граючої пари що іде в перший корпус знаходимо за формулою[1, Ст80, V.81]:
А кількість води випариної в першому корпусі – із рівняння [1, Ст80, V.81]:
Кількість граючої пари у другому корпусі згідно рівняння:
Кількість води випареної у другому корпусі складає:
Загальна кількість води випареної в двох корпусах:
Кількість теплоти, що передається через поверхню нагріву першого корпуса:
Розрахунок поверхні теплопередачі
Поверхня теплопередачі першого корпуса:
Конструкційний розрахунок
Число трубок
Діаметр внутрішньої трубки d=0,04 м
Діаметр зовнішньої трубки dз
=0,043 м, тоді
Де t – крок між трубами,
K – коефіцієнт використання трубної дошки, К=0,7…0,9
dц
Dk=
Товщина трубної решітки, стальної
Об’єм простору вторинної пари
А – напруга парового простору, Приймаємо А = 1500 м3
/(м3
ч)
ρ – густина вториної пари = 0,2166 м3
/кг
= 0,08728 м3
/кг
W1=533 кг/год
W2=587 кг/год
V1
Приймаємо діаметр парового простору рівним діаметру корпуса апарата, знайдемо висоту:
Важливим показником роботи випарних установок є швидкість витання краплини в паровому просторі, час знаходження в ньому пари і швидкість пари.
Швидкість витання краплини:
Де – коефіцієнт опору який при Re< 500 дорівнює
dk – діаметр краплини
Re =
Швидкість пари в над соковому просторі:
Для нормальної роботи установки, необхідно, щоб дотримувалась умоваvв>vn
Патрубки розраховуємо за формулою
Де G – кількість рідини
w – швидкість руху рідини
для входу розчину в апарат:
Для виходу розчину з апарату:
Для входу грійної пари:
Для входу вторинної пари:
Для виходу 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 місцевого опору, w – швидкість руху рідини.
Коефіцієнт опору тертя при ламінарному русі потоку (Re<2320) знаходять за формулою: ;
При 2320 < Re<4000
При турбулентному русі в гідравлічно гладких трубах
(4000 < Re < 20)(Re<105
) або
де - відношення діаметра трубопроводу до середньої висоти виступів шорсткості. При турбулентному русі в гідравлічно шорстких трубах (20<Re<500), коефіцієнт залежить від критерію Рейнольда і від шорсткості труб, його можна визначити за формулою:
або
Для наближення розрахунків можна приймати наступні значення абсолютної шорсткості: труби стальної нові – 0,06–0,1
Визначаємо коефіцієнт Рейнольда ;
- знаходимо за формулою ;
- в’язкість соку.
С – концентрація, t – температура соку.
Отже 20Re<500
Використовуємо формулу
,
Розрахунок теплової ізоляції
Товщину теплової ізоляції знаходимо із рівності питомих теплових потоків через шар ізоляції від поверхні ізоляції в навколишнє середовище
Де - коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні ізоляційного матеріалу в навколишнє середовище Bm/(м2
К)
tcm2 – температура ізоляції зі сторони навколишнього середовища; для апаратів які працюють у закритому приміщені, вибирають в межах 35–450
С,
tcm1 – температура ізоляції зі сторони апарата, приймають рівною температурі граючої пари tr1, тому, що термічний опір стінки апарату в порівнянні з термічним опором шару ізоляції незначний, tв – температура навколишнього середовища, - коефіцієнт термопровідності ізоляційного матеріалу
Розрахуємо товщину теплової ізоляції для першого корпусу
Приймаємо товщину теплової ізоляції 0,036 м і для другого корпуса.
Техніко-економічний показник роботи апарата
Вартість 1м2
поверхні теплообміну
Вартість 1м2
поверхні стінки
1кВт електроенергії = 60 коп.=0,6 грн-Се
Площа стінки
Вартість стінки
Вартість поверхні теплообміну
Річні амортизаційні витрати
Де N – Потужність насосу кВт,
Се – Вартість 1кВт/год електроенергії
– Кількість годин роботи випарної установки
– коефіцієнт амортизації = 0,48
3040,08=24
Річні амортизаційні витрати
105200,08=841,6 грн/рік
841,6+24=865 – сумарні амортизаційні витрати річні
10520+304=10824 грн
10824+865=11689 грн
Умови безпечної експлуатації спроектованого апарата і питання екології
Експлуатація випарних установок ведеться згідно з інструкцією, яку затвердив головний інженер підприємства.
1) Зовнішній огляд проводиться один раз на рік;
2) Внутрішній огляд проводиться один раз у три роки;
3) Гідравлічне випробування проводиться раз на 6 років;
Способи очистки залежать від виду і ступеня завантаження.
1) Механічний – для очистки мілких та твердих осадків і накипів;
2) Хімічний – апарат заповнюють хімічним реактивом з послідуючою промивкою
3) Гідравлічний – для видалення неприлипаючих відкладень;
4) Термічний – для дуже твердих накипів.
Для апарату заводиться книжка для реєстрування результатів.
Обслуговуючий персонал повинен добре вивчити склад апарату. категорично забороняється підвищувати тиск і температуру вище допущеної норми. Необхідно слідкувати за фланцевими з΄єднаннями. Огляд і ремонт внутрішніх частин апарату
допускається тільки після його охолодження до температури 300
С. Для затяжки болтів не дозволяється використовувати гаєчні ключі, в яких зев більше розміру головки болта або гайки.
Експлуатація апарату, що застосовується у даній технологічній схемі, повинна враховувати основні принципи екологізації виробництва – проникнення екологічних нововведень у виробництво, екологічна модернізація виробництва. Екологізація виробництва може проводитися різними шляхами: впровадження раціонального природокористування (заощадження природних ресурсів, економія витрат сировини, палива тощо) та проникненням екологічних нововведень у промисловість (комплексне перетворення сировини та утилізація відходів виробництва, мінімалізація відходів, використання нетрадиційних джерел енергії використання продуктів перероблення як вторинної сировини, тобто перетворення забруднювальних у корисні продукти).
У результаті екологізації виробництва отримують модель технологічної лінії з поліпшеними еколого-економічними характеристиками.
Обслуговуючий персонал повинен проходити екологічне навчання, яке підвищує інтелектуальний потенціал та забезпечує свідоме ставлення персоналу до вирішення екологічних завдань модернізації виробництва [7. с. 333]
Література
1.Малежик І.Ф., Циганков П.С. Процеси і 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 харчових виробництв: Метод. вказівки. – К.: НУХТ, 2002 – 64 с.
4.Стабников В.Н. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств. К.: Выща шк., 1982. – 199 с.
5.Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по 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