Проектирование трёхкорпусной выпарной установки для концентрирования водного раствора KOH

Размещено на http://www.allbest.ru

Предисловие

Настоящее пособие написано для студентов, выполняющих курсовой проект по процессам и аппаратам химической технологии, с целью унификации требований, предъявляемых кафедрой к объёму расчётов при проектировании выпарных установок. С целью экономии времени, потребного для осуществления некоторых трудоёмких математических операций, предлагается выполнить решение системы уравнений теплового баланса и итерационный метод определения поверхности теплопередачи в выпарных аппаратах на ПЭВМ.

Наряду с примером расчёта трёхкорпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках, приводятся рекомендации по расчёту аппаратов других типов с принудительной циркуляцией, вынесенной зоной кипения, плёночных.

1. Задание на проектирование.

Спроектировать трёхкорпусную выпарную установку для концентрирования G_Н = 40000 кг/ч (11,12 кг/с) водного раствора KOH от начальной концентрации X_Н = 5% до конечной концентрации X_К = 40 %.

1. Обогрев производится водяным паром давлением P_r1 = 11 атм. (107,9^.10⁴Па).

2. Давление в барометрическом конденсаторе P_БК = 0,15 атм. (1,47^.10⁴ Па).

3. Тип выпарного аппарата: с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках.

4. Взаимное направление пара и раствора: прямоток.

5. Отбор экстра-пара не производится.

6. Раствор поступает в первый корпус подогретым до температуры кипения.

2. Определение поверхности теплообмена выпарных аппаратов

Расчёт многокорпусных выпарных установок проводят методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнений материального баланса:

W = Q* (1-X_Н/Х_К) = 11,12*(1-5/40) = 9,72 кг/с.

Расчёт концентраций упариваемого раствора.

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:



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 = 107,9^.10⁴-1,47^.10⁴ = 106,4^.10⁴ Па.

Тогда давление по корпусам равны:

P_r1 = 107,9^.10⁴ Па;

P_r2 = P_r1 - P_ОБ/3 = 107,9^.10⁴ - 106,4^.10⁴/3 = 72,42^.10⁴ Па;

P_r3 = P_r2 - P_ОБ/3 = 72,42^.10⁴ - 106,4^.10⁴/3 = 3,94^.10⁴ Па.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

P_БК = P_r3 - P_ОБ/3 = 36,94^.10⁴ - 106,4^.10⁴/3 = 1,47^.10⁴ Па.

Это соответствует заданной величине P_БК.

По давлению паров находим их температуры и энтальпии:

Табл. 1

Давление, Па	Температура, С.	Энтальпия, кДж/кг.
Pr1 = 107,9.104	tr1 = 183,2	J1 = 2787
Pr2 = 72,42.104	tr2 = 166,3	J2 = 2772
Pr3 = 3,94.104	tr3 = 140,6	J3 = 2741
PБК = 1,47.104	tБК = 53,6	JБК = 2596

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 ^/// для каждого корпуса по 1⁰, тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:



Сумма температурных потерь вследствие гидродинамических депрессий

По температурам вторичных паров определим их давления.

Табл. 2

Температура, С	Давление, Па
tВ1 = 167,3	PВ1 = 74,5.104
tВ2 = 141,6	PВ2 = 37,8.104
tВ3 = 54,6	PВ3 = 1,54.104

Определение гидростатической депрессии. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:

P_СР = P_В + H ^{. .} q ^. / 2,

где P_В - 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 = 30000 50000 Вт/м², аппаратов с принудительной циркуляцией раствора в корпусах q = 80000 100000 Вт/м². Примем q = 40000 Вт/м², тогда для 1-го корпуса ориентировочная поверхность будет равна:



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

По ГОСТу аппарата с естественной циркуляцией, соосной греющей камеры и кипением раствора в трубках (Тип 1, исполнение 1) имеют высоту кипятильных труб 4 и 5 м при диаметре труб d_Н = 38 мм и толщине стенки _СТ = 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 KOH по корпусам при t = 15⁰C равна

₁ = 1062 кг/м³;

₂ = 1104 кг/м³;

₃ = 1399 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_B1 + H ^. ₁ ^. g1 ^. / 2 = 74,3 ^. 10⁴ + 4 ^. 1062 ^. 9.8 / 2 = 75,5 ^. 10⁴ Па;

P_2СР = P_B2 + H ^. ₂ ^. g₂ ^. / 2 = 37,8 ^. 10⁴ + 4 ^. 1104 ^. 9.8 / 2 = 38,9 ^. 10⁴ Па;

