Экстрактор

По техническому заданию выпарной аппарат установлен в линии по производству сухого бульона, т.к. производительность по исходному  сырью составляет 0,32кг/с, а концентрированный  бульон является промежуточным продуктом, с целью увеличения коэффициента теплопередачи используется однокорпусный выпарной аппарат с трубчатой поверхностью нагрева и центральной циркуляционной трубой.

Данный  аппарат с циркуляцией раствора включают в себя греющую камеру, циркуляционную трубу, сепаратор и брызгоуловитель (в верхней части сепаратора). Циркуляционная труба может быть размещена в основной (центральной) части греющей камеры или отдельно от греющей камеры.

 

 

 

 

 

 

 

2. Требования, предъявляемые к выпарным аппаратам.

Целесообразно построенный аппарат должен удовлетворять  эксплуатационным, конструктивным, эстетическим, экономическим требованиям и требованиям техники безопасности.

2.1Эксплуатационные требования

Соответствие аппарата целевому назначению. Целевое назначение аппарата заключается в создании им условий, оптимальных для проведения процесса.

2.2Высокая интенсивность работы аппарата.

Интенсификация  может быть достигнута, например, путем  замены периодических процессов  непрерывными: при этом ликвидируются затраты времени на вспомогательные операции, становится возможной автоматизация управления. Также можно увеличить площадь теплообмена путем увеличения трубок и т.д.

2.3Устойчивость материала аппарата против коррозии. Материал, из которого построен аппарат, должен быть устойчивым при воздействии на него обрабатываемых сред. В свою очередь, продукты взаимодействия среды и материала не должны обладать вредными свойствами в том случае, если продукт используется для питания.

2.4Малый расход энергии. Энергоемкость аппарата характеризуется расходом энергии на единицу перерабатываемого сырья или выпускаемой продукции.

2.5Доступность для осмотра, чистки и ремонта. Для правильной эксплуатации аппарата его подвергают систематическим осмотрам, чистке и текущему ремонту. Конструкция аппарата должна обеспечивать возможность производить эти операции без длительных остановок.

2.6Надежность аппарата обусловливается его безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью. Надежность и долговечность — показатели, имеющие большое значение и определяющие целесообразность устройства аппарата.

2.7Требования техники безопасности. Эргономика

Для удобства обслуживания аппарата и наблюдения за процессом предусмотрена лестничная площадка.

Для удобства обслуживания управление аппаратом  должно производится из одного пункта, где установлен пульт управления.

Также должны быть обеспечены высокие санитарно-гигиенические условия, предотвращающие возможность инфицирования продукции или загрязнения ее продуктами воздействия среды и материала, из которого построен аппарат.

2.8Конструктивные и эстетические требования

К этой группе относятся стандартность и заменяемость деталей аппарата; наименьшая трудоемкость при сборке; удобство транспортирования, разборки и ремонта; минимальная масса как всего аппарата, так и его отдельных частей.

Рассмотрим  требования, предъявляемые к массе  аппарата. При конструировании аппаратов цилиндрической формы следует выбирать такое отношение высоты к диаметру. Расход металла может быть уменьшен также при замене плоских крышек выпуклыми, клепаные конструкции заменяют сварным.

Аппарат должен иметь по возможности приятную для взгляда форму и окраску.

2.9Экономические требования

При проектировании аппарата необходимо стремиться к тому, чтобы процесс, протекающий в нем, осуществлялся в оптимальном варианте. Задача оптимизации заключается в том, чтобы выбрать такой вариант, при котором величина, характеризующая работу аппарата (критерий оптимальности), имела оптимальное значение. В качестве критерия оптимальности выбирается стоимость продукции.

 

 

3.Описание конструкции аппарата, выбор материалов для его изготовления.

 

Греющий пар (ГП) попадает в межтрубное пространство в верхней его части (патрубок d=114мм). Пар конденсируясь на поверхности трубок и циркуляционной трубе  обогревает продукт.

Продукт попадает в аппарат через патрубок d=25мм. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, поэтому кипящий продукт движется по по кипятильным трубкам вверх. Движение бульона вниз происходит в циркуляционной трубе, в ней жидкость в силу большого объема, а следовательно холоднее кипящей.

Для всех деталей аппарата не контактирующие с продуктом выбирается сталь Ст3, а для остальных деталей принимаем сталь 12Х18Н10Т.

рис1.Общий вид выпарного аппарата

Вторичный пар выходит из аппарата через  патрубок в крышке аппарата. При  этом во избежание попадания конденсата вторичного пара в кипящую жидкость ставят конденсатор с которого он стекает в улавливатель. Конденсатор приваривается к крышке аппарата с помощью лап крепления.

Подвод  теплоты к раствору, кипящему в  трубах греющей камеры, осуществляется за счёт подачи в межтрубное пространство конденсирующегося водяного пара. Сепаратор  служит для разделения парожидкостной смеси, выходящей из нагревательных труб, на раствор и пар. Для более полной очистки вторичного пара от уносимых им капель раствора в  верхней части сепаратора устанавливается брызгоуловитель.

Работа  простейшего брызгоуловителя основана на многократном изменении величины и направления скорости парового потока. Под действием инерционной силы капли жидкости достигают поверхности сепаратора и стекают вниз либо по стенкам, либо по специальной отводящей трубе.

