Выпарная установка для концентрирования квасного сусла

РЕФЕРАТ Отчёт о ДП: 80 страниц, 15таблиц, 20 источников информации, 4 приложения Ключевые слова: ВЫПАРНОЙ АППАРАТ, СЕПАРАТОР, ГРЕЮЩАЯ КАМЕРА, ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ОБЕЧАЙКА, ШТУЦЕР, ФЛАНЕЦ, КВАСНОЕ СУСЛО, ОПОРА, ТЕМПЕРАТУРНАЯ ДЕПРЕССИЯ, ЭЛЛИПТИЧЕСКОЕ ОТБОРТОВАННОЕ ДНИЩЕ Объектом исследования в данном проекте является выпарная установка для концентрирования квасного сусла.

Целью работы является изучение принципиальной схемы производства квасного сусла, изучение технологической схемы упаривания квасного сусла, расчёт материальных и тепловых потоков данной установки и выбор материала конструкции.

В результате работы разработана и спроектирована выпарная установка, произведены материальные и тепловые расчёты.

Правильная реализация аппаратурного оформления для выбранного метода обеспечивает высокое качество выпаривания, а прочностной расчёт — высокую надёжность и долговечность.

РЕФЕРАТ Звіт з ДП: 82 сторінки, 15 таблиць, 20 джерел інформації, 4 додатка Ключові слова: ВИПАРНИЙ АПАРАТ, СЕПАРАТОР, ГРІЮЧА КАМЕРА, ЦИЛІНДРИЧНА ОБІЧАЙКА, ШТУЦЕР, ФЛАНЕЦ, КВАСНЕ СУСЛО, ОПОРА, ТЕМПЕРАТУРНА ДЕПРЕСІЯ, ЕЛІПТИЧНЕ ОТБОРТОВАНЕ ДНИЩЕ Об'єктом дослідження в цій роботі є випарна установа для концентрації квасного сусла.

Метою роботи є вивчення принципової схеми виробництва квасного сусла, вивчення технологічної схеми випарювання квасного сусла, розрахунок матеріальних та теплових потоків цiй установи, проведення розрахунків на міцність та вибір матеріалу конструкції. В основу розрахунків на міцність покладені стандартні методики ДСТУ, ОСТУ.

В результатi роботи розроблена і спроектована випарна установа, проведені матеріальні та теплові розрахунки, а також розрахунок на міцність елементiв апарату.

Правильна реалізація апаратурного оформлення для вибраного методу забезпечує високу якість випарювання, а розрахунок на міцність — велику надійність та довготривалість.

THE ABSTRACT

Account of DP: 82 pages, 15 tables, 20 sources information, 4 appendices

Spring words: THE EVAPORATING DEVICE, THE SEPARATOR,

THE HEATING CHAMBER, CYLINDRICAL OBECHAICA, THE UNION, THE FLANGE, CVASNOE THE MASH, THE SUPPORT, TEMPERATURE DEPRESSION, ELLIPTIC SELECTION THE BOTTOM

Object of research in the given work is evaporating installation for concentration cvasnogo mashes.

The purpose of work is studying the basic circuit of manufacture cvasnogo mashes, studying of the technological circuit uparivanya cvasnogo mashes, calculation of material and thermal streams of the given installation, carrying out strongest calculations and a choice of a material of a design. Standard technigues are put in a basis strongest calculations GOST, OST.

As a result of work evaporating installation is developed and designed, material thermal calculations, and also strongest calculation of elements of the device are made.

Correct realization of hardware registration for the chosen method provides hign quality of evaporation, and strongest calculation — hign reliability and durability.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Характеристика и назначение концентратов квасного сусла и кваса

1.2 Технология концентратов квасного сусла и кваса

1.3 Целесообразность использования концентратов квасного сусла и кваса для повышения эффективности производства и улучшения качества продукции

1.4 Назначение и область применения установки

1.5 Техническая характеристика и требования к выпарной установке

1.5.1 Техническая характеристика выпарной установки

1.5.2 Состав установки

1.5.3 Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки

1.6 Описание и обоснование выбранной конструкции

1.6.1 Выбор схемы установки и типа аппарата

1.6.2 Описание схемы выпарной установки

1.6.3 Аппаратурное оформление выпарной установки

2. РАСЧЁТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И НАДЁЖНОСТЬ УСТАНОВКИ

2.1 Материальный и тепловой расчёты выпарной установки АВ1

2.2 Определение основных размеров технологического оборудования выпарной установки АВ1

2.2.1 Расчёт коэффициента теплопередачи выпарного аппарата АВ1

2.2.2 Определение поверхности нагрева выпарного аппарата АВ1

2.2.3 Определение конструктивных размеров выпарного аппарата АВ1

3. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ

4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА УСТАНОВКИ

5. ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА

6. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

В промышленности применяются однокорпусные и многокорпусные выпарные установки. Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки непрерывного действия, состоящие из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Использование вакуума позволяет снизить температуру кипения раствора и увеличить полезную разность температур, следовательно, уменьшить поверхность теплообмена; кроме того, даёт возможность использовать в качестве греющего агента, помимо первичного пара, вторичный пар самой установки.

В данной работе разработан проект оборудования выпарной установки АВ1 для концентрирования квасного сусла мощностью 3,3 т/ч по испаряемой воде.

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Характеристика и назначение концентратов квасного сусла и кваса

Одним из наиболее рациональных способов производства кваса является приготовление его из концентрата квасного сусла, что позволяет значительно снизить потери сухих веществ на производстве по сравнению с настойным способом и, что самое главное, — перевести производство кваса на индустриальную основу.

Концентрат квасного сусла представляет собой продукт, получаемый путём затирания с водой ржаного и ячменного солодов, ржаной или кукурузной муки, или свежепроросшего томлёного ржаного солода и ржаной муки с применением ферментных препаратов с последующим осахариванием, осветлением, сгущением полученного сусла в вакуум-аппарате и тепловой обработкой продукта.

Он предназначается для приготовления хлебных квасов и напитков из хлебного сырья, а также для приготовления концентратов кваса.

По внешнему виду — это вязкая густая жидкость тёмно-коричневого цвета, полностью растворимая в воде, кисло-сладкая на вкус (с незначительной горечью), имеющая аромат ржаного хлеба. Содержание сухих веществ 70 г на 100 г концентрата, кислотность 20 — 40мл н. раствора NаOH на 100 г концентрата.

В охлаждённом состоянии концентрат квасного сусла представляет собой густую малоподвижную массу, что затрудняет слив его из транспортной тары без предварительного подогрева.

Концентрат кваса выпускается трёх наименований: концентрат Русского кваса, концентрат Московского кваса и концентрат кваса.

Концентраты Русского и Московского кваса получают путём купажирования концентрата квасного сусла с сахарным сиропом и лимонной кислотой в первом случае и с молочной — во втором.

Концентрат кваса получают из концентрата квасного сусла с добавлением сахарного сиропа и молочной кислоты или затиранием сухого ржаного и ячменного солода с водой с последующим сгущением полученного сусла и добавлением в него сахара, колера и молочной кислоты.

Концентрат Русского и Московского кваса предназначается для приготовления кваса в производственных и домашних условиях, а концентрат кваса, получаемый из сухих солодов, — для домашних условий.

По внешнему виду концентрат кваса представляет собой вязкую жидкость, от светло — до тёмно — коричневого цвета, кисловато — сладкую на вкус, с ароматом ржаного хлеба, полностью растворимую в воде.

Содержание сухих веществ в концентрате Русского и Московского кваса должно быть в пределах 724 г /100г, в концентрате кваса — не ниже 57, кислотность всех концентратов 25 — 30 мл н. раствора NаОH на 100 г концентрата, содержание солей тяжёлых металлов, мышьяка и механических примесей не допускается.

1.2 Технология концентратов квасного сусла и кваса

На заводах нашей страны получили распространение два способа производства концентрата квасного сусла. Исходным сырьём для первого из них служит рожь, для второго — сухой ржаной и ячменный солод, кукурузная или ржаная мука.

Первый способ имеет две разновидности. По одной из них для производства концентрата используют свежепроросший ржаной томлёный солод в смеси с диастатическим, а по второй — свежепроросший диастатический солод с ржаной мукой. В обоих случаях применяют также ферментные препараты.

1.3. Целесообразность использования концентратов квасного сусла и кваса для повышения эффективности производства и улучшения качества продукции

Применение концентратов квасного сусла и кваса вместо квасных хлебцов или хлебоприпасов позволяет повысить содержание сухих веществ в квасном сусле, в результате чего сокращается расход сахара на производстве кваса. При этом физико — химические показатели кваса остаются в пределах, предусмотренными действующими стандартами, а органолептические показатели за счёт более высокого содержания в квасе экстрактивных веществ хлебного сырья значительно улучшаются.

Применение концентрата квасного сусла позволяет снизить потери сухих веществ на 15 -18% за счёт более полного извлечения экстрактивных веществ из исходного сырья по сравнению с настойным методом производства кваса.

Выработка концентратов квасного сусла и концентратов кваса на специализированных заводах упрощает механизацию и автоматизацию погрузочно — разгрузочных и транспортно — складских работ при разгрузке исходного сырья и отгрузке готовой продукции, что позволяет снизить трудовые и денежные затраты на производство продукции.

Кроме того, при производстве напитков из концентратов вследствие уменьшения объёмов исходного сырья значительно снижаются транспортные расходы и затраты на строительство складских помещений для хранения сырья.

Наряду с этим достигается значительная экономия материальных ресурсов за счёт: 1) ликвидации ряда технологических процессов (выпечка квасных хлебцев, дробление хлебцев и т. д.); 2) снижение расхода топлива, электроэнергии, холода на охлаждение сусла при производстве кваса; 3) сокращение стоимости технологического оборудования квасоваренных цехов.

При производстве Русского кваса, подлежащего пастеризации в целях последующего длительного хранения, должны предъявляться повышенные требования к качеству сырья, в том числе и к его микробиологической чистоте. Особое внимание должно уделяться соблюдению микробиологической чистоты производства и сохранению диоксида углерода в напитке.

Напиток «Русский квас» представляет собой насыщенный COводный раствор смеси сиропа, концентрата квасного сусла и лимонной кислоты или водного раствора концентрата «Русского кваса». Содержание сухих веществ в напитке 10 г на 100 г напитка, кислотность 3,5 мл н. раствора NaOH на 10 мл напитка, содержание CO — не менее 0,3% массовых.

Используемая для приготовления напитка «Русский квас» вода должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь запаха и постороннего привкуса. Недопустимо наличие в воде патогенных, ослизняющих и гнилостных бактерий.

1.4 Назначение и область применения установки

Установка выпарная плёночного типа для концентрирования квасного сусла производительностью 25 (212,5) тыс. т/год (далее выпарная установка) предназначена для выпаривания квасного сусла в производстве концентрата квасного сусла.

1.5 Техническая характеристика и требования к выпарной установке

При обеспечении заказчиком постоянных значений давления греющего пара, подаваемого на аппараты (выпарной и роторный) и на вакуум — насос пароэжекторный, расхода поступающего квасного сусла, расхода и температуры охлаждающей воды на конденсатор вертикальный вакуумный будет обеспечена работа выпарной установки с проектными технологическими параметрами.

Для получения производительности 25 тыс. т/год квасного сусла, выпарная установка комплектуется двумя нитками производительностью 12,5 тыс. т/год каждая. Разработка всего комплекта конструкторской документации и техническая характеристика приводится на одну нитку.