P_3СР = P_B3 + H ^. ₃ ^. g₃ ^. / 2 = 1,54 ^. 10⁴ + 4 ^. 1399 ^. 9.8 / 2 = 2,91 ^. 10⁴ Па;

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:

Табл. 3

Давление, Па	Температура, С	Теплота испарения, кДж/кг
P1СР = 75,5 . 104	t1СР = 168,0	rВ1 =2068
P2СР = 38,9 . 104	t2СР = 142,8	rВ2 =2140
P3СР = 2,91 . 104	t3СР = 68,3	rВ3 =2340

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.

Тогда температурная депрессия по корпусам равна:

Сумма температурных депрессий равна:



Температуры кипения раствора по корпусам:

При расчёте температуры кипения в плёночных выпарных аппаратах (тип V и VI, см. приложение №1) не учитывают гидростатическую депрессию ^//.

Температуру кипения находят как среднюю между температурами кипения растворов с начальной и конечной концентрациями при давлении в данном корпусе.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения, как с принудительной, так и с естественной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой. Кипение в трубах предотвращается за счёт гидростатического столба жидкости в трубе закипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по отношению к температуре кипения на верхнем уровне раздела фаз, Поэтому в этих аппаратах температуру кипения раствора также определяют также без учёта гидростатических температурных потерь ^//. Температура перегрева раствора t_ПЕР может быть найдена из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Баланс тепла для j корпуса записывается в следующем виде:

G_нj ^. C_нj ^. (t_кj - t_кj-1) + M^. C_нj^. t_перj,

где M - производительность циркуляционного насоса, кг/с определяют по каталогу для выпарного аппарата заданного типа, имеющего поверхность равную F_ОР.

Циркуляционные насосы в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечивают развитый турбулентный режим при скоростях раствора в трубках V = 2,0 2,5 м/с.

В аппаратах с вынесенной нагревательной камерой и естественной циркуляцией раствора обычно достигаются скорости V = 0,6 0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркуляционного раствора равна:

M = V ^. S ^. ,

где S - сечение потока в аппарате, м².

где d_ВН - внутренний диаметр труб, м; H - принятая высота труб, м.

Таким образом, температура перегрева в j - ом аппарате равна:

Полезная разность температур в этом случае может быть рассчитана по уравнению:

_.

Полезные разности температур по корпусам.

t_П1 = t_г1 - t_К1 = 183,2 - 170,07 = 13,13^оС.

t_П2 = t_г2 - t_К2 = 166,3 - 146,74 = 19,56^оС.

t_П3 = t_г3 - t_К3 = 140,6 - 87,43 = 53,17^оС.

Суммарная полезная разность температур:

t_П =t_П1 + t_П2 + t_П3 = 13,13 + 19,56 + 53,17 = 85,86^оС.

Проверка суммарной полезной разности температур:

t_П = t_г1 - t_БК1 - (^/ + ^// + ^///) =183,2 -53,6 - (24,14 + 16,6 +3,0) = 85,86^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 ^. (J_Г1 - i₁) = 1,03^. [G_Н ^. C_Н ^. (t_К1 - t_К) W₁ ^. (J_В1 - C_В ^. t_К1) + Q_{1 КОНЦ}];

Q₂ = W₁ ^. (J_Г2 - i₂) = 1,03^. [(G_Н - W₁) ^. C₁ ^. (t_К2 - t_К1) + W₂ ^. (J_В2 - C_В ^. t_К2) + Q_{2 КОНЦ}];

Q₃ = W₂ ^. (J_Г3 - i₃) = 1,03^. [(G_Н - W₁ - W₂) ^. C₂ ^. (t_К3 - t_К2) + W₃ ^. (J_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; J₁, J₂, J₃ энтальпии греющих паров по корпусам кДж/кг; J_В1, J_В2, J_В3 - энтальпии вторичных паров по корпусам кДж/кг;

При решении уравнения баланса можно принимать, что:

J_В1 J_Г2; J_В2 J_Г3; J_В3 J_БК;

где: i₁, i₂, i₃ - 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; 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.

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому проведём расчёт теплоты концентрирования для 3-го корпуса.

Q_{3 КОНЦ} = G_СУХ ^. q,

где Q_{3 КОНЦ} - производительность аппарата по сухому веществу KOH, кг/с; q - разность интегральных теплот растворения при концентрациях X₂ и X₃, кДж/кг.