Наличие циркуляционной трубы обеспечивает направленную естественную циркуляцию раствора: вниз по циркуляционной трубе  и вверх – по кипятильным трубам. Циркуляция обусловлена разностью  плоскостей парожидкостной смеси (в  кипятильных трубах) и раствора (в  циркуляционной трубе). Даже при центральном  расположении циркуляционной трубы  устанавливается достаточно интенсивная  естественная циркуляция за счёт разности плотностей.

Для труб с большим диаметром удельная поверхность теплопередачи меньше, а значит, меньше доля паров, образующихся при кипении раствора. Следовательно, плотность парожидкостной смеси  в широкой центральной циркуляционной трубе заметно больше, нежели в  узких нагревательных трубках.

 

 

 

4. Расчет аппарата.

4.1 Материальный расчет

Из уравнения  материального баланса определяем производительность аппарата по готовому продукту G2 (выход продукта) и количество испаренной влаги в процессе обработки продукта W:

4.2 Тепловой расчет

Из уравнения  теплового баланса процесса выпаривания  определяем расход пара:

где с  – теплоемкость продукта, кДж/(кг·К);

  – температура кипения продукта при Р₂, °С;(табл.11[1])

 r – теплота испарения при давлении в аппарате, кДж/(кг·К);

 – потери тепла в окружающую  среду, кВт

– энтальпия греющего пара и  конденсата кДж/кг;

Температура кипения продукта рассчитывается по формуле:

где: температура насыщения при давлении в аппарате

(по табл.11[1] = 93,51˚С):

 –  депрессии (из условия)

Потери  в окружающую среду принимаем 3-8% от .

Определяем  :

Расход  пара:

где - энтальпия пара и конденсата, соответственно, при заданном давлении в аппарате. (табл.11[1])

Удельный  расход пара:

 

 

Поверхность теплообмена:

K –коэффициент  теплопередачи;

– средняя разность температур.

Составляем  температурную схему нагрева  продукта от t_н до t_к конденсирующем паром с температурой t_п.

При 

Следовательно, ведем расчет по формуле:

=

Находим температуру пленки конденсата:

=(123,71+119,71)/2=121,71

Где

= - 123,71-4=119,71

 принимаем 4^oС

Коэффициент теплопередачи вычисляется по формуле:

где: – коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стене кипятильной трубы;

 – коэффициент теплопередачи  от трубы к продукту , ;

– вычисляется по формуле, :

;

где – высота трубы, равная 1,1м;

– разность температур стенки и  пара, принимаем 4°С;

 – динамический коэффициент  вязкости конденсата, равный 

= ρ*υ=941,68 0,24 10^-6=0,000226

где υ-кинематическая вязкость конденсата (табл.12[1]), м²/с

ρ – плотность  конденсата, равна 

ρ =943,1-(943,1-934,8)/10*1,71=941,68 кг/м³

 – теплопроводность конденсата, равная 0,686 Вт/(кг·К)

Теплоотдача при кипении изучена недостаточно. Поэтому коэффициент теплоотдачи  от стенки кипятильной трубы к  продукту может быть определен:

_{где Δt=tп-4-tкип=123,71-4-95,51=24,2}

Коэффициент теплопередачи равен:

Расчетный коэффициент теплопередачи с  учетом коэффициента использования  поверхности теплообмена φ,

Тогда общая  площадь теплообмена равна:

 

4.3 Конструктивный расчет

Из теплового  расчета известна площадь теплообмена, но с другой стороны:

где d – диаметр кипятильных труб;

 l – длина труб (выбрана 1,1м)

 n – количество труб.

Находим количество труб в аппарате:

принимаем общее число труб – 127шт.Труба dн=32мм, dв=27мм δ=2,5мм ГОСТ8732-70

Уточняем  длину труб

Вычисляем шаг между трубами:

_{Принимаем шаг равный 45мм}

Вычисляем диаметр циркуляционной трубы, он составляет 25-30 % от суммарного сечения всех кипятильных труб:

Диаметр корпуса аппарата вычисляется по формуле:

где – диаметр циркуляционной трубы;

  – коэффициент использования трубной решетки

  –угол равностороннего треугольника, образованного тремя трубками,

t –шаг между трубками;

 

Принимаем диаметр корпуса аппарата равным 0,6 м.

Объем парового пространства:

где W –  количество выпаренной воды, кг/с;

  – допустимое напряжение парового пространства;

Приближенно:

,

где – значение допустимого напряжения парового пространства ;

f₁ и f₂ – коэффициенты, зависящие от давления вторичного пара в паровом объеме и от уровня раствора над точкой ввода парожидкостной смеси.

Воды:   

4.4 Механический расчет аппарата

Толщина стенки корпуса:

м

где – внутреннее избыточное давление, (задано по условию),МПа;

  – допускаемое напряжение в МПа, (для стали марки Ст3 принимаем );

  – коэффициент прочности сварного шва

 с – прибавка на коррозию с=0,001м;

Принимаем стандартный листовой прокат ГОСТ8732-70:

Толщина стальной трубной решетки:

Принимаем толщину трубной решетки 15мм.

Находим высоту парового пространства по формуле:

_{т.к. Н≈2Dк, то Н=2 0,6=1,2м}

4.5 Расчет патрубков аппарата.

Патрубок  для подвода греющего пара:

Принимаем (табл.11[1]),значение (находим по таблице), тогда: