Материал: Трехкорпусная вакуум-выпарная установка для концентрирования дрожжевой суспензии

Для выпаривания растворов небольшой вязкости - около 8 ∙ 10^-3 Па/с без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка 0,1 Па/с, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже - в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

. Технологическая часть

.1 Выбор конструкционного материала аппарата

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaNO3 в интервале изменения концентраций от 10 до 27 %. В этих условиях подходит сталь марки X17 с коэффициентом теплопроводности λст = 25,1 Вт/м˚К. Скорость коррозии ее менее 0,1 мм/год.

.2 Технологические расчеты

Основные условные обозначения:

с - теплоемкость, Дж/(кг·К);- теплота парообразования кДж/кг;- диаметр, м;, t - температура, град;- расход греющего пара, кг/с;

α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);- ускорение свободного падения, м/с2;

ρ - плотность, кг/м3;- высота, м;μ - вязкость, Па·с;- энтальпия пара, кДж/кг;λ - теплопроводность, Вт/(м·К);- энтальпия жидкости, кДж/кг;

σ - поверхностное натяжение, Н/м;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К);

Р - давление, МПа;- критерий Рейнольдса;- критерий Нуссельта;- критерий Прандтля;- тепловая нагрузка, кВт;- удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

Индексы:

, 2, 3 - первый, второй, третий корпус выпарной установки;

ж - жидкая фаза;

бк - барометрический конденсатор;

к - конечный параметр;

н - начальный параметр;

в - вода;

вп - вторичный пар;

г - греющий пар;

ср - средняя величина;

ст - стенка.

Расчет выпарного аппарата

Определение общее количество выпаренной воды в установке:

1.      Расчет концентрации упариваемого раствора по корпусам.

На основании практических данных производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

Тогда количество выпаренной воды будет следующим:

корпус: 2 корпус:3 корпус:

Концентрация растворов в корпусах:

корпус:

корпус:

корпус:

.        Определение температуры кипения раствора по корпусам

Распределение давлений по корпусам установки

Общий перепад давлений в установке:

Распределим общий перепад давлений между корпусами поровну:

Абсолютные давления по корпусам будут равны

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии.

Значения температуры и энтальпии в соотношении с давлением взяты из таблицы соответствующих значений для водяного пара.

Определение гидравлической депрессии. На основании практических рекомендаций принимаем гидравлическую депрессию для каждого корпуса Δ’’’ = 1 град, тогда температуры вторичных паров, давления и теплоты парообразования их в корпусах будут иметь следующие значения:

Таблица

Сумма гидравлических депрессий:

Определение гидростатической депрессии. Давление в среднем слое кипятильных труб p_ср определяется по уравнению

Для выбора высоты трубы  необходимо ориентировочно определить площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата F_ор, выбрать параметры аппарата по ГОСТ 11987-85. Площадь поверхности теплопередачи ориентировочно определяется по формуле:

Принимает для аппаратов с естественной циркуляцией q = 30000 Вт/м².

Тогда по корпусам (ориентировочно):

Принимаем по ГОСТ 11987-85 выпарной аппарат с площадью поверхности теплопередачи 100 м², длиной труб 5 м, диаметром труб 38 × 2 мм. Таким образом, значения давления в среднем слое кипятильных труб будут следующими:

Плотности растворов и воды в каждом корпусе взяты при t_в.п в них.

Полученным данным соответствуют следующие температуры кипения:

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам:

Сумма гидростатических депрессий будет равна

Определение температурной депрессии. Температурная депрессия по корпусам при атмосферном давлении определяется по табличным данным:

Температурная депрессия по корпусам с учетом давления в них определяется по формуле

Сумма температурных депрессий будет

Температура кипения раствора по корпусам:

Определение полезной разности температур. Общая полезная разность температур определяется по формуле:

В данном случае, подставляя значения, получаем

Полезные же разности температур по корпусам будут равны

Определение тепловых нагрузок по корпусам. Исходные данные для расчета

Таблица

Решая систему уравнений, определяем расход греющего пара в первый корпус, количество выпаренной воды из каждого корпуса, а также тепловые нагрузки по корпусам:

Итогом системы уравнений становится: G_г.п = 1,2 кг/с, W₁ = 1 кг/с, W₂ = 1,11 кг/с, W₃ = 1,21 кг/с.

Так как расхождения между вычисленными значениями нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе и предварительно принятыми не превышает 3%, не будем пересчитывать параметры процесса.

Рассчитываем тепловые нагрузки по корпусам:

Определение коэффициентов теплопередачи. Коэффициент теплопередачи по корпусам определяют по следующему уравнению:

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде раствора дрожжевой суспензии в интервале концентраций от 15 до 25% и температур от 105 до 120 градусов. В этих условиях химически стойкой является сталь марки X18H10T с теплопроводностью λ_ст = 16,4 Вт/(м ∙ К).

Примем суммарное термическое сопротивление равным термическому сопротивлению стенки λ_ст/δ_ст и накипи λ_н/δ_н. Термическое сопротивление со стороны пара учитывать не будем.

Принимая для всех корпусов толщину слоя накипи δ_н = 0,5 мм, λ_н = 3,05 Вт/(м ∙ К), получаем:

С достаточной степенью точности для расчета можно принять температуру пленки конденсата в греющих камерах выпарных аппаратов равными температурам конденсации греющего пара.

Тогда в соответствии с нижеуказанной таблицей:

Коэффициент теплоотдачи α₁ от конденсирующегося водяного пара к стенкам вертикальных труб в греющих камерах выпарных аппаратов определяется по уравнению:

Коэффициент теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору α₂ определяется по уравнению:

Необходимые для определения этого коэффициента физико-химические свойства дрожжевой суспензии и водяного пара при температуре кипения приведены в данной таблице: