Расчёт многоступенчатой выпарной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П. О. СУХОГО

Факультет энергетический

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и экология»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу: «Промышленные тепломассообменные и холодильные установки»

на тему: «Расчёт многоступенчатой выпарной установки»

Исполнитель:

студент гр. ТЭ-42

Дорошко П. В.

Руководитель: преподаватель:

Шаповалов А. В.

Гомель 2012

Введение

Выпарные установки предназначены для концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления из них летучего растворителя при кипении или испарении. Процессы выпаривания используются в различных отраслях промышленности: для концентрирования растворов или производства минеральных солей, органических продуктов, удобрений, кормовых дрожжей. Процесс концентрирования, осуществляемый выпариванием, отличается большим разнообразием, как физических параметров, так и других характеристик.

Принципиальная схема трехкорпусной установи с выпарными аппаратами с естественной циркуляцией без отбора экстрапара представлена на рис. 1.

Исходный раствор из емкости 1 насосом 2 подается в теплообменник-подогреватель 3, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения. Из теплообменника подогретый раствор поступает в первый корпус 4 МВУ, который обогревается свежим паром от ТЭЦ или котельной. Вторичный пар, образующийся в первом корпусе в результате кипения раствора, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает и частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Образовавшийся во втором корпусе вторичный пар поступает в третий корпус 6, где он обогревает раствор, поступивший из второго корпуса. Упаренный раствор из третьего корпуса центробежным насосом 9 подается в промежуточную емкость 10. Вторичный пар последнего корпуса поступает в барометрический конденсатор 7. Образовавшийся конденсат вместе с охлаждающей водой сливаются в емкость 8.

Переток раствора и вторичного пара в последующие корпуса осуществляется за счет общего перепада давления, возникающего в результате создания вакуума из-за конденсации вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения, в котором заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 11.

Задание:

В ходе курсового проекта необходимо спроектировать трехкорпусную выпарную установку.

В процессе работы рассчитывают трехкорпусную выпарную установку, барометрический конденсатор и вакуум-насос.

Выпарные установки предназначены для концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления из них летучего растворителя при кипении или испарении. Процессы выпаривания используются в различных отраслях промышленности: для концентрирования растворов или производства минеральных солей, органических продуктов, удобрений, кормовых дрожжей. Процесс концентрирования, осуществляемый выпариванием, отличается большим разнообразием, как физических параметров, так и других характеристик. В ходе курсового проекта необходимо спроектировать трехкорпусную выпарную установку.

В процессе работы рассчитывают трехкорпусную выпарную установку, барометрический конденсатор и вакуум-насос.

Исходные данные

1. Выпариваемый раствор - KCI

2. Начальный расход - G_н=28 т/ч

3. Начальная концентрация - Х_н=12%

4. Конечная концентрация - Х_к=37%

5. Давление греющего пара - Ргп=56·10^-2 МПа

6. Давление в барометрическом конденсаторе - Рбк=16·10^-3 МПа

1. Расчет МВУ

Расчёт многокорпусных выпарных установок проводят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Массовая производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнений материального баланса:

W = G_Н · (1-X_Н/Х_К) = 7.778 · (1-12/37) = 5.255, кг/с

Принимают, что производительность каждого корпуса по выпариваемой воде определяется соотношением W₁: W₂: W₃ = 1.0: 1.1: 1.2 (такое распределение на основании практических данных). Тогда массовая производительность по выпариваемой воде по корпусам для трехкорпусной установки будет:

Рассчитывают концентрации раствора по корпусам:

X₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора X_К

Определение температур кипения растворов:

В первом приближении общий перепад давлений в установке распределяют по корпусам поровну. Общий перепад давлений равен:

P_ОБ= P_r1 - P_БК = 56^.10^-2 - 16^.10^-3 = 0.544, МПа.

Тогда давление по корпусам равны:

P_r1 = 56^.10^-2, МПа;

P_r2 = P_r1 - P_ОБ/3 = 56^.10^-2 - 0.544/3 = 0.379, МПа;

P_r3 = P_r2 - P_ОБ/3 = 0.379- 0.544/3 = 0.197, МПа.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

P_БК = P_r3 - P_ОБ/3 = 0.197- 0.544/3 = 0.016, МПа.

Это соответствует заданной величине P_БК.

По давлению паров находим [1] их температуры и энтальпии:

Таблица 1

Давление, МПа	Температура, оС	Энтальпия, кДж/кг
Pr1 =0.56	tr1 = 156	Н1 = 2753.7
Pr2 = 0.379	tr2 = 141.5	Н2 = 2735.9
Pr3 = 0.197	tr3 = 119.7	Н3 = 2706
PБК = 0.016	tБК = 55.2	НБК = 2600.8

При определении температуры кипения растворах в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией соответствуют модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора - при конечной концентрации.

По высоте кипятильных труб происходит изменение температуры кипения вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Принимают температуру кипения в корпусе соответствующую температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (^/), гидростатической (^//) и гидродинамической (^///) депрессий.

Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления паром на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах ^/// принимают равной 1,0 1,5 градуса на корпус. Примем ^/ =1⁰, ^// =1.2⁰ , ^/// =1.5⁰ тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:

Сумма температурных потерь вследствие гидродинамических депрессий:

По температурам вторичных паров определим их давления, данные занесём в таблицу 2:

Таблица 2

Температура, оС	Давление, МПа
tВП1 = 142.5	PВП1 = 0.390
tВП2 = 120.9	PВП2 = 0.205
tВП3 = 56.7	PВП3 = 0.017

Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:

P_СР = P_ВП + H ^{. .} g · (1-?)/2

где P_ВП - давление вторичного пара в корпусе, Па;

H - высота кипятильных труб в аппарате, м;

- плотность кипящего раствора, кг/м³;

- паронаполнение (объёмная доля пара в парожидкостной смеси), м³/м³.

Для выбора величины H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. Можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией раствора q = 20000 55000 Вт/м², аппаратов с принудительной циркуляцией раствора в корпусах q = 40000 80000 Вт/м². Примем q = 55000 Вт/м², тогда для 1-го корпуса ориентировочная поверхность будет равна:

где r₁ - теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТу [2] аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) имеют высоту кипятильных труб 4 м при диаметре труб d_Н = 38 мм и толщине стенки = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет - 0.4 0.6. Примем = 0.5.

Плотность водных растворов KCL [3] (см. приложение 2) по корпусам при t = 15⁰C равна:

₁ = 1098.6, кг/м³;

₂ = 1141.5, кг/м³;

₃ = 1355, кг/м³;

При определении плотности раствора в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры от 15⁰С до температуры кипения в связи с малым значением коэффициента объёмного расширения и ориентировочным значением величины .

Давление в среднем слое кипятильных труб по корпусам равно:

P_1СР = P_BП1 + H ^. ₁ ^. g₁ ^. (1-) / 2

P_1СР = 0.390 + 4 ^. 1098.6·0.5·10^{-6 .} 9.81·(1-0.5) / 2 = 0.4, МПа;

P_2СР = P_BП2 + H ^. ₂ ^. g₂ ^. (1-) / 2

P_2СР = 0.205+ 4 ^. 1141.5·0.5·10^{-6 .} 9.81·(1-0.5) / 2 = 0.216, МПа;

P_3СР = P_BП3 + H ^. ₃ ^. g₃ ^. (1-) / 2

P_3СР = 0.017 + 4 ^. 1355·0.5·10^{-6 .} 9.81 ·(1-0.5) / 2 = 0.03 МПа;

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1]:

Таблица 3

Давление, МПа	Температура, оС	Теплота испарения, кДж/кг
P1СР = 0.361	t1СР = 143.6	rВ1 =2134.1
P2СР = 0.195	t2СР = 122.5	rВ2 =2195.5
P3СР = 0.027	t3СР = 69.1	rВ3 =2335.3

Гидростатическая депрессия по корпусам:

Сумма гидростатических депрессий равна:

Температурная депрессия ^/ определяется по уравнению:

где T - температура паров в среднем слое кипятильных труб, K,

r_a- теплота испарения, кДж/кг,

- температурная депрессия при атмосферном давлении [3].

Тогда температурная депрессия по корпусам равна:

Сумма температурных депрессий равна:

Температуры кипения раствора по корпусам:

Полезные разности температур по корпусам:

t_П1 = t_г1 - t_К1 = 156 - 146.6 = 9.37 ^оС.

t_П2 = t_г2 - t_К2 = 141.5 - 126.7= 14.85 ^оС.

t_П3 = t_г3 - t_К3 = 119.7 - 76.1= 43.62 ^оС.

Суммарная полезная разность температур:

t_П = t_П1 + t_П2 + t_П3 = 9.37 + 14.85 + 43.62 = 67.83 ^оС.

Проверка суммарной полезной разности температур:

t_П = t_г1 - t_БК1 - (^/ + ^// + ^///)

t_П = 156-55.2 - (14.17 + 15.1 +3.7) = 67.83 ^оС.

Определение тепловых нагрузок:

Совместным решением уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения балансов по воде для всей установки определяем расход греющего пара в 1-ый корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам:

Q₁ = D₁ ^. (H_Г1 -h₁) = 1.03^. [G_Н ^. C_Н ^. (t_К1 - )+ W₁ ^. (H_В1 - C_В ^. t_К1) + Q_{1 КОНЦ}];

Q₂ = W₁ ^. (H_Г2 - h₂) = 1.03^. [(G_Н - W₁) ^. C₁ ^. (t_К2 - t_К1) +

+ W₂ ^. (H_В2 - C_В ^. t_К2) + Q_{2 КОНЦ}];

Q₃ = W₂ ^. (H_Г3 - h₃) = 1.03^. [(G_Н - W₁ - W₂) ^. C₂ ^. (t_К3 - t_К2) +

+W₃ ^. (H_В3 - C_В ^. t_К3) + Q_{3 КОНЦ}];

W = W₁ + W₂ + W₃

Где Q₁, Q₂ ,Q₃ - тепловые нагрузки по корпусам, кВт;

D - расход греющего пара в 1-ый корпус, кг/с;

1.03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

H₁, H₂, H₃ - энтальпии греющих паров по корпусам, кДж/кг;

H_В1, H_В2, H_В3 - энтальпии вторичных паров по корпусам, кДж/кг;

При решении уравнения баланса можно принимать, что:

H_В1 H_Г2 H_В2 H_Г3 H_В3 H_БК;

h₁, h₂, h₃ - энтальпии конденсата по корпусам, кДж/кг;

С_В - теплоёмкость воды, кДж/(кг ^. К);

С_Н, C₂, C₃ - теплоёмкость раствора начальной концентрации в первом корпусе и втором корпусе, соответственно, кДж/(кг ^, К), [3];

Q_{1 КОНЦ}, Q_{2 КОНЦ}, Q_{3 КОНЦ} - теплота концентрирования по корпусам, кВт;

t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе, ^оС.

Q₁ = D ^. (2754 - 658.1) = 1.03 ^.[ 7.78^. 3.575 ^. (146.63 - 145.53) +

+1.602 ^. (2736 - 4.19 ^. 146.63)];

Q₂ = 1.602 ^. (2736 - 595.6) = 1.03 ^.[( 7.78 - 1.602) ^. 3.4297 ^. (126.665 - 146.63) +

+1.724^. (2706 - 4.19 ^. 126.665)];

Q₃ = 1.724 ^. (2706 - 502.4) = 1.03 ^.[(7.78 - 1.602 - 1.724) ^. 3.1694^. (76.82 - 126.665) +1.911 ^. (2601 - 4.19 ^. 76.082)];

5.255= W₁ + W₂ + W₃

Решение системы уравнений даёт следующие результаты:

D = 1.685 кг/с

W₁ = 1.602 кг/с Q₁ = 3569 кВт

W₂ = 1.724 кг/с Q₂ = 3428 кВт

W₃ = 1.929 кг/с Q₃ = 3800 кВт

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (W₁ = 1.593 кг/с, W₂ = 1.752 кг/с, W₃ = 1.911 кг/с) не превышает 5%, поэтому в дальнейших расчётах не производим пересчёт концентраций и температур кипения растворов по корпусам. В случае, если это расхождение составит больше 5%, необходимо заново пересчитать концентрации, температурные депрессии и температуры кипения растворов, положив в основу расчёта новое, полученное из решения балансовых уравнений распределение по корпусам нагрузок по испаряемой воде.