1.5.1 Техническая характеристика выпарной установки Производительность, тыс. т/год 25(2 12,5)

роизводительность, т/ч:

— по исходному квасному суслу 8,5

— по выпаренной влаге 6,7

— по концентрату квасного сусла 1,35

Концентрация квасного сусла, %:

— начальная 15

— конечная 70

Температура, C:

— поступающего квасного сусла 40

— охлаждающей воды, поступающей на конденсатор и 25 30

пароэжекторный вакуум — насос

— греющего пара на аппарат выпарной 110

— греющего пара на аппарат роторный 158

— греющего пара на пароэжекторный вакуум — насос 158

Давление греющего пара (абсолютное), МПа:

— на аппарат выпарной 0,15

— на аппарат роторный 0,6

— на пароэжекторный вакуум — насос 0,6

Расход греющего пара, т/ч:

— на компрессор пароструйный 2,3

— на аппарат роторный 1,2

— на пароэжекторный вакуум — насос 0,5

Расход охлаждающей воды, м/ч:

— на конденсатор 155

— на пароэжекторный вакуум — насос 9

Установленная электрическая мощность перекачивающих 100

насосов, работающих одновременно, кВт Поверхность теплообмена (номинальная), м 400

Срок службы, лет 10

1.5.2 Состав установки

Выпарная установка состоит из двух параллельных ниток производительностью 12,5 т/год каждая.

В состав установки входят следующие разрабатываемые и комплектующие изделия:

— аппараты выпарные плёночные — разрабатываются

— аппараты роторные плёночные — разрабатываются

— деаэратор — разрабатываются

— сборники — разрабатываются

— теплообменники — покупные

— конденсатор — покупной

— насосы (в т.ч. вакуум — насосы) — покупные

— арматура — покупная

— компрессор пароструйный — разрабатывается

— трубопроводы вторичного пара — разрабатываются Конструкционный материал выпарных и роторных аппаратов, теплообменников, конденсатора, а также комплектующих изделий (насосов и арматуры) — никельсодержащая и углеродистая сталь.

1.5.3 Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки

Конструкция выпарных аппаратов, сборников и другого оборудования выпарной установки должна обеспечивать минимальную трудоёмкость при его изготовлении, обслуживании и ремонте в условиях эксплуатации.

При разработке конструкции должны быть предусмотрены взаимозаменяемость сборочных единиц, обеспечение конструкцией возможности контроля необходимых параметров в процессе изготовления, испытания, эксплуатации и ремонта.

Основные контролируемые параметры:

— давление греющего пара;

— температура греющего пара;

— вакуум в сепараторе;

— температура исходного и упаренного квасного сусла;

— температура охлаждающей воды, поступающей на конденсатор и вакуум — насос.

Эксплуатация выпарной установки должна производиться в соответствии с требованиями к изделию и эксплуатационными документами, разрабатываемыми на данное изделие.

Режим работы выпарной установки — непрерывный.

Установку обслуживает 1 аппаратчик 6 разряда и 1 аппаратчик 3 разряда.

Маркировка оборудования выпарной установки должна производиться в соответствии с ОСТ 2 — 01 — 112 — 89.

Аппараты и поставочные блоки поставляются без упаковки. Комплектующие изделия должны быть упакованы в ящики.

Консервация оборудования должна производиться в соответствии с требованиями ГОСТ 9.014 — 88. Консервации подлежат все обработанные и неокрашенные поверхности оборудования.

После испытания и маркировки оборудование должно быть законсервировано. Штуцера должны быть заглушены.

Транспортирование, хранение, консервация и упаковка должны соответствовать ОСТ 26 — 291 — 89 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования».

Оборудование выпарной установки может транспортироваться на открытых железнодорожных платформах и транспортёрах согласно правилам транспортировки на железнодорожном транспорте. Способы крепления при транспортировании определяются при рабочем проектировании.

Оборудование должно храниться под навесом или на открытой площадке в условиях, обеспечивающих его сохранность от повреждений и коррозии.

Насосы и электроприводная арматура должны храниться в закрытых помещениях.

Технический уровень, конкурентоспособность и экономическая эффективность разрабатываемой выпарной установки соответствуют современному уровню и высшей категории качества.

1.6 Описание и обоснование выбранной конструкции

1.6.1 Выбор схемы установки и типа аппарата

Обследование и анализ действующих выпарных установок по упариванию квасного сусла на Киевском экспериментальном заводе солодовых экстрактов и Ростов — Ярославском заводе «Русский квас» показало, что процесс упаривания квасного сусла в настоящее время ведётся периодически в аппаратах неэффективной конструкции, которые часто останавливаются на промывку. Частые промывки аппаратов от накипи требуют большого расхода дорогих химических реагентов, что приводит к образованию значительного количества стоков.

Кроме того, однократное использование греющего пара при концентрировании квасного сусла и его тепловой обработке в отдельно стоящем конверторе путём непосредственного контакта пара с квасным суслом приводит к удорожанию стоимости и повышенным удельным расходам тепла, охлаждающей воды и металла на 1 т готового продукта.

Периодичность проведения процесса упаривания не позволяет осуществить комплексную автоматизацию действующих выпарных установок и тем самым высвободить обслуживающий персонал, повысить производительность труда.

Всё это вместе взятое поставило перед исследователями и проектировщиками задачу создания такой выпарной установки, на которой можно было бы получить концентрат квасного сусла с минимальными затратами энергоресурсов и обслуживающего персонала.

При решении этой задачи основное внимание было уделено выбору экономически выгодной технологической схемы. Для этого была проделана большая работа по расчёту различных схем выпарных установок, анализ которых показал, что наиболее приемлемой является схема двухкорпусной выпарной установки с пароструйным компрессором. В таблице приведены данные этих схем в сравнении с базовой выпарной установкой, работающей на Ростов — Ярославском заводе «Русский квас.»