Q_{3 КОНЦ} = G_П ^. X_Н ^. q = 11.12 + 0,05 ^. (963,7 - 838,0) = 69,9 кВт.

Сравним Q_{3 КОНЦ} с ориентировочной нагрузкой для 3-го корпуса Q_{3 ОР}:

Q_{3 ОР} = (G_Н - W₁ - W₂) ^. (t_К3 - t_К2) + W₃ ^. (J_В3 - C_В ^. t_К3) = (11,12 - 2,95 - 3,24) ^. 3,58 ^. (87,0 - 146,74) + 3,53 ^. (2596 - 4,19 ^. 87,43) = 6816 кВт.

Q_{3 КОНЦ} составляет значительно меньше 3% от Q_{3 ОР}, поэтому в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_{3 КОНЦ}.

Q₁ = D ^. (2787 - 778,1) = 1,03 ^.[11,12 ^. 3,9 ^. (170,7 - 168,3) + W₁ ^. (2772 - 4,19 ^. 170,07)];

Q₂ = W₁ ^. (2772 - 704) = 1,03 ^.[(11,12 - W₁) ^. 3,85 ^. (146,74 - 170,07) + W₂ ^. (2741 - 4,19 ^. 146,74)];

Q₃ = W₂ ^. (2741 - 593) = 1,03 ^.[(11,12 - W₁ - W₂) ^. 3,58 ^. (87 - 146,74) + W₃ ^. (2596 - 4,19 ^. 87,43)];

9,72 = W₁ + W₂ + W₃.

Решение системы уравнений даёт следующие результаты:

D = 3,464 кг/с.

W₁ = 3,04 кг/с Q₁ = 6407 кВт.

W₂ = 3,21 кг/с Q₂ = 6099 кВт.

W₃ = 3,47 кг/с Q₃ = 6896 кВт.

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (W₁ = 2,95 кг/с, W₂ = 3,24 кг/с, W₃ = 3,53 кг/с) не превышает 3 %, 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 1. Параметры растворов и паров по корпусам

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус
1	Производительность по упариваемой воде, W, кг/с.	3,04	3,21	3,47
2	Концентрация растворов, X, %	6.8	11,3	40,0
3	Давление греющих паров, PГ, Па	107,9 . 104	72,42 . 104	36,94 . 104
4	Температура греющих паров, tГ, C	183,2	166,3	140,6
5	Температурные потери, , град.	3,77	6,14	33,83
6	Температура кипения раствора, tК, C	170,07	146,74	87,43
7	Полезная разность температур, tП, град.	13,13	19,56	53,17

Выбор конструкционного материала.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора KOH в интервале изменения концентраций от 5 до 40 %. 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 коэффициентов теплопередачи.

Расчёт коэффициента теплопередачи в первом корпусе.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара ₁ к стенке равен:

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; _Ж1, _Ж, _Ж плотность (кг/м²). Теплопроводность (Вт/м^.К), вязкость (Па) конденсата при средней температуре плёнки, соответственно.

t_ПЛ = t_Г1 - t₁/2,

где: t₁ - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчёт ₁ ведут методом последовательных приближений.

1-ое приближение.

Примем - t₁ = 2,0⁰C, 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 ^. / = 10500 ^. 2 ^. 2,87 ^. 10^-4 = 6,03^OC.

Тогда:

t₂ = t_П1 - t_СТ - t₁ = 13,13 -6,03 -2,0 = 5,1^OC.

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

q₁ = ₁ ^. t₁ = 10500 ^. 2 = 21000 Вт/м²;

q₂ = ₂ ^. t₂ = 7355 ^. 5,1 = 37510 Вт/м²;

Таблица 2. Физические свойства кипящих растворов и паров по корпусам

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус
1	Теплопроводность раствора, , Вт/м, К	0,61	0,62	0,69
2	Плотность раствора, , кг/м3	1062	1104	1399
3	Теплоёмкость раствора, C, Вт/кг. К	3771	3561	2765
4	Вязкость раствора, , Па . с	0,1 10-3	0,29 10-3	0,7 10-3
5	Поверхностное натяжение, , Н/м	0,058	0,066	0,099
6	Теплота парообразования, rВ, Дж/кг	2068 10-3	2148 10-3	2372 10-3
7	Плотность пара, П, кг/м3	3,75	2,0	0,098
8	Плотность пара при 1 атм., 0, кг/м3	0,579	0,579	0,579

2-ое приближение.

