Размещено на http://www.allbest.ru/

26

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловой расчёт вертикальной выпарной установки

СОДЕРЖАНИЕ

выпарная установка температура подогреватель

ВВЕДЕНИЕ

1.МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

2.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

2.1 Распределение полезной разности температур. Температурные потери

2.2 Расчёт теплообмена

3.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ЭКСТРАПАРА

4.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ОСТРОГО ПАРА

5. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРАКТА ПОДАЧИ ИСХОДНОГО РАСТВОРА

6. ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Введение

Выпаривание представляет собой термический процесс кипения раствора с выделением паров растворителей в практически чистом виде, при этом растворимое нелетучиее вещество (твёрдое тело, например, соль, или вязкая жидкость, например, вазелин) остаётся в концентрированном виде в аппарате. Получаемые при выпаривании пары удаляются в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Превращаться в пар растворитель может при кипении жидкости или при поверхностном испарении её. В выпарных аппаратах применяется более интенсивный из этих способов превращения растворителя в пар, а имнно кипение. Впервые выпаривание получило промышленное применение в производстве сахара, а в дальнейшем - в химической промышленности. При конценитрировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса.

В элементарном виде процесс выпаривания можно осуществить в простом открытом или закрытом сосуде, наполненом раствором, при подводе к нему теплоты для кипения и отводе образующихся паров в атмосферу или в конденсирующее устройство.

По принципу работы выпарные установки разделяются на периодически и непрерывно действующие.

По сравнению с аппаратами периодически действующими аппараты непрерывного действия более экономичны в тепловом соотношении, так как в них отсутствуют потери, связанные с расходом теплоты на периодический разогрев аппарата.

В большинстве случаев аппараты непрерывного действия компонуются в так называемые многокорпусные выпарные установки, в которых упариваемый раствор последовательно проходит через ряд отдельных аппаратов. В каждом последующем аппарате устанавливается большая концентрация раствора, чем в предыдущем.

По давлению внутри аппарата различают выпарные аппараты, работающие при избыточном и атмосферном давлениях и вакууме.

В качестве греющего теплоносителя наибольшее применение в выпарных установках получил водяной пар.

Наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева, которые хорошо компонуются и занимают меньшую площадь.

1.Материальный баланс

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

· раствор - Хлоримд мамгния МgCI₂ ;

· начальная концентрация раствора: b₀=3%;

· конечная концентрация раствора: b_к=20%;

· давление во 2 корпусе: P₂=0,05 MПа;

· отбор экстрапара: E=0,05 кг/кг;

· производительность: D=2000 т/ч;

· давление первичного пара: P=0,6 МПа.

Определяем количество раствора, поступающего на выпарку:

кг/ч.

Относительное количество выпаренной воды:

кг/кг.

Теплоёмкость раствора при начальной концентрации:

кДж/кг,

где -теплоемкость сухого раствора, кДж/кг К.

Количество выпаренной воды во 2-ом корпусе:

 кг/кг.

Количество выпаренной воды в 1-ом корпусе:

кг/кг.

Концентрация раствора в 1-ом корпусе:

%.

Концентрация раствора во 2-ом корпусе:

%.

Давление в корпусах определяется следующим образом:

находим перепад давлений приходящийся на один корпус:

,

Где -давл. греющего пара

- давл. в последнем корпусе

- число корпусов

Тогда давление в первом и втором корпусах будет:



.

2.Тепловой баланс

2.1 Распределение полезной разности температур. Температурные потери

Определяем физические параметры раствора в корпусах.

Теплоёмкость раствора в 1-ом корпусе:

кДж/кг.

Теплоёмкость раствора в 2-ом корпусе:

кДж/кг.

Физические константы раствора и воды, найденные по рис.4.1-4.3 [1], сводим в таблицу, причём предварительно принимаем, что температура кипения раствора в 1-ом корпусе равна 120^oC, а во 2-ом - 80^оС.

Таблица 2.1 Параметры воды и раствора.

Наименование физических констант	Первый корпус	Второй корпус
	Вода	Раствор	Вода	Раствор
Плотность ,кг/м3	943	1047	971	1125
Теплоёмкость С, кДж/кг	4,25	4	4,19	3,5
Вязкость ,м2/сек·10-6	0,226	0,336	0,366	0,454
Теплопроводность ,кДж/(кг·К)	0,686	0,58	0,686	0,56

Физико-химические температурные депрессии определяем по рис.4.1 [1] с соответствующей поправкой на давление; оцениваем гидростатические и гидравлические депрессии; все данные сводим в табл. 2.2:

Таблица 2.2 Величины депрессий.

Род депрессии	Корпус
	I	II
Физико-химическая 1	1,2	4.4
Гидростатическая 2	2	0.3
Гидравлическая 3	1	0.5
Суммарная	4.2	5.2

Находим значения температурных депрессий.

Температурные депрессии при атмосферном давлении

?'1н=1,2 С

?"1н=4,4С ,

в 1-ом и 2-ом корпусе соответсвенно.

Температурные депрессии:

,

в 1-ом и 2-ом корпусе соответсвенно.

Гидростатическая дипрессия.

Температура насыщения в корпусах:

 в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно

Температура кипения раствора:

в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно.

Давление в среднем слое кипятильных труб:

,

где Н=4 м -ориентировочная высота трубок выпарного аппарата.

е=0,6 м³/м³ - объемная доля пара в кипящем растворе.

Температура кипения раствора в среднем слое кипятильных труб

Температура кипения раствора на нижнем слое:

Гидростатическая дипрессия:



Гидравлическая депрессия изменяется в пределах 0,5…1 ⁰С.

Полная (располагаемая) разность температуры установке:

^оС,

где t_s=159- температура греющего пара при Р=0,6 МПа;

₂=74^оС - температура вторичного пара во 2-ом корпусе.

Полезная разность температур:

^оС.

Согласно заданию оба корпуса должны иметь одинаковые поверхности нагрева. В соответствии с этим полезная разность температур распределяется между корпусами прямо пропорционально их тепловым нагрузкам и обратно пропорционально коэффициентам теплопередачи, т.е.:

.

Тепловые нагрузки корпусов могут быть приняты пропорциональными количествам выпариваемой в них воды с поправкой в дальнейшем на явление самоиспарения и увеличение скрытой теплоты парообразования во втором корпусе. Таким образом:

.

Отношение коэффициентов теплопередачи по корпусам принимаем предварительно (по опытным данным) k₁/k₂=2. Подставив эти значения, получим:

.

Так как полезная разность температур: t=t₁+t₂=75.6^oC, то:

^оС,

^оС.

Температура кипения раствора в 1-ом корпусе:

t₁=t_s-t₁=129-27.2=101.8 ^oC.

Температура вторичного пара в 1-ом корпусе:

₁=t₁-₁=101.8-4.2=97.6 ^oC.

Температура кипения раствора во 2-ом корпусе:

t₂=t`_s+=74+9.4=83.4 ^oC,

где t`_s=74^oC - температура пара при Р=0,6 ата.

Температура греющего пара во 2-ом корпусе:

`1=t₂+t₂=83.4+48.3=131.7^oC.

Температура вторичного пара во 2-ом корпусе:

₂=t₂-₂=83.4-5.2=78.2^oC.

На основе полученных результатов и данных, взятых из таблиц водяного пара, составляем табл. 2.3.

Таблица 2.3 Темпреатуры и энтальпии пара и жидкости.