Таблица 1 — Сравнение удельных показателей различных схем на 1 т концентрата квасного сусла

Из таблицы видно, что двухкорпусная выпарная установка с пароструйным компрессором по удельным затратам металлоёмкости и электроэнергии несколько уступает однокорпусной выпарной установке с пароструйным компрессором. Однако по удельному расходу пара она является наиболее экономичной. Расчёты показывают, что экономия по пару при сравнении двухкорпусной выпарной установки с пароструйным компрессором с базовой установкой, работающей на Ростов — Ярославском заводе «Русский квас,» составляет около 50 тыс. т/год пара и выпарная установка фактически будет эксплуатироваться с высокими удельными показателями. Таким образом, при проектировании принимается двухкорпусная выпарная установка с термокомпрессором.

Выбор аппаратурного оформления процесса упаривания и подготовки квасного сусла к упариванию был произведён с учётом опыта эксплуатации выпарных установок подобного типа на Киевском экспериментальном заводе солодовых экстрактов и Ростов — Ярославском заводе «Русский квас.»

Работа этих выпарных установок на квасном сусле показала, что через каждые 10 15 суток на греющих трубках выпарного аппарата образуется слой накипи в виде тёмной пористой корки толщиной до 1 мм. Это приводит к снижению производительности выпарной установки и остановке аппаратов на очистку. В связи с этим возникала необходимость в оформлении процесса концентрирования так, чтобы выпарная установка длительное время работала без снижения производительности и остановки на чистку, промывку и ремонт.

Для упаривания растворов, обладающих значительной вязкостью и перегрев которых свыше 100 105 С не допускается, наиболее приемлемыми из числа известных выпарных аппаратов являются:

— выпарные аппараты роторные;

— выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

— выпарные аппараты плёночного типа Выпарные роторные аппараты применяются для термообработки термонестойких и вязких растворов с достижением высоких концентраций, что важно при упаривании таких продуктов, как квасное сусло.

Однако роторные аппараты имеют небольшую производительность по выпаренной влаге и в основном применяются для концентрирования сравнительно небольших потоков раствора при работе выпарной установки в одну стадию, или в качестве аппаратов — концентраторов.

В связи с тем, что заказчик требует создания экономически выгодной выпарной установки с соответствующими удельными показателями по расходу пара и электроэнергии, создать такую выпарную установку с помощью только роторных аппаратов не представляется возможным.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией в основном пригодны для упаривания различных типов растворов до достижения вязкости их не более 2010Пас. Из этих аппаратов возможно создание экономичных многокорпусных установок с необходимыми удельными показателями по расходу тепла. Эти аппараты можно было бы использовать на первой стадии упаривания квасного сусла, где вязкость не превышает 810Пас.

Однако аппараты с принудительной циркуляцией имеют ряд недостатков, которые не позволяют их применять для упаривания квасного сусла.

Во-первых, эти аппараты имеют большие растворные объёмы и требуют повышенного расхода электрической мощности для перекачивания большого объёма раствора по контуру аппарата.

Во-вторых, эти аппараты имеют повышенную металлоёмкость.

Учитывая то, что при создании выпарной установки для концентрирования квасного сусла удельные показатели по расходу пара, электроэнергии и охлаждающей воды не должны превышать показателей, приведенных в заявке заказчика, а также специфику работы пищевых производств, в которых исходный раствор является ценным продуктом, не допускающим проливов и длительного хранения в больших объёмах, решено было аппараты с принудительной циркуляцией не применять.

Обследование действующих выпарных установок и анализ работы различных видов аппаратов показывают, что наиболее приемлемыми для упаривания растворов квасного сусла являются аппараты плёночного типа, которые допускают упаривание термонестойких растворов вязкостью (8 10)10Пас и обладают рядом преимуществ.

Аппараты плёночного типа имеют небольшой растворный объём, допускают кратковременное пребывание раствора в аппарате, обладают пониженной энергои металлоёмкостью, не требует больших емкостей для приготовления промывных растворов, необходимых для промывки аппаратов, удобны в обслуживании и устойчивы в работе.

Исходя из вышеизложенного при проектировании выпарной установки для концентрирования квасного сусла решено было на первой стадии упаривания принять выпарные трубчатые аппараты плёночного типа, а на второй стадии в качестве концентратора — аппарат роторный плёночный с шарнирными лопатками.

Сведения о необходимости применения дефицитных материалов приводятся в рекомендациях по выбору конструкционных материалов.

Сведения о транспортировании и хранении изделий, соответствие изделий требованиям техники безопасности и промышленной санитарии приводятся в технических условиях, 129.3327 ТУ.

В выпарной установке применены покупные изделия (арматура и насосы), соответствие которых техническим характеристикам, режимам работы, гарантийным срокам, условиям эксплуатации согласовано со специальными организациями.

1.6.2 Описание схемы выпарной установки

В состав выпарной установки для упаривания квасного сусла входят: аппараты выпарные трубчатые плёночного типа, аппараты роторные плёночные с шарнирными лопатками, теплообменники типа «труба в трубе,» сборники и другое вспомогательное оборудование.

Процесс упаривания квасного сусла на выпарной установке протекает следующим образом.

Исходное осветлённое квасное сусло с содержанием сухих веществ 14 — 15% накапливают в сборнике С1, откуда с помощью насоса Н1(Н2) прокачивают через теплообменники ТТ1ТТ3, где сусло нагревают до температуры 95С. В теплообменниках ТТ1 и ТТ2 сусло нагревают конденсатом вторичного и греющего пара, в теплообменнике ТТ3 — греющим паром. Нагретое сусло подают в аппарат емкостной АЕ, где его подвергают деаэрации (освобождению от растворённых в нём воздуха и газов) при температуре 9095С, затем из аппарата АЕ сусло самотёком поступает в выпарной аппарат АВ1, где его подвергают выпариванию при температуре 90С с доведением концентрации сухих веществ до 2025% и вязкости до (14)10Пас. Из выпарного аппарата АВ1 сусло самотёком перетекает в выпарной аппарат АВ2, где его подвергают упариванию при температуре 70С с доведением концентрации сухих веществ до 4045% и вязкости до (48)10Пас.

Из выпарного аппарата АВ2 квасное сусло поступает в сборник С2, откуда насосом Н11(Н12) его подают на первую секцию аппарата роторного плёночного АР1(АР2), в которой упаривание сусла происходит при температуре 7580С с доведением концентрации сухих веществ до 6870% и вязкости (350 380)10Пас. Затем сусло в виде плёнки поступает во вторую секцию роторного аппарата АР1(АР2), где процесс выпаривания происходит на горячей стенке этой секции при температуре 120 130С, концентрация при этом достигает по сухим веществам 7072% и вязкость сусла повышается до (380 400)10Пас. Процесс упаривания и тепловая бработка сусла происходит одновременно в течении короткого времени (2025с). За это время сусло приобретает требуемую окраску и ароматические качества. Упаренный и ароматизированный концентрат квасного сусла после аппарата роторного АР1(АР2) сливают в сборник С3, откуда насосом Н7(Н8) откачивают на склад готовой продукции.

Греющим паром для первого выпарного аппарата является смесь двух паровых потоков (греющего пара, поступающего с ТЭЦ с давлением 0,6 МПа и вторичного пара, выходящего из аппарата АВ1 с давлением 0,07 МПа, который дожимается с помощью компрессора пароструйного КП до давления 0,15 МПа).

Конденсат греющего пара используется для подогрева исходного квасного сусла в теплообменнике ТТ2 и далее возвращается в котельную.

Греющим паром для аппарата АВ2 служит вторичный пар аппарата АВ1. Конденсат вторичного аппарата АВ2 используется для нагрева исходного квасного сусла в теплообменнике ТТ1. После теплообменника ТТ1 охлаждённый конденсат сливается в сборник С4 и далее поступает на технологические нужды.

Греющим паром для аппарата роторного АР1(АР2) служит пар, поступающий с ТЭЦ. Конденсат греющего пара из аппарата АР1(АР2), пройдя через конденсатоотводчик, возвращается на ТЭЦ.

Вторичный пар из сепаратора аппарата АВ2 и роторного аппарата АР1(АР2) поступает на конденсатор вертикальный вакуумный КВВ, сюда же поступает паровоздушная смесь из греющей камеры выпарного аппарата АВ2 и аппарата емкостного АЕ.

В конденсаторе происходит конденсация пара охлаждающей водой, конденсат сливается в сборник С4, а не сконденсировавшиеся газы поступают на вакуум — насос пароэжекторный ВНП. В целях предотвращения загрязнения окружающей среды выхлопная труба пароэжекторного вакуум — насоса заведена в сборник С4, сюда же поступает конденсат из конденсатора пароэжекторного вакуум — насоса.

Для создания вакуума во время пуска выпарной установки в схеме предусмотрен водокольцевой вакуум — насос ВН1(ВН2).

1.6.3 Аппаратурное оформление выпарной установки

В разрабатываемой выпарной установке в качестве основного оборудования применены аппараты выпарные плёночного типа, а в качестве вспомогательного оборудования — теплообменники, конденсатор вертикальный вакуумный, сборники, насосы и другое типовое оборудование и арматура.

1.6.3.1 Аппараты выпарные плёночного типа АВ1АВ2

На первой стадии упаривания квасного сусла от концентрации 15% до 24% и от 24% до 45% применены выпарные трубчатые аппараты плёночного типа с рециркуляцией раствора. Выпарной аппарат данной конструкции состоит из греющей камеры и сепаратора. Для рециркуляции раствора и получения требуемой плотности орошения предусмотрен центробежный насос Х 90/49 — А — К — СД — УЗ.

Для равномерного распределения жидкости по греющим трубам предусмотрено распределительное устройство, представляющее собой набор перфорированных листов и распределительных трубопроводов, подающих жидкость на эти листы.

Принцип работы выпарного аппарата заключается в следующем. Квасное сусло центробежным насосом подаётся в распределительное устройство, расположенное в верхней части греющей камеры, затем в виде тонкой плёнки стекает вниз по внутренней поверхности труб и упаривается до заданной концентрации.

Образующийся вторичный пар вместе с квасным суслом поступает в сепаратор. Часть упаренного квасного сусла самотёком направляется в следующий корпус, а остальная часть смешивается со свежим квасным суслом и снова направляется на рециркуляцию и упаривание.

Конструктивные данные выпарных аппаратов:

— площадь поверхности нагрева, м 200

— диаметр греющей камеры, мм 1200

— диаметр сепаратора, мм 2000

Размер греющих труб мм:

— диаметр и толщина 382

— длина 4000

Количество греющих труб, шт. 416

Конструкционный материал — сталь марки 08Х22Н6Т

1.6.3.2 Аппарат емкостной (деаэратор)

Аппарат емкостной (деаэратор) предназначен для деаэрации перегретого исходного квасного сусла (удаления растворённых в нём воздуха и газов).

Конструктивно аппарат емкостной представляет собой цилиндрический сосуд с двумя эллиптическими днищами. На цилиндрической части аппарата расположен штуцер для ввода исходного квасного сусла. На верхнем днище расположен штуцер для выхода вторичного пара, а в нижнем — штуцер для выхода деаэрированного квасного сусла.

1.6.3.3 Теплообменники ТТ1ТТ3

Теплообменники ТТ1, ТТ2 и ТТ3 предназначены для подогрева исходного квасного сусла. В теплообменнике ТТ1 квасное сусло подогревается конденсатом вторичного пара, в теплообменнике ТТ2 — конденсатом греющего пара, а в теплообменнике ТТ3 — греющим паром. Конструктивно представляют собой теплообменники типа «труба в трубе»

1.6.3.4 Сборники С1С4

Сборник С1 Предназначен для накопления исходного квасного сусла и для сбора промывного раствора и воды в период промывки выпарной установки.

Конструктивно представляет вертикальный сосуд с коническим днищем, снабжённый необходимыми штуцерами.

Сборник С2 предназначен для сбора упаренного квасного сусла после аппарата АВ2.

Конструктивно представляет собой вертикальный сосуд с двумя эллиптическими днищами, снабжённый необходимыми штуцерами.

Сборник С3 предназначен для сбора концентрата квасного сусла после аппарата роторного АР1(АР2).

Конструктивно представляет собой вертикальный сосуд с коническим днищем, снабжённый необходимыми штуцерами. Корпус сборника снабжён рубашкой для обогрева, обеспечивающей возможность поддержания постоянной температуры в сборнике.

Сборник С4 предназначен для сбора конденсата вторичного пара.

Конструктивно представляет собой вертикальный сосуд с коническим днищем, снабжённый необходимыми штуцерами.

1.6.3.5 Конденсатор вертикальный вакуумный

Конденсатор вертикальный вакуумный предназначен для конденсации вторичного пара, поступающего из аппарата выпарного АВ2 и аппарата роторного АР1(АР2).

1.6.3.6 Аппарат роторный плёночный с шарнирными лопатками 600 — 8 — К — 01

Аппарат роторный предназначен для упаривания квасного сусла до концентрации 70% и придания ему окраски и ароматических свойств.

Конструктивно представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, состоящий из двух секций. Корпус аппарата снабжён секционной рубашкой для обогрева, обеспечивающей возможность создания различного температурного режима по высоте. Обогрев аппарата осуществляется водяным паром.

1.6.3.7 Компрессор пароструйный КП

Компрессор пароструйный предназначен для сжатия вторичного пара, выходящего из выпарного аппарата АВ1, с целью повышения экономических показателей выпарной установки. Компрессор пароструйный включает в себя: соплодержатель с соплом, приёмную камеру и камеру смешения. Все узлы представляют собой сварные конструкции.

2. РАСЧЁТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И НАДЁЖНОСТЬ УСТАНОВКИ

2.1 Материальный и тепловой расчёты выпарной установки АВ1

Исходные данные для расчёта:

— количество квасного сусла, поступающего на установку, т/ч 8,5

— температура квасного сусла, С 40

— концентрация квасного сусла, поступающего на установку АВ1,% 15

— после упаривания в выпарном аппарате АВ1,% 24

— количество выпаренной воды, т/ч 3,3

Количество квасного сусла, т/ч:

— на выходе из аппарата выпарного АВ1 5,2

Давление греющего пара, МПа:

— на аппарат выпарной АВ1 0,15

Температура греющего пара, С:

— на выпарной аппарат АВ1 110

Температура охлаждающей воды, С 2530

2.1.1Тепловой баланс установки

Температурные потери в выпарном аппарате АВ1 обусловлены температурной (), гидростатической () и гидродинамической () депрессиями.

По давлению греющего пара находим его температуру и теплоты парообразования по корпусам. Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем тогда температура вторичного пара в корпусe АВ1 равна:

Таблица 2.1 — Свойства греющего пара

Сумма гидродинамических депрессий равна:

По температурам вторичных паров определим их давление и теплоты парообразования.

Таблица 2.2 — Свойства вторичного пара

Гидростатическая депрессия обуславливается наличием гидростатического эффекта:

Сумма гидростатических депрессий равна:

Температурную депрессию определим, зная температуру кипения в корпусе АВ1:

Сумма температурных депрессий равна:

Расчёт полезной разности температур Необходимым условием передачи тепла в корпусе АВ1 является наличие некоторой полезной разности температур греющего пара и кипящего раствора.

Полярные разности в корпусе АВ1:

Общая полезная разность температур:

Проверим общую полярную разность температур:

Определение пароотбора в корпусе АВ1

Расход пара на подогревание рассчитываем по формуле:

где — масса квасного сусла, кг;

— теплоёмкость квасного сусла, Дж/кгК;

— начальная и конечная температуры квасного сусла, C;

— коэффициент потерь теплоты;

— энтальпия вторичного пара, Дж/кг;

— теплоёмкость конденсата, Дж/кгК;

— температура конденсата, C;

— удельная теплота конденсации вторичного пара, Дж/кг.

Количество пара, отбираемого у АВ1:

Расход экстра — пара:

2.1.2 Основное уравнение материального баланса:

где — расход греющего пара, кг/ч;

— коэффициент испарения дляого корпуса:

— коэффициент самоиспарения дляого корпуса:

где — энтальпия соответственно греющего пара, конденсата и вторичного пара, Дж/кг;

— температура кипения, С;

— теплоёмкость растворителя и раствора, Дж/кгК;

— коэффициент, учитывающий потери тепла, Для расчёта используем метод Тищенко И. А., учитывающий самоиспарение раствора, а также то обстоятельство, что и

После преобразования получаем:

где — коэффициенты, значения которых зависят от числа корпусов и теплового режима установки.

Расход греющего пара для корпуса АВ1:

Количество выпаренной воды в корпусе АВ1:

Производительность установки по выпариваемой воде равна:, что соответствует заданному значению. Расчёт выполнен верно.

Концентрация квасного сусла:

Количество квасного сусла, выходящего из корпуса АВ1:

Материальный баланс для всей установки имеет вид:

где — расход квасного сусла, поступающего на установку, кг/ч;

— расход квасного сусла, удаляемого из аппарата, кг/ч.

Проверим выполненные расчёты:

Из этого равенства видно, что расчёт выполнен верно.

При кипении водных растворов можно принять удельную

тепловую нагрузку:

Тогда поверхность теплопередачи корпуса АВ1

ориентировочно будет равна:

Согласно ГОСТ 11 987– — 81 по рассчитанной поверхности теплопередачи, выбираю поверхность выпарного аппарата АВ1. Выбираю выпарной аппарат АВ1 с поверхностью нагрева 200 м², размером греющих труб 3 824 000 мм и количеством греющих труб 419 штук.

2.2 Определение основных размеров технологического оборудования выпарной установки АВ1

Исходные данные для расчёта:

— давление греющего пара ;

— давление вторичного пара ;

— количество греющего пара ;

— количество вторичного пара ;

— температура греющего пара ;

— теплота испарения греющего пара ;

— вязкость греющего пара ;

— плотность греющего пара .