Таблица 4

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус
1	Производительность по упариваемой воде, W, кг/с.	1.602	1.724	1.929
2	Концентрация растворов, X, %	15.09	21.052	37
3	Давление греющих паров, PГ, МПа	0.56	0.379	0.197
4	Температура греющих паров, tГ, ОC	156	141.5	119.7
5	Температурные потери, , град.	5.13	6.955	20.882
6	Температура кипения раствора, , tК, ОC	146.63	126.665	76.082
7	Полезная разность температур, tП, град.	9.37	14.845	43.618

Выбор конструкционного материала.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора KCL в интервале изменения концентраций от 12 до 37% [6]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки X17, имеющая скорость коррозии менее 0.1 мм в год, коэффициент теплопроводности _СТ = 25.1 Вт/м ^. К.

Расчёт коэффициента теплопередачи в первом корпусе:

Примем, что суммарное термическое сопротивление стенки и накипи равно , при этом не учитываем термическое сопротивление загрязнений со стороны пара:

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара ₁ к стенке [1] равен:

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

_Ж1, _Ж, _Ж плотность (кг/м³); теплопроводность (Вт/м^.К), вязкость (Па с) конденсата при средней температуре плёнки, соответственно;

t_ПЛ = t_Г1 - t₁/2

t₁ - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчёт ₁ ведут методом последовательных приближений.

Таблица 5

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус	Литература
1	Теплопроводность раствора, , Вт/м . К	0.675	0.671	0.666	[6]
2	Плотность раствора, , кг/м3	1148	1133	1140	[3]
3	Теплоёмкость раствора, C, Вт/кг . К	3547	3228	3301	[3]
4	Вязкость раствора, , Па . с	0.0025	0.00305	0.00436	[9]
5	Поверхностное натяжение, , Н/м	0.076	0.0775	0.0787	[8,9]
6	Теплота парообразования, rВ, кДж/кг	2095.2	2144.9	2223.8	[1]
7	Плотность пара, П, кг/м3	2.358	1.374	0.251	[1]
8	Плотность пара при 1 атм., 0, кг/м3	0.525	0.554	0.579	[1]

Примем - t₁ = 1.78°C, тогда:

Проверяем правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо:

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

t_СТ - перепад температур на стенке, град;

t₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град;

t_СТ = ₁ ^. t₁ ^. / = 8903^. 1.78 ^. 0.00028= 4.43^OC. Тогда:

t₂ = t_П1 - t_СТ - t₁ = 9.37 - 4.43 - 1.78= 9.37^OC.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для режима пузырькового кипения в вертикальных пузырьковых трубках при условии естественной циркуляции раствора [7] равен:

q₁ = ₁ ^. t₁ = 8903 1.78 = 15847 Вт/м²;

q₂ = ₂ ^. t₂ =5021^. 3.158=15855 Вт/м²;

Если расхождение тепловых нагрузок не превышает 5%, то на этом расчёт коэффициентов ₁ и ₂ заканчивают.

Расчёт коэффициента теплопередачи во 2-ом корпусе.

Примем - t₁ = 3.4437⁰C, тогда:

t_СТ = 7391 ^. 3.4437 ^. 0.00028 = 7.119 ^OC;

t₂ = 14.845 - 7.119 - 3.4437 = 4.282 ^OC;

q₁ = 7391 ^. 3.4437= 25453 Вт/м²;

q₂ = 5943 ^. 14.845= 25449 Вт/м²;

Расчёт коэффициента теплопередачи в 3-ем корпусе:

Примем - t₁ = 14.26 ⁰C, тогда:

t_СТ = 4951^. 14.26 ^. 0.00028 = 19.746^OC;

t₂ = 43.618 - 19.746 - 14.26 = 9.613^OC;

q₁ = 4951 ^. 14.26 = 71335 Вт/м²;

q₂ = 7331 ^. 9.613 = 71386 Вт/м²;