Наименование параметров	Первый корпус	Второй корпус
	Обозначение	I	Обозначение	II
Температура греющего пара, оС	ts	129	`1	131.7
Температура кипения раствора, оС	t1	101.8	t2	83.4
Температура вторичного пара, оС	1	97.6	2	78.2
Температура конденсата, оС	1	151.9	2	123.35
Энтальпия греющего пара, кДж/кг	i`1	2756	i`2	2711
Энтальпия вторичного пара, кДж/кг	i``1	2711	i``2	2635
Теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг	r1	2194	r2	2322

2.2 Расчёт теплообмена

Коэффициент теплообмена между конденсирующимся паром и стенкой для 1-ого корпуса:

Вт/(м²·К),

Где B`=5700+56·t_s-0.09·t_s²=5700+56·151.9-0.09·151.9²=1.2·10⁴ - полином; принимаю t=2.2^оС - разность температур вблизи стенки; Н- длина трубки (принимаем 4).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для первого корпуса определяем из формулы:

,

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для 1-ого корпуса определяем следующим образом:

где =1,5 - скорость раствора в трубках;

d=32 мм - диаметр трубок.

Коэффициент теплопередачи для 1-ого корпуса:

,

где _ст и _ст - параметры материала стенки;

_Н и _Н - параметры накипи стенок.

Проверяем принятую в расчёте разность температур:

,

что незначительно отличается от принятого значения 2,2.

Коэффициент теплообмена между конденсирующимся паром и стенкой для 2-ого корпуса:

Вт/(м²·К).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для 2-ого корпуса определяем следующим образом:

Коэффициент теплопередачи для 2-ого корпуса:

Вт/(м²·К),

где _ст и _ст - параметры материала стенки;

_Н и _Н - параметры накипи стенок.

Проверяем принятую в расчёте разность температур:

,

что незначительно отличается от принятого значения 2,2.

Расход греющего пара в 1-ом корпусе на 1 кг неконцентрированного раствора определяем по формуле (4-27) [1], а коэффициенты X₂, Y₂ и Z₂ вычисляем по табл. 4-3а и 4-3б [1].

Приняв ₁=0, поскольку t_o=t₁ и ₂=0 (по условию), найдём:

,

и получаем:

X₂=2-₂=2-0.01=1.99, Y₂=2·₁+₂=₂=0.01, Z₂=1.

При этом расход пара в 1-ом корпусе на 1 кг раствора составит:



Полный расход пара:

D=G_o·d₁=2000·0.43=860 кг/ч.

Уточняем количества выпаренной воды. Количество воды, выпаренной в 1-ом корпусе на 1 кг раствора:

,

т.к. , то и количество выпаренной воды:

Количество воды, выпаренной во 2-ом корпусе на 1 кг раствора:

,

.

Количество воды, выпаренной во всей установке:

.

Расхождение с предварительно найденным количеством воды составляет менее 1%.

Проверяем количества теплоты, переданные в отдельных корпусах:

,

.

Отношение полученных количеств теплоты: q₂/q₁=0.935, что немногим отличается от ранее найденного 0,85.

Проверяем полученные концентрации растворов в корпусах:

,

.

Так как расхождение полученных величин с ранее принятыми незначительно, то повторного расчёта не делаем.

Поверхности нагрева выпарных аппаратов:

м²,

м².

Поверхности нагрева обоих аппаратов согласно условию расчёта оказались почти одинаковыми.

По ГОСТ 11987-81 выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 1, исполнение 2).

Технические характеристики:

поверхность теплообмена, при диаметре труб 382 и длине - 112 м²

· диаметр греющей камеры ,

· диаметр сепаратора ,

· диаметр циркуляционной трубы ,

· высота аппарата ,

· масса аппарата .

3.Тепловой расчёт подогревателя экстрапара

Определяем количество переданной теплоты в подогревателе:

Q=D₁·r₁=860·2194=2.5·10⁶ кДж.

Определяем поверхность теплообмена:

м²,

где

^оС - среднелогарифмическая разность температур; k - к-т теплопередачи для подогревателя (принимаем по опытным значениям). Зная скорость теплоносителя в трубках м/сек, его расход G кг/ч и выбрав величину внутреннего диаметра трубок d м, определяем их число:

.

Принимаем толщину трубок 1 мм, значение шага s=(1.31.5)·d=50мм. При ромбическом расположении трубок для n=300 принимаем D`/s=36.