Физические константы конденсата при температуре кипения:

— вязкость ;

— плотность ;

— теплопроводность ;

— температура вторичного пара ;

— скрытая теплота парообразования вторичного ;

пара

— плотность вторичного пара ;

— вязкость вторичного пара ;

— температура квасного сусла .

Физические свойства квасного сусла:

— коэффициент динамической вязкости ;

— коэффициент кинематической вязкости ;

— теплоёмкость ;

— теплопроводность ;

— плотность ;

— плотность орошения (часовая) .

Плотность орошения:

2.2.1 Расчёт коэффициента теплопередачи выпарного аппарата АВ1

Критерий Рейнольдса для определения режима:

Температура плёнки конденсата:

Отношение

Температура стенки:

Частный температурный напор:

Значение

Значение

При меньше режим ламинарный волновой.

Коэффициент теплоотдачи ламинарный:

где — коэффициент, равный .

Коэффициент теплоотдачи:

где — поправка;

— поправка, равная .

Значение Рейнольдса для раствора квасного сусла:

Критерий Прандтля для раствора квасного сусла:

Критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи Нуссельта:

где — толщина плёнки.

Коэффициент теплопередачи (расчётный):

Коэффициент теплопередачи, принятый с учётом влияния коэффициента термических сопротивлений и влияния неконденсирующихся газов:

где — величина коэффициента термического сопротивления;

— коэффициент, учитывающий влияние неконденсирующихся газов.

2.2.2 Определение поверхности нагрева выпарного аппарата АВ1

Величина теплового потока:

Полезная разность температур в корпусе АВ1:

Поверхность нагрева (расчётная):

Поверхность нагрева (принятая):

2.2.3 Определение конструктивных размеров выпарного аппарата АВ1

Диаметр греющих труб (наружный):

который принят конструктивно.

Толщина греющих труб:

которая принята конструктивно.

Длина греющих труб:

которая принята конструктивно.

Количество греющих труб:

Диаметр сепаратора (расчётный):

где — допустимая скорость вторичного пара в сепараторе из опыта эксплуатации подобных систем для пенящихся растворов.

Диаметр сепаратора (принятый):

который принят конструктивно.

Действительная скорость вторичного пара в сепараторе:

Диаметр штуцера входа парогазовой смеси в сепаратор (расчётный):

где — допустимая скорость пара в штуцере.

Диаметр штуцера (принятый):

Скорость пара в штуцере (действительная):

Высота сепаратора: которая принимается с учётом практических данных эксплуатации подобных систем.

3 ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ Исходные данные для расчёта:

— давление рабочее (абсолютное) в аппарате, МПа

— температура рабочей среды, С

— материал конструкции

— допустимое напряжение, МПа

— диаметр, мм

— диаметр укрепляемого отверстия, мм

— скорость коррозии, мм/год

— срок службы, лет

3.1 Расчёт толщины стенки цилиндрической обечайки аппарата

Давление расчётное сепаратора (наружное):

Определение толщины стенки цилиндрической обечайки, работающей под наружным давлением

Толщину стенки цилиндрической обечайки определяем по формуле:

где — расчётная толщина стенки цилиндрической обечайки:

где — коэффициент, который определяем по номограмме

где — коэффициент запаса устойчивости в рабочих условиях:

— модуль упругости стали при

где — расчётная длина цилиндрической обечайки:

Зная, найдём :

— конструктивная прибавка, которая определяется по формуле:

где — прибавка для компенсации коррозии и эрозии;

— прибавка для компенсации минусового допуска;

— технологическая прибавка.

Толщина стенки цилиндрической обечайки сепаратора определяется по формуле:

Проверка области применения расчётных формул:

— условие выполняется.

Определение допускаемого давления в аппарате (наружного):

так как полученное значение коэффициента лежит ниже соответствующей штрихпунктирной линии

Условие выполняется так как

3.2 Расчёт толщины стенки эллиптического отбортованного днища, работающего под наружным давлением

Толщину стенки приближённо определяем по формуле:

где .

Радиус кривизны в вершине днища равен:

где — для эллиптических днищ с

Для предварительного расчёта принимают равным для эллиптических днищ.

Толщина стенки эллиптического отбортованного днища определяется по формуле:

Принимаем стандартную толщину стенки эллиптического днища:

Проверка области применения расчётных формул:

— условие выполняется.

Допускаемое наружное давление следует рассчитывать по формуле:

где допускаемое давление из условия прочности:

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

Допускаемое наружное давление:

Коэффициент следует определять в соответствии с или по формуле:

где

3.3 Укрепление отверстия в цилиндрической обечайке сепаратора, работающего под внутренним давлением

Определение расчётного диаметра укрепляемого отверстия:

где принимаем

Для цилиндрической обечайки тогда

Проверка на необходимость укрепления отверстия.

Так как-то данное отверстие требует укрепления.

Укрепление отверстия внешним штуцером. Условие укрепления отверстия внешним штуцером выражается следующим неравенством:

где

принимаем (потому что материал стенки обечайки и штуцера одинаков).

Находим — расчётную толщину стенки штуцера:

Исполнительная толщина стенки штуцера:

Определяем — наибольший диаметр отверстия, которое не требует дополнительного укрепления:

Находим — расчётную ширину зоны укрепления цилиндрической обечайки в окружности отверстия:

Определяем — расчётную длину внешней части цилиндра:

где — внешняя длина цилиндра, которая выбирается конструктивно в зависимости от внутреннего диаметра штуцера.

Принимаем

Подставляем:

— условие не выполнилось.

Укрепление отверстия с помощью накладного кольца Расчётная ширина накладного кольца:

гдерасстояние от внешнего диаметра штуцера до ближайшего конструктивного элемента,

Принимаем

Подставляем:

— условие не выполнилось.

Тогда с шагом последовательно увеличиваем толщину накладного кольца соответственно с уравнением пока Увеличивая до удаётся выполнить условие укрепления отверстия.

Подставляем:

— условие выполнено.