Коэффициент теплоотдачи при кипении в плёночных выпарных аппаратах рекомендуется [10] определять по уравнению:

где - теплопроводность кипящего раствора, Вт/м^.К;

t_В - температура вторичного пара, ^оС;

q - тепловая нагрузка, которая в расчёте принимается равной ^.t₁, Вт/м²;

- толщина плёнки [м], рассчитываемая по уравнению:

- кинематическая вязкость раствора, м²/с;

g - ускорение свободного падения м/с²;

,

- вязкость кипящего раствора, Па^.с;

Г - линейная массовая плотность орошения, рассчитываемая по уравнению Г=G_j/П, кг/м^.с;

Gj - расход раствора, поступающего в j-ый корпус, кг/с;

П - смоченный периметр, м;

П = ^. d_ВН ^. n = F_ОР/H;

Значения коэффициентов и показателей степеней:

при q< 20000 Вт/м² , C = 163.5 n = 0.264 m = 0.685

q > 20000 Вт/м² , C = 2.6 n = 0.203 m = 0.322

В аппаратах с вынесенной зоной кипения, а также в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечиваются высокие скорости движения растворов в трубках греющей камеры и, как следствие этого, устойчивый турбулентный режим течения.

Поэтому для вычисления коэффициентов теплоотдачи со стороны жидкости используется эмпирическое уравнение [7]:

Nu = 0.023 ^. Re^{0.8 .} Pr^0.4

Значения физических свойств, входящих в критерии подобия, находят при средней температуре потока, равной:

Распределение полезной разности температур:

Распределение полезной разности температур по корпусам проводим из условия равенства поверхностей теплопередачи в аппаратах установки:

где t_Пj, Q_j, K_j полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j -го корпуса.

Проверка суммарной полезной разности температур установки:

t_П = t_П1 + t_П2 + t_П3 = 22.163 + 21.0 + 22.67 = 67.83 ⁰C;

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

Найденные значения поверхности теплопередачи выпарных аппаратов отличаются от ориентировочно определённой ранее F_ОР. Поэтому в последующих приближениях необходимо вносить коррективы на изменение высоты трубы.

Таблица 6

Корпуса	1	2	3
Распределённые в 1-ом приближении tП,	22.163	21	24.67
Рассчитанные tП,	9.37	14.85	43.62

Как видно из табл. 3 рассчитанные полезные разности температур (из условия равного перепада давления в корпусах) и распределённые в 1-ом приближении (из условия равенства поверхности теплопередачи в корпусах) существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределять температуры (давления) между корпусами установки.

В основу этого перераспределения температур (давлений) кладут полезные разности температур, найденные по результатам распределения общей полезной разности из условия равенства поверхностей теплопередачи.

Второе приближение

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с первым приближением происходит только в 1 и 2 корпусах, где суммарные температурные потери незначительны, во втором приближении принимаем значения ^/, ^// и ^/// для каждого корпуса такими же, как и в первом приближении.

Таблица 4

№	Параметры	1 корпус	2 корпус	3 корпус
1	Производительность по выпаренной воде, W, кг/c	1.602	1.724	1.929
2	Концентрация растворов X, %	15.09	21.052	37
3	Температура пара, греющего пара tГ, оC	156	128.706	100.751
4	Полезная разность температур tП, оC	25.86	21.66	20.31
5	Температура кипения раствора, tК = tГ - tП, оC	133.837	107.706	76.082
6	Температура вторичного пара, tВП = tК - (/ + // ), оC	129.706	101.951	56.7

Рассчитываем тепловые нагрузки:

Q₁ = D₁ ^. (H_Г1 -h₁) = 1.03^. [G_Н ^. C_Н ^. (t_К1 - )+ W₁ ^. (H_В1 - C_В ^. t_К1) + Q_{1 КОНЦ}];

Q₂ = W₁ ^. (H_Г2 - h₂) = 1.03^. [(G_Н - W₁) ^. C₁ ^. (t_К2 - t_К1) +

+ W₂ ^. (H_В2 - C_В ^. t_К2) + Q_{2 КОНЦ}];

Q₃ = W₂ ^. (H_Г3 - h₃) = 1.03^. [(G_Н - W₁ - W₂) ^. C₂ ^. (t_К3 - t_К2) +

+W₃ ^. (H_В3 - C_В ^. t_К3) + Q_{3 КОНЦ}];

W = W₁ + W₂ + W₃

Q₁ = 3625, кВт Q₂ = 3482, кВт Q₃= 3984, кВт

Расчёт коэффициентов теплопередачи:

Расчёты, выполненные методом, описанным выше, приводят к следующим результатам:

K₁ = 1800, Вт/м^{2 .} К;

K₂ = 1707, Вт/м^{2 .} К;

K₃ = 1577, Вт/м^{2 .} К;

Распределение полезной разности температур:

Проверка суммарной полезной разности температур:

t_П = 21 + 21+ 26= 68⁰C.

Таблица 3

Корпуса	1	2	3
Распределённые tП во 2-ом приближении	21	21	26
Распределённые tП в 1-ом приближении	21	21	25

Различия в полезных разностях температур по корпусам из 1-ого и 2-го приближения не превышают 5%.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

По каталогу [4] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками.

Номинальная поверхность теплообмена: F_Н = 100 м²;

Диаметр труб: d = 38 ^x 2 мм;

Высота труб: H = 4000 мм;

Диаметр греющей камеры: d_К = 1000 мм;

Диаметр сепараторов: d_С = 1800 мм;

Общая высота аппарата: H_А = 13000 мм;

Масса аппарата: M_А = 8500 кг;

Диаметр циркуляционной трубы: d_ц=600 мм;

Определение толщины тепловой изоляции:

Толщина тепловой изоляции _И находится из равенства удельный тепловых потоков через слой изоляции и в окружающую среду для 1-го корпуса:

где _В - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м^2.К, [7].

_В = 9,3 + 0,058 ^. t_СТ2,

t_СТ2 - температура изоляции со стороны воздуха, принимаемая равной 35 45 ^оС;

t_СТ1 - температура изоляции со стороны аппарата. Ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_СТ1 принимают равной температуре греющего пара t_Г1;

t_В - температура окружающей среды, ^оС;

_И - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/м ^. К.

Выбираем в качестве тепловой изоляции совелит [13], имеющий коэффициент теплопроводности: _И = 0.09 Вт/м ^. К

_В = 9.3 + 0.058 ^. 35 = 11.33 Вт/м^2.К;

Толщина тепловой изоляции равна:

Принимаем толщину тепловой изоляции: 40 мм.

2. Расчёт барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках применяют обычно конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаётся в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20^ОC). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачиваются неконденсирующиеся газы. трехкорпусная выпарная установка конденсатор

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры барометрического конденсатора (диаметр и высота) и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

Определение расхода охлаждающей воды:

Расход охлаждающей воды G_В определяется из теплового баланса конденсатора:

где J_ВК - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

C_В - теплоёмкость воды, Дж/кг ^. К;

t_Н - начальная температура охлаждающей воды, ^ОC;

t_К - конечная температура смеси воды и конденсата, ^ОC.

Движущая сила теплопередачи на выходе из конденсатора должна быть 3 5 ^ОC, поэтому конечную температуру на выходе из конденсатора принимают на 3 5 градусов ниже, чем температура конденсации паров.

t_К = t_БК - 4 = 57.779- 4 = 51.3139^ОC

Расчёт диаметра барометрического конденсатора:

где _П - плотность паров в барометрическом конденсаторе, кг/м³;

V_П - скорость паров в барометрическом конденсаторе, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе 10⁴ 2 ^. 10⁴ Па. Скорость паров V_П принимают 15 25 м/c.

Полученное значение округляем до стандартного по ГОСТ26717-73, в соответствии с которым выбираем все размеры конденсатора.

Выбираем барометрический конденсатор с d_БК = 1000 мм.

Расчёт высоты барометрической трубы:

В соответствии с нормалями [14] внутренний диаметр барометрической трубы равен d_ВТ = 200 мм.