Примем - t₁ = 3,0⁰C, тогда:

_.

t_СТ = 9500 ^. 3 ^. 0,287 ^. 10^-3 = 8,18 ^OC.

t₂ = 13,13 -3 -8,18 = 1,95 ^OC.

_.

q₁ = 9500 ^. 3 = 28500 Вт/м²;

q₂ = 8834 ^. 1,91 = 17220 Вт/м²;

3-ье приближение.

Строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от принятой разности температур t₁.

t_СТ = 9833 ^. 2,6 ^. 0,278 ^. 10^-3 = 7,34^OC.

t₂ = 13,13 -2,6 -7,34 = 3,19^OC.

_.

q₁ = 9833 ^. 2,6 = 25570 Вт/м²;

q₂ = 8276 ^. 3,19 = 26400 Вт/м²;

Если расхождение тепловых нагрузок не превышает 3%, то на этом расчёт коэффициентов ₁ и ₂ заканчивают.

Расчёт коэффициента теплопередачи во 2-ом корпусе.

_.

t_СТ = 8633 ^. 4,1 ^.0,287 ^. 10^-3 = 10,16^OC.

t₂ = 19,56 -4,1 -10,16 = 5,3^OC.

_.

q₁ = 8633 ^. 4,1 = 35395 Вт/м²;

q₂ = 6848 ^. 5,3 = 36294 Вт/м²;

Расчёт коэффициента теплопередачи в 3-ьем корпусе:

t_СТ = 5722 ^. 16,0 ^.0,287 ^. 10^-3 = 26,3 ^OC.

t₂ = 53,17 -16,0 -26,3 = 10,87 ^OC.

_.

q₁ = 5722 ^. 16,0 = 91550 Вт/м²;

q₂ = 8317 ^. 10,87 = 90410 Вт/м²;

Коэффициент теплоотдачи при кипении в плёночных выпарных аппаратах рекомендуется 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:

где: - кинематическая вязкость раствора, м2/с; g - ускорение свободного падения м/с²:

,

где: - 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:

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 = 26,36 + 27,09 + 32,41 = 85,86 ⁰C.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов.

Найденные значения поверхности теплопередачи выпарных аппаратов отличаются незначительно от ориентировочно определённой ранее F_ОР. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высота, диаметр и число труб).

Таблица 3. Сравнение распределённых и рассчитанных значений полезных разностей температур.

Корпуса	1	2	3
Распределённые в 1-ом приближении tП,	26,36	27,09	32,41
Рассчитанные tП,	13,13	19,16	53,17

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.

Q₁ = 1,03 ^. [11,12 ^. 3,9 ^. (156,84 -154,8) + 3,04 ^. (2762-4,19 ^. 156,84)] = 6515 кВт;

Q₂ = 1,03 ^. [8,08 ^. 3,85 ^. (125,98 -156,84) + 3,21 ^. (2712-4,19 ^. 125,98)] = 6231 кВт;

Q₃ = 1,03 ^. [4,87 ^. 3,58 ^. (87,43 -125,98) + 3,47 ^. (2596-4,19 ^. 87,43)] = 7186 кВт.

Таблица 4. Параметры растворов и паров по корпусам

№	Параметры	1 корпус	2 корпус	3 корпус
1	Производительность по выпаренной воде, W, кг/c	3,04	3,21	3,47
2	Концентрация растворов X, %	6,8	11,3	40,0
3	Температура пара, греющего 1 корпус tГ, оC	183,2	-	-
4	Полезная разность температур tП, оC	23,36	27,09	32,41
5	Температура кипения раствора, tК=tГ-tП, оC	156,84	125,98	87,43
6	Температура вторичного пара, tВ=tК-(/+//), оC	154,07	120,84	54,60
7	Давление вторичного пара PВ, Па	52,97 . 104	20,04 . 104	1,54 . 104
8	Температура греющего пара, tГ= tВ-///, оC	-	153,07	119,84

Расчёт коэффициентов теплопередачи.

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

K₁ = 2022 Вт/м^{2 .} К;

K₂ = 1870 Вт/м^{2 .} К;

K₃ = 1673 Вт/м^{2 .} К.

Распределение полезной разности температур.

Проверка суммарной полезной разности температур:

t_П = 25,50 + 26,43 + 33,93 = 85,86⁰C.

