Расчёт двухкорпусной выпарной установки

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах ( ⁰С ) равны:

Сумма гидродинамических депрессий:

⁰С.

По температурам вторичных паров определим их давления [1, табл.LVI]. Они соответственно равны ( МПа): МПа; МПа.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности.

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

где Н - высота кипятильных труб в аппарате, м;

- плотность кипящего раствора, кг ?м³;

- паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³ ?м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляцией Вт ?м². Примем Вт ?м² и . Тогда поверхность теплопередачи 1 - го корпуса ориентировочно равна:

, м²,

где - теплота парообразования вторичного пара в первом корпусе, Дж ?кг.

Из табл. LVI [1] по значению величина

Тогда:

м².

По ГОСТ 11987 - 81 [3] трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и внутренней греющей камерой состоят из кипятильных труб высотой 4 м при диаметре d_н=38 мм и толщиной стенки 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.

Плотность для раствора NaNO₃ при соответствующих концентрациях равны:

₁= 1098кг/м³

₂=1317кг/м³

Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

.

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

Р, МПа t, ^oC r, кДж ?к

Р_1СР = 0,347 t _1СР = 134 r_ВП1 = 2167

Р_2СР = 0,112 t _2СР = 99,5 r_ВП2 = 2260

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ⁰С):

,

.

Сумма гидростатических депрессий:

.

Температурную депрессию определяем по уравнению

Находим значение по корпусам:

Сумма температурных депрессий:

12,7 + 0,03 = 12,73⁰С.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ^оС):

3.4 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам (в ⁰С) равны:

160 - 149,7 = 10,3⁰С

130 - 100= 30 ⁰С

Тогда общая полезная разность температур:

10+ 30 = 40 ⁰С.

Проверим общую полезную разность температур:

160 - 98,2 - (2 + 12,73 + 3,03) = 44⁰С.

3.5 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1 - й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

.

.

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду; С_н,, С₁ - теплоемкости растворов соответственно исходного и в первом корпусах. По табл. II - 295 [2] С_н = 1,1199 кДж ?кг·к, С₁ = 1,3069 кДж ?кг·к. Q_1конц, Q_2конц - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в 1- м корпусе;

t_н = t_вп1 + = 131 + 1 = 132 ⁰С.

Можно принять I_вп1 I_гп2 2114,4кДж ?кг; I_вп2 I_бк 2268 кДж ?кг.

Рассчитаем теплоту концентрирования для 2 - го корпуса:

Q_2конц = G_сух·q = G_H·x_н·q

где q - разность интегральных теплот растворения при концентрациях х₁ и х₂, кДж ?кг.

Q_2конц = 5,55·0,15·153,6= 127,8кВт.

Сравним Q_2конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 2- го корпуса Q_2ор:

кВт.

Поскольку Q_2конц составляет значительно меньше 3 % от Q_2ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_2конц.

W=1,93+2,12=4,05.

Получим систему уравнений:

Q₁=D·(2061-692)=1,03·(2114,4 - 4,19·100);

Q₂=·(2114,4-581)=1,03·[(5,55-)·1,3069·(100-150)+(2268-4,19·100)];

.

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D=2,78кг?с; =2,18 кг?с; =1,87 кг?с; Q₁ =3805,8 кВт; Q₂ =3342,8 кВт.

Результаты расчета сведены в таблицу:

Параметр	Корпус 1	Корпус 2
Производительность по испаряемой воде, w, кг ?с	2,18	1,87
Концентрация растворов х, %	23	55
Давление греющих паров, РГП, МПа	0,605	0,35
Температура греющих паров tГП, 0С	160	130
Температурные потери , град	12,73	3,03
Температура кипения раствора tк, 0С	150	100
Полезная разность температур tп	10,3	30

Поскольку вычисленные нагрузки по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не отличаются, пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам не будем.

3.6 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaNO₃ в интервале изменения концентраций от 5 до 60 %.

В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. скорость коррозии её не менее 0,1 мм ? год, коэффициент теплопроводности = 25,1 Вт ?(м·К) [3].

3.7 Определение коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

.

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

= 0,002 ? 25,1 + 0,005 ? 2 = 2,87·10^-4 м²·К ?Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен:

.

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж ?кг; по табл. LVII [1] по Р_ГП1 = 6,171 кг·с ?см² r₁ = 2058,42 кДж ?кг;

- соответственно плотность (кг?м³), теплопроводность Вт ?(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки t_пл = t_гп1 - t₁ ?2, где t₁ - разность температур конденсации пара и стенки, град. t_пл= 160 - 2 ?2=159 ⁰С.

=906 кг ?м³; =68, 29·10^-2 Вт ?м·к; =0,173·10^-3 Па·с. [табл. XXXIX, 1].

Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем t₁=2 град. Тогда

Вт ?(м²·к).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

,

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт ?м²; - перепад температур на стенке, град; - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

град.

Тогда

град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору:

.

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Вт?м²;

Вт?м².

Как видим, .

Для второго приближения примем

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1 ⁰С, рассчитываем Ё»₁ по соотношению:

Тогда получим:

Проверим правильность второго приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Как видим

Находим К₁:

Вт ?(м²·к).

Далее рассчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂. для этого найдем:

Вт ?(м²·к).

град.

град.

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Вт?м²;

Вт?м².

Как видим, .

Определим К₂:

Вт ?(м²·к).

3.8 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

,

где , Q_i, K_i - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j - го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

град;

град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

.

Тогда:

м²;

м².

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных изменений аппарата.

По ГОСТ 11987-81 выбираем выпарной аппарат с следующими характеристиками [2]:

Поверхность теплообменника,	63м2
Диаметр труб,
Высота труб,	4000мм
Диаметр греющей камеры,	600мм
Диаметр сепаратора,	1600мм
Диаметр циркуляционной трубы,	400мм
Общая высота аппарата,	19500мм
Масса аппарата,	9500кг

4. Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

,

где =9,3+0,058· - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт ?(м²·к); - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирают в интервале 35 - 45 ⁰С, = 40 ⁰С; - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенок аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции принимаем равной температуре греющего пара ; t_в - температура окружающей среды (воздуха), ⁰С, t_в=20 ⁰С; - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт ?(м²·к). Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1 - го корпуса: Вт ?(м²·к).

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85 % магнезит + 15 % асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности = 0,09 Вт ?(м²·к).

Тогда получим:

м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,036 м и для других корпусов.

5. Расчет барометрического конденсатора

5.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_В определяют из теплового баланса конденсатора:

,

где I_БК - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж ?кг; t_н - начальная температура охлаждающей воды, ⁰С, t_н=16 ⁰С; t_к - конечная температура смеси воды и конденсатора, ⁰С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 - 5 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

t_К= t_БК - 3=98,3- 3 = 95,3 ⁰С.

Тогда

кг ?с.

5.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_БК определяют из уравнения расхода:

,

где - плотность паров, кг ?м³,

=0,066227 кг ?м³ при Р_ВП2=0,099 ;

- скорость паров, м ? с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров = 15 - 25 м ? с, = 20 м ? с. Тогда

м.

выбираем барометрический конденсатор диаметром d_БК=1600 мм [приложение 4.6, 4].

5.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической трубы d_БТ равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

м ?с.

Высота барометрической трубы:

,

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений;

- коэффициент трения в барометрической трубе;

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

В = Р_атм - Р_БК = 9,8·10⁴ - 9,5·10⁴ = 0,3·10⁴ Па.

,

где - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.

Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

При t_БК=45⁰С =0,5922·10^-3 Па·с. При Re=129078 =0,013 [1].

Подставив указанные значения в формулу, получим:

.

Отсюда находим Н_БТ = 9 м.

6. Расчет производительности вакуум-насоса

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

,

где 2,5·10^-5 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

Тогда:

кг ?с.

Объемная производительность вакуум - насоса равна:

,

где R - универсальная газовая постоянная, Дж ?(кмоль·К);

М_возд - молекулярная масса воздуха, кг ?моль;

t_возд - температура воздуха, ⁰С;

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

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

t_возд=t_в+4+0,1·(t_к - t_Н)=20+4+0,1·(95,3-16)=32 ⁰С.

Давление воздуха равно:

Р_возд = Р_БК - Р_П,

где Р_П - давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд = 32 ⁰С. Р_П=4790,22 Па.

Подставив получим:

Р_возд = 9,5·10⁴ -0,45·10⁴ = 9,05·10⁴ Па.

Тогда

м³ ?мин.

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_БК, по каталогу подбираем вакуум - насос типа ВВН - 12 мощностью на валу N = 20 кВт [4, приложение 4.7].

7. Методы интенсификации процессов выпаривания

Реализуются три основных направления:

1) интенсификация теплообмена - применение развитых поверхностей нагрева, например в виде набора стальных пластин, тонкостенных (1,2-1,5 мм) и ребристых труб, а также труб со спец. турбулизаторами в форме внутренних кольцевых выступов или проволочных спиральных вставок;

2) снижение накипеобразования - использование, например, затравочных кристаллов, способствующих массовой кристаллизации в объеме раствора, или антиадгезионных полимерных покрытий;

3) экономия энергозатрат - применение, например, экстра-пара и конденсата для нагревания исходного раствора либо его предварительное концентрирование с помощью мембранного разделения [5].

Список используемых источников

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1981. 560 с.

2. ГОСТ 11987 - 81. Аппараты выпарные трубчатые.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию ? Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2 - е изд., перераб. и дополн. М.:Химия,1991. - 496 с.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.Химия, 1983. 272 с.

5. http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_697.html

Размещено на Allbest.ru

...