Таким образом, для укрепления отверстия диаметром на цилиндрической обечайке при расчётном давлении в аппарате необходимо применять внешний штуцер с толщиной стенки при его длине не менее и накладное кольцо толщиной при ширине его не меньше

3.4 Расчёт опоры

Масса аппарата толщина корпуса число опор конструктивная прибавка диаметр аппарата

Рассчитываем нагрузку на одну опору по формуле:

В соответствии с нагрузкой находим параметры опоры:

Данный выпарной аппарат установлен на цилиндрической опоре. Была выбрана стандартная цилиндрическая опора по ОСТ 26 — 467- 88, в зависимости от нагрузки и диаметра аппарата

Однако может создаться ситуация, когда необходимо данный аппарат установить на опору — лапу. Проверим прочность цилиндрической обечайки сепаратора под опорой — лапой с накладным кольцом.

Определяем момент относительно опорной поверхности лапы:

Определяем толщину стенки аппарата в конце срока службы:

где — дополнительная прибавка.

Нагрузка на одну опору определяется по уравнению:

где — коэффициенты, зависящие от числа опор.

Проверка прочности стенки аппарата под опорой — лапой без накладного кольца.

Определяем осевые напряжения от внутреннего давления и изгибающего момента по формуле:

Окружные усилия от внутреннего давления:

Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок:

Определение максимального мембранного напряжения от основных нагрузок реакции опоры по формуле:

Максимальное напряжение изгиба от реакции опоры:

Условие прочности имеет вид:

— условие выполняется.

коэффициент принят исходя из эксплуатационных условий.

Таким образом, при необходимости установить данный выпарной аппарат на опору — лапу, необходимо выполнить накладной лист толщиной. Для данного аппарата была выбрана такая опора — лапа: опора 1 — 10 000 ОСТ 26 — 665 — 89.

3.5 Расчёт фланцевого соединения

Толщина стенки аппарата; внутреннее рабочее давление; температура; материал фланца 08Х18Н10Т; допускаемое напряжение; модуль продольной упругости; материал болтов сталь 35; модуль продольной упругости; предел текучести материала фланца; предел прочности; предел текучести материалов болтов; толщина стенки втулки; конструктивная прибавка

Допускаемое напряжение для материала фланца в сечении:

— для рабочих условий:

;

— для условий испытания:

Допускаемое напряжение для материала болтов:

где

Расчёт геометрических параметров фланцевого соединения:

— длина цилиндрической втулки для фланца.

Диаметр болтовой окружности фланцев:

Наружный диаметр фланцев всех рассматриваемых типов:

где — конструктивная прибавка для размещения гаек по диаметру фланца.

Наружный диаметр прокладки:

где — конструктивный размер.

Наружный диаметр бурта:

Средний диаметр прокладки:

где — ширина прокладки.

Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения:

где — рекомендуемый шаг расположения болтов.

Ориентировочная толщина фланца:

где — эквивалентная толщина втулки;

Расчёт коэффициента жёсткости фланцевого соединения Определение безразмерных параметров фланца:

Определение угловой податливости фланца:

Угловая податливость плоской фланцевой крышки:

Угловая податливость фланца, нагруженного внешним изгибающим моментом:

Плечи моментов:

Податливость прокладки:

Линейная податливость болтов для рассматриваемых фланцев:

— длина болта между опорными поверхностями головки болта и гайки;

— для болта;

— для шпильки.

Коэффициент жёсткости фланцевого соединения, нагруженного внутренним давлением и внешней осевой силой:

Коэффициент жёсткости фланцевого соединения, нагруженного внешним изгибающим моментом:

Расчёт нагрузок Нагрузка, действующая на фланец от внутреннего избыточного давления:

Реакция прокладки в рабочих условиях:

где — эффективная ширина прокладки;

Нагрузка, возникающая от температурных деформаций:

Болтовая нагрузка в условиях монтажа принимается большей из следующих значений:

Приращение нагрузки в болтах в рабочих условиях:

Расчёт болтов Условия прочности болтов:

Расчёт прокладок и фланца Условия прочности прокладок проверяются для мягких прокладок:

Угол поворота фланца при затяжке:

Приращение угла поворота фланца в рабочих условиях:

Меридиональные напряжения в обечайке на наружной и внутренней поверхности при затяжке:

Приращение меридиональных напряжений в обечайке:

Определение напряжений в обечайке при затяжках:

Приращение окружных напряжений в обечайке на наружных и внутренних поверхностях:

Условия прочности фланцев при расчёте статической прочности:

— при затяжке:

— в рабочих условиях:

Требования к жёсткости:

что меньше чем ;

что больше чем — условие жёсткости выполняется.

4 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА УСТАНОВКИ Для изготовления основных деталей сборочных единиц аппарата АВ1 применяем сталь 08Х22Н6Т, ГОСТ 5632– — 82.

Эта сталь относится к коррозионно-стойким сталям аустенитно-ферритного класса. Стали этого типа получили широкое применение в различных отраслях промышленности, и прежде всего в пищевой, в качестве коррозионно-стойкого и окалино-стойкого материала. Это объясняется прочностью, высокой пластичностью, немагнитностью, повышенными механическими свойствами при высоких температурах, хорошей свариваемостью, а также высокой прочностью и пластичностью в сварных соединениях.

Назначение — сварная аппаратура, работающая в средах повышенной агрессивности.

Стали аустенитно-ферритного класса, характеризующиеся высоким содержанием хрома (18 — 22%), имеет двухфазную аустенитно-ферритную структуру. Дополнительные легирующие элементы Mo, Cu, Ti. Химический состав этих сталей таков, что соотношение аустенита и феррита после оптимальной термической обработки составляет примерно 1:1.

У сталей аустенитно-ферритного класса ряд преимуществ по сравнению с аустенитными сталями: более высокая (в 1,5 — 2 раза) прочность при удовлетворительной пластичности и сопротивляемости действию ударных нагрузок, большая стойкость против межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания.