Выпарная двухкорпусная установка для концентрирования сахарного раствора

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Уральская Государственная сельскохозяйственная академия

инженерный  факультет

кафедра пищевой инженерии

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине: «Процессы и аппараты пищевых  производств»

на тему: «Выпарная двухкорпусная установка для концентрирования сахарного раствора»

 

Пояснительная записка

110303.00.00.00.022 ПЗ

 

 

 

 

 

 

Исполнитель студент группы МП-3	Симанов А.В.
Руководитель проф.	Минухин Л.А.

 

 

 

Екатеринбург 2012

Содержание

 

 

 

Введение

Выпаривание –  процесс концентрирования растворов  твердых нелетучих   или   мало летучих   веществ путем удаления  жидкого летучего растворителя. Выпаривание обычно происходит при кипении, т.е. в условиях,  когда давление  пара  над раствором равно давлению  в рабочем объеме аппарата.

В промышленности обычно выпаривание проводят при  кипении раствора.

При выпаривании  растворов твердых веществ в ряде пищевых производств   достигают  насыщения  раствора,  при   дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, в результате которой выделяется растворенное вещество.

Выпаривание применяют  для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.

Процесс выпаривания  широко используют в сахарном и консервном производстве при концентрировании сахарных томатных соков, молока и др.

В пищевой технологи выпаривают, как правило, водные растворы .

Выпаривание проводят в выпарных аппаратах. Процесс выпаривания может проводиться непрерывно и периодически. Аппараты периодического действия используются в основном в производствах малого масштаба.

Выпаривание осуществляют как под вакуумом, так и при атмосферном и избыточным давлениях.

В данной курсовой работе предложено рассчитать выпарной аппарат с естественной циркуляции, Процесс выпаривания происходит при температуре 100°С, а, следовательно, при атмосферном давлении. Рабочей средой является сахарный раствор. В ходе конструирования аппарата необходимо разработать аппаратно-технологическую схему процесса, а так же повысить экономический эффект, уменьшив энергопотери при помощи высокотехнологичных теплоизоляторов с низким коэффициентом теплопроводности, использовать вторичный пар в качестве рабочей среды подогревателя.

 

1. Сравнительный анализ современных выпарных аппаратов и установок

Теплообменники – устройства, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами.

В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые реакции: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение, затвердевание и сложные комбинированные процессы.  Теплообменные аппараты применяются практически во всех отраслях промышленности и, в зависимости  от назначения,  называются  подогревателями,  испарителями, конденсаторами,   регенераторами,   парообразователями,   кипятильниками, выпарными аппаратами и т.д.

В зависимости  от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные, жидкие и твердые среды.

Установки, состоящие  из одиночного аппарата вторичный пар, из которого не используется (при выпаривании  под атмосферным давлением или  при разряжении) или используется вне аппарата, называются однокорпусными выпарными установками.

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединённых друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого   корпуса  к  последнему.  В  таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Образующийся в первом корпусе вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже и т.д., вторичный пар из последнего   корпуса   поступает   в   конденсатор   или   используется   вне установки.

Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), это позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.

Устройство  выпарных аппаратов

Наибольшее  распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб. Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

1. кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;
2. сепаратор – пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в сепараторе составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников.

 В зависимости  от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

1.     Выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

2.     Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

3.     Выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

4.     Плёночные выпарные аппараты.

1.1. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора

Принципиальная  конструктивная схема выпарного  аппарата с естественной циркуляцией  раствора представлена на рисунке 1.

Выпарной аппарат  состоит из сепаратора 1, греющей  камеры 2 и циркуляционной трубы 3.

а - с соосной греющей камерой; б - с вынесенной греющей камерой;

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба.

Рисунок 1. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора

Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с  эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают отбойники различной конструкции, Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубного теплообменника, в межтрубное пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубах кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.

Естественная  циркуляция возникает в замкнутой  системе, состоящей из не обогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в этих самой жидкости.

Таким образом, масса столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы - паровое пространство - циркуляционная труба - труба и т.д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.

Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 10 °С.

Выпарные аппараты данной конструкции имеют площадь  поверхности теплопередачи от 10 м² до 1200 м²_; длину кипятильных труб от 3 до 9,м в зависимости от их диаметра. Избыточное давление в греющей камере 0,2... 1,6 МПа, а в сепараторе вакуум примерно 93,0 кПа.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией характеризуются  простотой конструкции и легкодоступны  для ремонта и очистки.

1.2. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора

Принципиальная  конструктивная схема выпарного  аппарата с принудительной циркуляцией  раствора представлена на рисунке 2.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи. Циркуляция жидкости производится насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений. Давление в низу кипятильных труб больше, чем вверху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Из-за этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико. Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 1,5..,3,5 м/с. Она определяется производительностью циркуляционного насоса, поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3...5 °С) и при выпаривании растворов большой вязкости. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией имеют площадь поверхности теплопередачи от 25 до 1200 м² длину кипятильных труб от 4 до 9 м в зависимости от их диаметра. Избыточное давление в греющей камере составляет от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе - 93,0 кПа.

а - с соосной  греющей камерой; б - с вынесенной греющей камерой;

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба; 4 - насос.

Рисунок 2. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора

 

Преимущества  аппаратов с принудительной циркуляцией: высокие коэффициенты теплопередачи (в 3 - 4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а следовательно, и значительно меньшие площади поверхности теплопередачи при той же производительности, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур. Недостаток этих аппаратов - затраты энергии на работу насоса.

Применение  принудительной циркуляции целесообразно  при изготовлении аппарата из сравнительно дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

1.3. Пленочные выпарные аппараты

Пленочные аппараты бывают с восходящей пленкой и  соосной или вынесенной греющей  камерой и падающей пленкой и  соосной или вынесенной греющей камерой. Принципиальные конструктивные схемы данных конструкций представлены на рисунке 3.

Пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании растворов, чувствительных к высоким  температурам. При необходимом времени  пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается.

а - с восходящей плёнкой и соосной греющей  камерой; б - с падающей плёнкой и  вынесенной греющей камерой; 1 - сепаратор; 2 - греющая камера.

Рисунок 3. Плёночные выпарные аппараты

Выпаривание в  пленочных аппаратах происходит за один проход раствора через трубы.

Пленочные аппараты, как  и описанные выше, состоят из греющей  камеры и сепаратора. В греющей  камере расположены трубы длиной от 5 до 9м, которые обогреваются греющим  паром.

Пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой  и соосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20...25% высоты труб. В остальной части труб находится  парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходит турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.

Выпарной аппарат  с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах  исходный раствор поступает сверху в греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора.

Пленочные выпарные аппараты изготовляют с площадью поверхности теплопередачи от 63 до 2500м с диаметром труб 36 и 57мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МП а, а вакуум в сепараторе 93,0 кПа.

Недостаток пленочных аппаратов - неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара и раствора. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Для выпаривания  вязких и термолабильных растворов в последние годы получают широкое применение пленочные роторные аппараты. Цилиндрический корпус аппарата 1 состоит, как правило, из нескольких секций с нагревательными паровыми рубашками 3, в которые через патрубки 10 подается греющий пар и выводится конденсат. Внутри аппарата на вертикальном вращающемся валу 5 закреплены лопатки 2 с зазором к внутренней нагреваемой поверхности. Вал приводится во вращение от электродвигателя 6 через клиноременную передачу 7. Раствор на выпаривание подается через патрубки 9 в верхней нагревательной части аппарата и стекает по внутренней поверхности. Лопатки 2 выравнивают толщину слоя раствора и перемещают его сверху вниз. Образующийся вторичный пар по свободной центральной полости аппарата перемещается вверх в сепаратор 8 и выводится из аппарата. Концентрированный раствор накапливается в нижней конической части аппарата и выводится через патрубок 4. Известны две модификации аппаратов: с лопатками, жестко закрепленными на валу, тогда толщина слоя ограничивается зазором между лопаткой и внутренней поверхностью корпуса и не может изменяться в процессе выпаривания; в других аппаратах лопатки шарнирно закреплены на валу и прижимаются к внутренней поверхности центробежной силой. При этом, изменяя скорость вращения, можно влиять на величину зазора или степень прижатия лопаток к поверхности. В этих аппаратах можно выпаривать даже кристаллизующиеся растворы, соскребая их лопатками. Главное преимущество пленочных роторных аппаратов — малая продолжительность контакта выпариваемого раствора с нагретой поверхностью.