Скорость воды в барометрической трубе V_В равна

Высота барометрической трубы определяется из уравнения:

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений;

- коэффициент трения в трубе;

H_БТ, d_БТ - высота и диаметр барометрической трубы;

_В - плотность воды, кг/м³;

0.5 - запас высоты на изменение барометрического давления, м.

B = 98692-0.016^. 10⁶ = 82692Па;

= _ВХ + _ВЫХ = 0,5 + 1 = 1,5.

Определим режим движения воды в барометрической трубе:

= 0.01 (для гладких труб).

Откуда H_БТ = 9 м.

3. Расчёт вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса L_В определяется количеством несконденсированного газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

где 0.025 - количество неконденсирующихся газов [кг/с], выделяющихся на 1000 кг воды;

10 - количество газов [кг/с], подсасываемых через неплотности в конденсатор на каждые 1000 кг паров:

Объёмная производительность вакуум-насоса равна:

где R - газовая постоянная, Дж/(кмоль^.К);

M_В - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

t_В - температура воздуха, ^ОС;

P_В - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температура воздуха рассчитывается по уравнению:

t_В = t_Н + 4 + 0.1 ^. (t_К - t_Н) = 20 + 4 + 0.1 ^. (51.2 - 20) = 27.12^ОС.

Давление воздуха равно:

P_В = P_БК - P_n,

Где P_n - давление сухого насыщенного пара при t_В = 27 ^ОС, Па.

P_В = 0.016 - 0.003568 = 0.012432 МПа

Тогда:

По ГОСТу [15] подбираем по объёмной производительности V_В и остаточному давлению P_БК вакуум-насос типа ВВН - 12 с мощностью на валу вакуум-насоса N = 20 кВт.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были проведены расчёты установки, предназначенной для упаривания водного раствора NH₄CL от начальной концентрации 12% до конечной 37%.

Расход начального раствора для установки составляет 28 т/час.

К установке приняты выпарные аппараты с естественной циркуляцией и внешней греющей камерой (тип 1, исполнение 2).

Площадь поверхности теплообмена для одного выпарного аппарата составляет 100 м².

Так же выполнен расчёт вспомогательного оборудования: барометрического конденсатора, вакуум-насоса и рассчитана толщина теплоизолирующего слоя.

К установке принимаем барометрический конденсатор диаметром 1000 мм; расход охлаждающей воды составляет 34.5кг/сек;

Для удаления неконденсирующихся паров на основании расчётов применяем вакуум-насос ВВН-12 с мощностью на валу 20 кВт (по ГОСТ 1867-57).

Для тепловой изоляции выпарных аппаратов применяем слой совелита толщиной 40мм.

Список литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.,”Химия”, 1976, 552с.

2. ГОСТ 11987-73. Аппараты выпарные трубчатые.

3. Справочник химика, т. III, 1962., т У, М-Л., “Химия”, 1966, 974с.

4. Каталог УКРНИИХИММАШа. Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., 1972.

5. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов. Изд. 2-ое, Л.,”Химия” , 1976, 328с.

6. Воробьёва Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-ое, М., ”Химия”, 1975, 816с.

7. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-ое, М .,”Химия”, 1973, 750с.

8. Викторов М.М. Методы вычисления физико- химических величин и прикладные расчёты. Л.,”Химия”, 1977, 360с.

9. Чернышов А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номограмм для химико-технологических расчётов. Л.,”Химия”, 1974, 200с.

10. Тананайко Ю.М., Воронцов Е.Г. Методы расчёта и исследования плёночных процессов. Киев, “Техника”, 1975, 312с.

11. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчёты химической аппаратуры. Л., “Машиностроение”, 1970, 752с.

12. Альперт Л.В. Основы проектирования химических установок. М. “Высшая школа”, 1976, 272с.

13. Теплотехнический справочник. Т 2, М., “Энергия”, 1972, 896с.

14. ГОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.

15. ГОСТ 1867-57 Вакуум-насосы низкого давления.

16. Лекае В.М., Ёлкин Л.Н. Методические указания по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии. М., МХТИ, 1977, 84с.

17. Кафаров В.В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. М., “Наука”, 1972, 587с.

Размещено на Allbest.ru

...