Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая на тему

“Расчет и проектирование выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора СaСL₂”

Содержание

1. Расчет выпарного аппарата

1.1 Производительность установки по выпариваемой воде

1.2 Концентрации упариваемого раствора

1.3 Температуры кипения растворов

1.4 Полезная разность температур

1.5 Определение тепловых нагрузок.

1.6 Выбор конструкционного материала

1.7 Расчет коэффициентов теплопередачи

1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

1.9 Определение толщины тепловой изоляции

Список использованной литературы

1. Расчет выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F=Q/(К·Дt_п); (3.1)

где Q-тепловые нагрузки, К-коэффициент теплопередачи, Дt_п -полезная разность температур.

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Дt_п необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов и их температуры кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

1.1 Производительность установки по выпариваемой воде

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W=G_н*(1-х_н/x_к); (3. 2)

Подставив, получим:

W= 10 *(1-15/46) = 6,739 кг/с.

1.2 Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

щ ₁: щ ₂: щ₃ = 1,0:1,1:1,2

W = 74,4 кг/с

Тогда:

щ ₁= 1,0*W/(1,0+1,1+1,2) = 1,0*W/3,3 = 1,0*6,739/3,3 = 2,042 кг/с;

щ ₂ = 1,1*W/3,3 = 1,1*6,739 /3,3 = 2,246 кг/с;

щ ₃= 1,2*W/3,3 = 1,2*6,739/3,3 = 2,45 кг/c.

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

х₁ = G_н*х_н/(G_н- щ₁) = 10*0,15/(10 - 2,042) = 1,5/7,958 =0,188= 18,8%

х₂ = G_н*х_н/(G_н- щ₁- щ₂) = 10*0,15/(10-2,042-2,246) = 1,5/5,712= = 0,2626 = 26,26 %.

x₃= G_н*х_н/(G_н - щ₁- щ₂- щ₃) = 10*0,15/(10-2,042-2,246-2,45) = 0,4601 = 46,01 %.

Получили, что х₃ ? х_к ,т.е. концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_к

1.3 Определение температуры кипения растворов

Общий перепад давления в установке равен (значение давления греющего пара P_г1 в первом корпусе выбираем приближенно, основываясь на том, что температура поступающего на выпарку раствора должна быть выше температуры кипения:

P_об = P_г1- P_бк = 1,1- 0,025 = 1,075;

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:

P_г1= 1,075;

P_г2 = P_г1 - P_об/3 = 1,1 - 1,075/3 = 0,74;

P_г3 = P_г2 - P_об/3 = 0,74 - 1,075/3 = 0,38.

Исходя из найденных значений давления, найдем температуры и энтальпии греющих паров для каждого корпуса [1].

Таблица1

Параметры	Корпус
	1	2	3
Давление греющего пара Ргn, МПа	1,1	0,74	0,38
Температура греющего пара tn, °С	183,2	165,1	140
Энтальпия греющего пара In, кДж	2787	2770	2740

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

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара на сумму температурных потерь ? от температурной, гидростатической и гидродинамической депрессий. Обозначим температурную, гидростатическую и гидродинамическую депрессии соответственно через ^', ^'' и ^'''.

Температура пара в барометрическом конденсаторе равна t_бк= 64,2єС, что соответствует давлению в барометрическом конденсаторе 25кПа [1].

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают ^''' = (1,0 - 1,5) °С на корпус. Примем для каждого корпуса ^'''= 1°С. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:

t_вп1 = t_г2 + ^'''₁ = 165,1 + 1=166,1;

t_вп2 = t_г3 + ^'''₂ = 140 + 1 = 141;

t_вп3 = t_бк + ^'''₃ = 64,2 + 1 = 65,2 .

Сумма гидродинамических депрессий

?^''' = ^'''₁ + ^'''₂ + ^'''₃ = 1+1+1= 3°С.

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно (в МПа): Р_вп1 = 0,749; Р_вп2 = 0,39; Р_вп3 = 0,026.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора P_ср каждого корпуса определяется по уравнению

P_ср = Р_вп +сgH(1- е)/2, (3.3)

где Н - высота кипятильных труб в аппарате;

с - плотность кипящего раствора, кг/м³;

е - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем раствора), м³/м³.

Для выбора значения H необходимо ориентировачно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_ор раствора. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000-50000 Вт/м² . Тогда поверхности передачи корпусов ориентировачно равны:

F_ор = Q/q = w*r/q, (3.4)

F_ор1= 2,042*2067*10³ /30000 = 140,69 м²

где r - теплота образования вторичного пара, Дж/кг (r₁ = 2067 кДж/кг)

По ГОСТ 11987-81 [2] выпарные аппараты с естесственной циркуляцией, соосной греющей камерой и солеотделением (тип1, исполнение 3) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре d_н= 38 мм и толщине стенки д_ст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляют е = 0,4 - 0,5. Плотность раствора CaCl₂ при температуре 20°С и соответствующих концентрациях в корпусах: с₁= 1109 кг/м³, с₂= 1236 кг/м³, с₃=1392 кг/м³ [3].

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышение температуры ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировачно принятого значения е.

Давление в среднем слое кипящего раствора P_ср равно:

P_ср=P_вп+gН/4; (3.5)

где - плотность кипящего раствора, кг/м³;

H - высота кипятильных труб в аппарате, м.

P_3ср=P_вп3 +₃gН/4 = 0,026*10⁶ +1392*9,81*4/4 = 0,0397 МПа;

P_2ср=P_вп2 +₂gН/4 = 0,376*10⁶ +1236*9,81*4/4 = 0,388 МПа;

P_1ср=P_вп1 +₁gН/4 = 0,744*10⁶ +1109*9,81*4/4 = 0,75 МПа.

Для выбранного типа аппарата H = 4 м.

Этому давлению соответствует следующая температуры кипения и теплота испарения растворителя [1],[таблица2].

Таблица2

Параметры	Корпус
	1	2	3
Давление в среднем слое Pср (Мпа)	0,755	0,388	0,0397
Температура среднего слоя tср, (°С)	166,3	142	75
Теплоты испарения растворителя rвп, кДж/кг	2070	2145	2324

Определим гидростатическую депрессию по корпусам в (°С):

''₁= t_1ср- t_вп1= 166,3 -166 = 0,3°С;

''₂= t_2ср- t_вп2= 142 -141 = 1°С;

''₃= t_3ср- t_{вп 3} = 75 - 65,2 = 9,8°С;

Сумма гидростатических депрессий

У'' = ''₁ + ''₂ + ''₃ = 0,3 + 1 + 9,8 = 11,1°С.

Температурная депрессия ' определяется по уравнению:

выпарной аппарат температура теплоотдача

'=1,62*10 ^-2(Т²/r_вп)*'_атм. (3. 6)

где Т - температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

'атм - температурная депрессия при атмосферном давлении;

По справочной литературе [2] определим '_атм:

'_атм1 = 3,8 °С; '_атм2 = 6,5 °С; '_атм3 = 25 °С;

Находим значения ' по корпусам:

'₁ = 1,62*10^-2(75 + 273)²*3,8/2070 = 3,6 °С

'₂ = 1,62*10^-2(142 + 273)²*6,5/2145 =8,45 °С

'₃ = 1,62*10^-2(166,3 + 273)²*25/2324 = 33,63 °С

Сумма температурных депрессий

У' = '₁ + '₂ + '₃ = 3,6 + 8,45+ 33,63 = 45,68 °С

Суммируем депрессии:

_max = ?^''' + ?^'' + ?^' = 3 + 45,68 + 11,1 = 59,78 °С

Тогда температура кипения растворов в корпусах равны:

t_к1 = t_г2 + '₁ + ''₁ + '''₁ = 165,1 + 1 + 0,3 + 3,6 = 170 °С;

t_к2 = t_г3 + '₂ + ''₂ + '''₂ = 140 + 1 + 1 + 8,45 = 150,45 °С;

t_к3 = t_бк + '₃ + ''₃ + '''₃ = 64,2 + 1 + 9,8 + 33,63 = 108,63 °С;

1.4 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

Уt_п= t_п1+t_п2+t_п3.