Отсюда:

D`=36·s=36·50=1800 мм.

Длина трубок выражается формулой:

м,

где z - число ходов (приняли одноходовую).

Определяем внутренний диаметр корпуса D:

D=D`+d_нар+2·k=1800+34+2·6=1846 мм.

4.Тепловой расчёт подогревателя острого пара

Определяем количество переданной теплоты в подогревателе:

Q=D₂·r₂=1780·2322=4.1·10⁶ кДж.

Определяем поверхность теплообмена:

м²,

Где

^оС

среднелогарифмическая разность температур; k - к-т теплопередачи для подогревателя.

Зная скорость теплоносителя в трубках м/сек, его расход G кг/ч и выбрав величину внутреннего диаметра трубок d м, определяем их число:

.

Принимаем толщину трубок 1 мм, значение шага s=(1.31.5)·d=50мм. По табл. 3-1[1] при ромбическом расположении трубок для n=421 принимаем D`/s=24.

Отсюда:

D`=24·s=24·50=1200 мм.

Длина трубок выражается формулой:

м,

где z - число ходов (приняли двухходовую).

Определяем внутренний диаметр корпуса D:

D=D`+d_нар+2·k=1200+34+2·7=1346 мм.

5. Аэродинамический расчёт тракта подачи исходного раствора

Рассчитаем потери в корпусах по ходу движения раствора. Для 1-ого корпуса:

где ₁ - коэффициент сопротивления крепёжной муфты;

₂ - коэффициент сопротивления внезапного расширения;

₃ - коэффициент сопротивления входа в решётку;

₄ - коэффициент сопротивления выхода из решётки;

₅ - коэффициент сопротивления сужения тракта.

Сопротивление движению по трубкам:

Па,

где

Полное сопротивление 1-ого корпуса:

h₁=h_m1+h_тр1=12721+139=12860 Па.

Для 2-ого корпуса:

где ₁ - коэффициент сопротивления крепёжной муфты;

₂ - коэффициент сопротивления внезапного расширения;

₃ - коэффициент сопротивления входа в решётку;

₄ - коэффициент сопротивления выхода из решётки;

₅ - коэффициент сопротивления сужения тракта.

Сопротивление движению по трубкам:

Па,

где

Полное сопротивление 2-ого корпуса:

h₂=h_m2+h_тр2=3417+483=3900 Па.

Сам тракт представляет собой три участка с длиной 3 м (для технологических и монтажных потребностей) по которым раствор движется с разными параметрами. Произведём расчёт участков между теплообменниками.

Первый участок:

Па,

где

h`<sub>1</sub>=h`_тр1+h`_м1=191+580=771Па.

Второй участок:

Па,

где

h`<sub>2</sub>=h`_тр2+h`_м2=150+909=1059Па.

Третий участок:

Па,

где

h`<sub>3</sub>=h`_тр3+h`_м3=42+127=169 Па.

Тогда полное сопротивление тракта равняется:

p=h₁+h₂+h`<sub>1</sub>+h`₂+h`₃=12860+3900+771+1059+169=

=18759Па.

6. Выбор вспомогательного оборудования

Расчет производительности вакуум-насоса.

Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

Определение расхода охлаждающей воды.

Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:

,

где - количество воды, выпаренной во 2-ом корпусе на 1 кг раствора.

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

.

Тогда

,

.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

.

Давление воздуха равно:

,

где .

.

По ГОСТ 1867-57 подбираем вакуум-насос типа ВВН-0,75, мощность на валу 1,3 кВт.

Литературный обзор

1. Лебедев П.Д. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. М.: Энергия.1966.

2. Лебедев П.Д. Теплообменные сушильные и холодильные установки.

М. Энергия.1966.

3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. Химия, 1991.

4. Несенчук А.Н. Промышленные теплотехнологии. Ч.2 Минск: Высш.шк.1995.

Размещено на Allbest