Таблица 5. Сравнение полезных разностей температур

Корпуса	1	2	3
Распределённые tП во 2-ом приближении	25,50	26,43	33,93
Распределённые tП в 1-ом приближении	26,36	27,09	32,41

Различия в полезных разностях температур по корпусам из 1-ого и 2-го приближения не превышают 5%. В случае, если это различие более 5%, необходимо выполнить следующее, 3-ье приближение, в основу расчёта которого принять t_П по корпусам для 2-го приближения, и так далее до совпадения полезных разностей температур.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов.

По каталогу выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками.

Номинальная поверхность теплообмена F_Н = 160 м².

Действительная поверхность теплообмена F_Д = 154 м².

Число труб n = 823 шт.

Диаметр труб d = 38 ^x 2 мм.

Высота труб H = 4000 мм.

Диаметр греющей камеры d_К = 1000 мм.

Диаметр сепараторов d_С = 2000 мм.

Общая высота аппарата H_А = 9800 мм.

Масса аппарата M_А = 8800 кг.

3. Прочностные расчёты элементов выпарного аппарата.

Расчёт толщины трубной решётки.

Толщина трубной решётки (плиты) h определяется по уравнению:

где d_Н- диаметр греющей камеры, м; P - расчётное давление в 1-ом корпусе, равное разности, _д - допускаемое напряжение материала трубной решётки, Мн/м².

P = P_Г1-P_В, м;

коэффициент ослабления трубной плиты отверстиями:

где d - сумма диаметров отверстий в трубной плите [м] на диаметре d_К

d = ( d_К/t - 1) ^. d_Н;

где шаг разбивки отверстий по ГОСТу; d_Н - наружный диаметр труб, м.

P = 1,0 - 0,738 = 0,262 Мн/м².

d = (1,0/0,048 - 1) ^. 0,038 = 19 ^. 0,038.

Следовательно:

Принимаем толщину трубной решётки 40 мм.

Расчёт толщины обечайки.

Толщина обечайки определяется по уравнению:

где Pr₁ - давление греющего пара 1-го корпуса, Мн/м²; ₁ - коэффициент прочности сварного шва, равный ₁ = 0,85: C - поправка на коррозию, принимаемая 2 8 мм в зависимости от скорости коррозии материала обечайки, м.

Принимаем толщину обечайки 10 мм.

4. 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.

_В = 9,3 + 0,058 ^. t_СТ2,

где 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, имеющий коэффициент теплопроводности _И = 0,09 Вт/м ^. К.

_В = 9,3 + 0,058 ^. 40 = 11,6 Вт/м^2.К.

Толщина тепловой изоляции равна

Принимаем толщину тепловой изоляции 55 мм.

5. 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.

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 - 3 = 53,6 - 3,0 = 50,6 ^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.

По нормали НИИХИММАШа подбираем ближайший больший расчётного диаметра конденсатор и определяем его размеры.

Выбираем барометрический конденсатор с d_БК = 1600 мм.

Расчёт высоты барометрической трубы.

В соответствии с нормалями внутренний диаметр барометрической трубы равен d_ВТ = 300 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; H_БТ, d_БТ - высота и диаметр барометрической трубы; _В - плотность воды, кг/м³;

0,5 - запас высоты на изменение барометрического давления, м.

B = (1 - 0,15) ^. 9,8 ^. 10⁴ = 8,31 ^. 10⁴ Па.

= _ВХ + _ВЫХ = 1,0 + 1,5 = 2,5.

Определим режим движения воды в барометрической трубе:

= 0,013 (для гладких труб).

Откуда H_БТ = 10,1 м.

6. Расчёт производительности вакуум-насоса

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

где 0,025 - количество несконденсирующихся 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 ^. (50.6 - 20) = 27 ^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 = 0,15 ^. 9,8 ^. 10⁴ - 0,039 ^. 9,8 ^. 10⁴ = 1,09 ^. 10⁴ Па.

Тогда

По ГОСТу подбираем по объёмной производительности V_В и остаточному давлению P_БК вакуум-насос типа ВВН - 25 с мощностью на валу вакуум-насоса N = 48 кВт.

В дальнейшем по рекомендуемой литературе подлежит расчёту и подбору по нормалям, каталогам и ГОСТам:

1. Объём и размеры емкостей для исходного и упаренного растворов.

2. Потребный напор и поверхность теплообменника-подогревателя.

3. Диаметры трубопроводов и штуцеров.

4. Конденсатоотводчики.

гидростатический выпарной тепловой

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.

Размещено на Allbest.ru

...