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

t_п1 = t_г1 - t_к1 = 183,2 - 170 = 13,2;

t_п2 = t_г2 - t_к2 = 165,1 - 150,45= 14,65;

t_п3 = t_г3- t_к3 = 140- 108,63 = 31,37.

Суммируем полезные разности температур

Уt_п= 13,2 + 14,65 + 31,37 = 59,22.

1.5 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:

Q1=D*(I_г1-i₁)=1,03*[G_н*С_н*(t_к1-t_н)+щ₁*(I_вп1-С_в* t_к1)+Q_конц1]; (3.7)

Q2= щ₁*(I_г2-i₂)=1,03*[(G_н- щ₁)*С₁*(t_к2-t_к1)+щ₂*(I_вп2-С_в* t_к2)+Q_конц2]; 3.8)

Q3= щ₂*(I_г3-i₃)=1,03*[(G_н- щ₁ - щ₂ )*С₂*(t_к3-t_к2)+щ₃*(I_вп3-С_в* t_к3)+Q_конц3]; (3.9)

W= щ₁ +щ₂+ щ_3; (3.10)

где 1,03--коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

С_н , С₁ , С₂-- теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах. кДж/(кг*К), определяется по формуле:

С_н = 4,19*10³*(1 - х_н/100) = 4,19*10³*(1 - 15/100) = 3,56

С_н = 3,56 кДж/(кг*К), С₁ = 3,4 кДж/(кг*К), С₂ = 2,28 кДж/(кг*К).

Q_конц1, Q_конц2,Q_конц3--теплоты концентрирования по корпусам, кВт; так как эти величины имеют небольшое значение, то ими пренебрегаем.

I_вп1 ? I_Г2= 2770 кДж/кг; I_вп2 ? I_Г3= 2740 кДж/кг; I_вп3 ? I_БК=2613 кДж/кг; I_Г1= 2787 кДж/кг.

t_н = t_вп1 + Дґ_н

Дґ_н = 3 ?С, t_вп1 = 166,1?С

t_н = 166,1+ 3 =169,1 ?С.

Имеем систему уравнений:

Q1 = D*(2787 - 778,1) = 1,03*[10*3,56*(170 - 169,1) + щ₁*(2770 - 4,19*170)]

Q2 = щ₁*(2770-700,3) = 1,03*[(10 - щ₁)*3,4*(150,45 - 170) + щ₂*(2740 -4,19*150,45)]

Q3 = щ₂*(2740 - 589) = 1,03*[(10 - щ₁ - щ₂)*2,28 *(108,63 -150,45)+щ₃*(2613 -4,19*108,63)]

6,739 = щ₁ + щ₂+ щ₃.

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 2,2108 кг/с; щ₁= 2,08 кг/с; щ₂= 2,23 кг/с; щ₃= 2,429 кг/с; Q1 = 4441,28 кВт;

Q2 = 4304,98 кВт; Q3 = 4796,7 кВт.

Результаты расчета сведены в таблицу3.

Таблица3.

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	2,08	2,23	2,429
Концентрация раствров x, %	18,8	26,26	46
Давление греющих паров Рг, МПа	1,1	0,74	0,38
Температура греющих паров tг, (°С)	183,2	165,1	140
Температурные потери У, (°С)	4,9	10,45	44,43
Температура кипения раствора tк(°С)	170	150,45	108,63
Полезная разность температур tп,град	13,2	14,65	31,37

Отклонения от вычисленных нагрузок по воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 5% и соответственно равны 1,8%; 0,71%; 0,86%.

1.6 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора СаCl₂ в интервале изменения концентраций от х_н до х_к [2]. При этом надо учесть, что в сплаве должен содержаться молибден для устойчивости к точечной коррозии. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17H13M3T. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности л_ст= 25,1 Вт/м*К

Расчет коэффициентов теплопередачи

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

; (3.11)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки д_ст/л_ст и накипи д_н/л_н (табл. XXIII и XXVI/5/). Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Уд/л = д_ст/л_ст + д_н/л_н = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 2,87*10^-4 м²*К/Вт (для всех корпусов).

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке б₁ равен:

б₁=2,04* (3.12)

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

с_ж1, л_ж1, м_ж1--соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность Вт/(м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки t_пл=t_г1-Дt₁/2 (где Дt₁ -- разность температур конденсации пара и стенки, град):

Дt₁ = 2 ?С

t_пл= 183,2-2/2 = 182,2єС

По справочной литературе [1], [2] определяем:

r₁= 2009*10³ Дж/кг; _Ж1= 886 кг/м³ ; л_Ж1 = 0,684 Вт/м*К ; _Ж1 = 0,09*10^-3 Па/c^-4

Расчет б₁ ведем методом последовательных приближений. В первом приближении Дt₁ = 2град. Тогда

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение:

q= б₁* Дt₁= Дt_ст/(?д/л) = б₂* Дt₂; (3.13)

где q -удельная тепловая нагрузка, Вт/м²,

Дt_ст--перепад температур на стенке, град; отсюда

Дt_ст = б₁* Дt₁ (?д/л) = 9927*2* 2,87*10^-4 = 5,7 град.

Тогда

Дt₂ = Дt_п1 - Дt_ст - Дt₁ = 13,2 -5,7 -2 = 5,5 град.

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

б₂= А*q^0,6= 780* q^0,6*л₁^1,3*с₁^0,5*с_п1^0,06/(у₁^0,5*r_в1^0,6*с_о^0,66 *с₁^0,3 *м₁^0,3); (3.14)

где с_{1_}- плотность раствора при концентрации x₁ = 18,8 %;

с_п- плотность греющего пара в первом корпусе;

r_в1- теплота парообразования;

у₁-поверхностное натяжение раствора;

м₁- вязкость раствора при температуре t_к= 170.

Подставив численные значения получим:

б₂ = 780(9927*2)^0,60,57^1,31109^0,55,61^0,06/(0,068^0,5(2089*10³)^0,6*0,579^0,663200^0,3*((0,13*10^-3))^0,3 = 17,757(9927*2)^0,6 = 6730,91 Вт/м²*К

Проверим правильность приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q^' = б₁Дt₁ = 9927*2 = 19854 Вт/м²

q^{' '}= б₂Дt₂ = 6730,91*5,5 = 37030 Вт/м²

Как видим, q^' и q^'' имеют разные значения.

Физические свойства растворов CaCl₂ и их паров приведены в таблице.2

Таблица4

Параметр	Корпус
	1	2	3
Теплопроводность раствора л, Вт/(м*К)	0,576	0,578	0,580
Плотность раствора с, кг/м3	1109	1236	1392
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг*К)	3200	3220	3280
Вязкость раствора м, Па*с	0,13*10-3	0,3*10-3	0,5*10-3
Поверхностное натяжение у, Н/м	0,068	0.069	0,071
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2062*103	2140*103	2292*103
Плотность пара сп, кг/м3	5,61	2,59	0,0962

Для второго приближения примем Дt₁ = 3,0 ?С.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0, рассчитаем б₁ по соотношению

б₁ = 9927*(2/3)^1/4 = 8970 Вт/(м²*К).

Получим

Дt_ст = 8970*3*2,87*10^-4 = 7,72 град;

Дt_ст = 13,2 - 3 - 7,7 = 2,5 град;

б₂ = 17,757*(8970*3)^0,6 = 8078,26 Вт/(м²*К)

q^' = 8970*3 = 26910 Вт/м²; q^''= 8078,26*2,5 = 20195,65 Вт/м².

Как видим, q^' и q^'' имеют разные значения.

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе в первом корпусе (рис. 8) и определяем Дt₁= 2,7°. Получим:

б₁ = 9927(2,0/2,7)^1/4 = 9209,47 Вт/(м²К);

Дt_ст = 9209,47 *2,7*2,87*10^-4 = 7,136 град;

Дt₂ = 13,2 - 2,7 - 7,136 = 3,36 град;

Рис. 8

б₂=17,757*(9209,47*2,7)^0,6 = 7613,5 Вт/(м²К);

q^' =9209,47*2,7 = 24865,57 Вт/м²;

q^'' = 7613,5*3,36 = 25581,36 Вт/м².

Как видим, q^'? q^''.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%(2,798 %).

Находим К₁:

К₁ = 1/(1/9209,47 + 2,87*10^-4 + 1/7613,52) = 1901,14 Вт/(м²К).

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса. Для этого найдем:

б₁ = 2,04*((2058*10³*890²*0,67³)/(0,95*10^-3*5*4))^1/4 = 4612,13 Вт/(м²К);

Дt_ст= 4612,13*4*2,87*10^-4 = 5,29 град;

Дt₂ = 14,65 - 4 - 5,29 = 5,36 град;

б₂ = 780*0,58^1,31392^0,52,59^0,06* *(4612,13*4)^0,6/(0,0069^0,5(2149*10³)^0.60.578^0,663220^0,3(0,3*10^-3)^0,3) = 43,51(4612,13*4)^0,6;

б₂ = 15782,14 Вт/(м²К);

q^' = 4612,13*4 = 18448,52 Вт/м²; q^'' = 15782,14*5,36 = 84592,27 Вт/м².

Как видим, q^' и q^'' имеют разные значения.

Для второго приближения примем Дt₁ = 5 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0, рассчитаем б₁ по соотношению

б₁ = 4612,13*(4/5)^1/4 = 4361,88 Вт/(м²*К).

Получим

Дt_ст= 4361,88*5*2,87*10^-4 = 6,25 град;

Дt₂ = 14,65 - 5 - 6,25 = 3,4 град;

б₂ = 43,51*(4361,88*5)^0,6 = 31775,6 Вт/(м²*К)

q^' = 4361,88*5 = 21809,4 Вт/м²; q^''= 31775,6*3,4 = 108037,08 Вт/м².

Как видим, q^' и q^'' имеют разные значения.

Для расчета в третьем приближении примем Дt₁ = 6,1 град.

Получим:

б₁= 4612,13*(4,0/6,1)^1/4 = 4150,34 Вт/(м²К);

Дt_ст = 4150,34*6,1*2,87*10^-4 = 7,26 град;

Дt₂ = 14,65 - 6,1 - 7,26 = 1,29 град;

б₂ = 43,51*(4150,34*6,1)^0,6 = 19082,58 Вт/(м²К);

q^' = 4150,34*6,1 = 25317,07 Вт/м²;

q^'' = 19082,58*1,29 = 24616,53 Вт/м².

Как видим, q, Вт/м² Дt₁, град q^'? q^''.

Находим К₂:

К₂=1/(1/4150,34+2,87*10^-4+1/24616,53) = 1783,8 Вт/(м²К).

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для третьего корпуса. Примем Дt₁=10 град. Найдем:

б₁=2,04*(2100*10³*895²*0,665³/(0,5*10^-3*10*5) )^1/4=4304 Вт/(м²К);

Дt_ст= 4304*10*2,87*10^-4 = 12,35 град;

Дt₂ = 31,37-10-12,35 = 9,02 град;

б₂=780*0,62^1,31320^0,50,0962^0,06 (4304*10)^0,6/(0,008^0,5(2356*10³ )^0.60.580^0,662900^0,3(0,3*10^-3)^0,3);

б₂=16281 Вт/(м²К);

q^' = 4304*10 = 43040Вт/м²; q^''= 16281*9,02 = 146854,6 Вт/м².

Для второго приближения примем Дt₁= 13 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0, рассчитаем б₁ по соотношению

б₁ = 4304*(10/13)^1/4 = 4030,755 Вт/(м²*К).

Получим

Дt_ст= 4030,755*13*2,87*10^-4 = 15,039 град;

Дt₂ = 31,37 - 13 - 15,039 = 3,33 град;

б₂=25*(4030,755*13)^0,6 = 16964,37 Вт/(м²*К)

q^' = 4030,755*13 = 52399,8 Вт/м²; q^''= 16964,37*3,33 = 56491,35 Вт/м².

Как видим, q^' и q^'' имеют разные значения. Для расчета в третьем прbближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе в первом корпусе и определяем Дt₁= 13,1 град.

Получим:

б₁= 4304*(10/13,1)^1/4= 4023,04 Вт/(м²К);

Дt_ст= 4023,04*13,1*2,87*10^-4 = 15,125 град;

Дt₂= 31,37 - 13,1- 15,125=3,145 град;

б₂=25*(4023,04*13,1)^0,6 = 17022,97 Вт/(м²К);

q^' =4023,04*13,1= 52701,8 Вт/м²;

q^''= 17022,97*3,145 = 53537,24Вт/м².

Как видим, q^'? q^''.

Находим К₃:

К₃=1/(1/4023,04+2,87*10^-4+1/17022,97) = 1680,67 Вт/(м²К).

1.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия разности поверхностей теплопередачи

Дt_пj= Дt_пQ_j/K_j/( Q_j/K_j+ Q_j/K_j + Q_j/K_j) (3.14)

где Дt_пj, Q_j, K_j- полезная разность температур, тепловая нагрузка для j-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

Дt_п1 = 59,22*(4441,28/1901,14)/( 4441,28/1901,14 + 4304,98/1783,8 + 4796,7/1680,67)=

= 59,22*2,336/(2,336 + 2,41 + 2,85) = 18,21 град;

Дt_п2 = 59,22*2,41/7,596 = 18,79 град;

Дt_п3= 59,22*2,85/7,596= 22,219 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

Дt_п= Дt_п1 + Дt_п2+ Дt_п3 = 18,21 + 18,79 + 22,219 = 59,219 град.

Теперь рассчитаем теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (3.1):

F₁ = 4441,28*10³/(1901,14*18,21) = 128,29 м²;

F₂= 4304,98*10³/(1783,8*18,79) = 128,44м²;

F₃ = 4796,7*10³/(1680,67*22,219)= 128,45м².

Данные значения мало отличаются от ориентировачно определенных ранее поверхностей F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вностить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезныхразностей температур Дt_п представлено ниже:

Таблица 5.

Параметры	Корпус
	1	2	3
Распределенные в первом приближении Дtп, град.	13,2	14,65	31,37
Предварительно рассчитанные значения Дtп, град.	18,21	18,79	22,219

Второе приближение

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равенства перепада давления и найденные в 1-ом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно отличаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м корпусе (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения Д',Д'', и Д''' для каждого корпуса, как и в первом приближении. Полученные после перераспределения температур давлений параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже

Таблица6

Параметры	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	2,08	2,23	2,429
Концентрация растворов x, %	18,8	26,26	46
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг1, град	183,2	--	-
Полезная разность температур Дtп, град	18,21	18,79	22,219
Температура кипения раствора tk = tг- Дtп, град	164,99	141,3	108,63
Температура вторичного пара, tвп = tk -( Д'+ Д''),град	161,09	131,85	65,2
Давление вторичного пара Pвт, МПа	0,65	0,29	0,025
Энтальпия вторичного пара Iвт, кДж/кг	2768	2728	2614
Температура греющего пара tг=tвп -Д''', град.	--	160,09	130,85

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q₁ = 1,03((10*3,56(164,99 - 169,1) + 2,08(2768 - 4,19*164,99)) = 4298,4;

Q₂ = 1,03((10 - 2,08)*3,4(141,3 - 164,99) + 2,23(2728 - 4,19*141,3)) = =4249,04;

Q₃ = 1,03((10 - 2,08 - 2,23)*2,28(108,63 - 141,3) + 2,429(2614 - 4,19*108,63 )) = = 4964,62.

Рассчитаем коэффициенты теплопередачи.

Для первого корпуса Дt₁=2 град:

б₁ = 9927 Вт/(м²К);

Дt_ст= 9927*2*2,87*10^-4 = 5,7 град;

Дt₂ = 18,2 -2- 5,7 = 10,5 град;

б₂= 6730,91 Вт/(м²К);

q^' = 9927*2 = 19854 Вт/м²; q^''= 6730,91*10,5 = 70674,56 Вт/м².

Как видим, q^' и q^'' имеют разные значения.

Для второго приближения примем Дt₁=6 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0, рассчитаем б₁ по соотношению

б₁ = 9927*(2/6)^1/4 = 7542 Вт/(м²*К).

Получим

Дt_ст=7542*6*2,85*10^-4 = 14,3 град;

Дt₂ =24,85-14,3-6 = 4,55 град;

б₂=16*(7542*6)^0,6 = 9942 Вт/(м²*К)

q^' =7542*6 = 45252 Вт/м²; q^''= 9942*4,55 = 45236 Вт/м².

Как видим, q^'? q^''.

Находим К₁= 1930 Вт/(м²К),

Аналогично находим К₂= 1840 Вт/(м²К), К₃= 1809 Вт/(м²К).

Дt_п1= 78,16*(9865/1930)/(9806/1840+9865/1930+9767/1809)=

=78,16*5,14/(5,14+5,32+5,39) = 25,5 град;

Дt_п2= 78,16*5,32/15,85= 26,2 град;

Дt_п3= 78,16*5,39/15,85= 26,5 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

Дt_п= Дt_п1+ Дt_п2+ Дt_п3 =25, 5+26,2+26,5=78,2 град.

Сравнение полезных разностей температур, полученных во 2-м и 3-м приближении приведены ниже:

Таблица7

Параметры	Корпус
	1	2	3
Распределенные в первом приближении Дtп, град.	24,85	23,9	29,44
Дtп--рассчитанные во 2-м приближении, град.	25,5	26,2	26,5

Различия между полезными разностями температур во 2-м приближении не превышает 5%.

Теперь рассчитаем поверхности теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (3.1):

F₁=9864*10³/(1930*25,5)=200,4 м²;

F₂= 9806*10³/1840/26,2= 203,4 м²;

F₂= 9767*10³/1809/26,5= 203,7 м².

По ГОСТ11987-81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена F_н 250м²

Диаметр труб d 38Ч2мм

Высота труб H 500мм

Диаметр греющей камеры d_к 1400мм

Диаметр сепаратора 3200мм

Диаметр циркуляционной трубы d_ц 900мм

Общая высота аппарата Н_а 14500мм

Масса аппарата М_а 12000 кг

1.9 Определение толщины тепловой изоляции

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

б_в(t_ст-t_в) = (л_и/ д_и)( t_ст1-t_ст2) (3.15)

где б_в=9,3+0,058t_ст2-коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²К), t_ст2-температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха) t_ст2=40 град; ввиду незначительного сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре t_г1; t_в-температура окружающей среды, град; л_и-коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м²К).

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

Выберем в качестве материала для изоляции стекловату марки 35 по ГОСТ 10499 - 67, у которой _и = 0,05 Вт/(м*К).

_в = 9,3 + 0,058*t_ст = 9,3 + 0,058*40 = 11,6 Вт/(м²*К).

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для первого корпуса:

_и = _и (t_ст1 - t_ст2)/( _в(t_ст2 - t_в)) = 0,05(183,2-40)/(11,6(40-22)) = 0,034 м

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,034 м и для других корпусов.

Список использованной литературы

1. Романков П.Г., Фролов В.Ф. и др. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). - СПб: Химия, 1993. - 496 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1991.- 496 с.

3. Справочник химика, т.3. - М. - Л.: Химия, 1962.

4. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М.: Химия, 1975.-816 с.

5. Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. М.: Химия,1988. - 416 с.

Размещено на Allbest.ru