Трехкорпусная вакуум-выпарная установка для концентрирования дрожжевой суспензии

Курсовая работа

применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие. Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора. В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него. Выпаривание может проводиться под вакуумом, избыточным давлением и под атмосферным давлением. При выпаривании под вакуумом существуют несколько преимуществ:

  • Понижение температуры кипения раствора;
  • Увеличивается движущая сила процесса;
  • Возможно использования греющего пара более низкого давления;
  • Вакуумная выпарная установка должна содержать дополнительное оборудование: барометрический конденсатор, вакуум-насос, вакуумсборники.

Выпаривание при атмосферном давлении подразумевает, что вторичный пар выбрасывается в атмосферу, и этот способ выпаривания наименее экономичен.

При выпаривании под повышенным давлением температура раствора повышается (повышается температура вторичного пара), и его используют для других целей.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м2 в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

20 стр., 9504 слов

Расчет трехкорпусной выпарной установки

... выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие. Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор ...

В данном курсовом проекте для расчетов принята прямоточная трехкорпусная выпарная установка. Конструкция выпарного аппарата: с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. Выбор конструкции обусловлен малой вязкостью выпариваемого раствора, повышенной интенсивностью выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Установка предназначена для концентрирования дрожжевой суспензии. Дрожжи — одноклеточные грибы, являющиеся одним из самых богатых источников органического железа. Они представляют собой великолепный источник белка и превосходный источник натуральных витаминов группы В, один из богатейших источников органического железа, минеральных веществ, микроэлементов и аминокислот. Некоторые виды дрожжей с давних пор используются человеком при приготовлении хлеба, пива, вина, кваса и др. В сочетании с перегонкой процессы брожения лежат в основе производства крепких спиртных напитков. Полезные физиологические свойства дрожжей позволяют использовать их в биотехнологии. В настоящее время их применяют в производстве ксилита, ферментов, пищевых добавок, для очистки от нефтяных загрязнений. Также дрожжи широко используются в науке в качестве модельных организмов для генетических исследований и в молекулярной биологии.

выпарной гидравлический дрожжевой суспензия

1. Аналитический обзор

1 Выпаривание

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара — некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.

Также выпаривание применяют для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным. Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

9 стр., 4133 слов

Процесс выпаривания

... При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в водонагревателях, для отопления теплиц и т.д. Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения раствора, поэтому ...

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях).

В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление).

Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров. Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.

Вторичной пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках).

Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

11 стр., 5158 слов

Схемы установок для выпаривания и конструкции выпарных аппаратов

... раствор удаляется через штуцер в днище аппарата. Если выпаривание производится под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом. Упаренный раствор удаляется из конического днища аппарата. Много корпусные выпарные ...

1.1 Многокорпусные выпарные установки

В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. Выше было показано, что в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам оного. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпусной выпарной установке. Как указывалось, принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.

Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса. Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе. Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель вакуум-насосом.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор. Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур греющего пара и кипящего раствора.

Вместе с тем, давление вторичного пара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно.

Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением.

2 Области применения выпарных аппаратов

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.

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:

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.

Давление, МПа Температура, °С Энтальпия, кДж/кг
0,3 133 2730
0,205 121 2712
0,115 108 2680
0,015 54 2596

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

Температура, °С Давление, МПа Теплота парообразования, кДж/кг
t в. п1 = 121 + 1 = 122 0,21 2200
t в. п2 = 108 + 1 = 109 0,11 2500
t в. п3 = 54 + 1 = 55 0,015 2370

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/м 2 .

Тогда по корпусам (ориентировочно):

Принимаем по ГОСТ 11987-85 выпарной аппарат с площадью поверхности теплопередачи 100 м 2 , 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:

Давление, МПа Температура кипения, °С Теплота парообразования, кДж/кг
0,22 124 2196
0,12 105 2248
0,05 81 2307

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам:

Сумма гидростатических депрессий будет равна

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

Корпус Концентрация, % Температура кипения, °С Депрессия, °С
1 15 105 5
2 20 110 10
3 25 120 20

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

Корпус 2 3
Количество исходного раствора, кг/с 8,3 4,9 4,1
Концентрация исходного раствора, % 15 17,1 20,1
Температура исходного раствора, °С 120 129,8 118,82
Температура упаренного раствора, °С 129,8 118,82 107,59
Теплоемкость исходного раствора, Дж/(кг∙К) 4049 4045 38,35
Энтальпия вторичного пара, Дж/кг 2712 ∙ 10 3 2680 ∙ 10 3 2596 ∙ 10 3
Теплота парообразования греющего пара, Дж/кг 2182 ∙ 10 3 2204 ∙ 10 3 2179,5 ∙ 10 3

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 стст и накипи λнн. Термическое сопротивление со стороны пара учитывать не будем.

Принимая для всех корпусов толщину слоя накипи δ н = 0,5 мм, λн = 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 α 1 от конденсирующегося водяного пара к стенкам вертикальных труб в греющих камерах выпарных аппаратов определяется по уравнению:

Коэффициент теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору α 2 определяется по уравнению:

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

Параметр Корпус
1 2 3
Температура t, °C 129,81 118,82 107,59
Концентрация x, % 13,2 20,3 50
Теплопроводность раствора λ, Вт/(м ∙ К) 0,579 0,559
Плотность раствора ρ, кг/м 3 1029,2 1122,6 1432
Вязкость раствора μ, Па ∙ с 0,253 ∙ 10 3 0,437 ∙ 10 3 2,41 ∙ 10 3
Поверхностное натяжение σ, Н/м 69 ∙ 10 -3 77,8 ∙ 10 -3 128 ∙ 10 -3
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг ∙ К) 4075 3865 3202
Теплота парообразования r, Дж/кг 2082 ∙ 10 3 2141 ∙ 10 3 2207 ∙ 10 3
Плотность пара ρ п , кг/м3 3,424 2,12 1,12
Плотность пара при p = 10 5 Па 0,579

Определим коэффициент В по корпусам:

Коэффициент теплоотдачи α 1 при высоте труб l = 5м равен:

Расчет коэффициента теплопередачи приведен в таблице.