Движущая сила процесса выпаривания

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Расчитать методом последовательных приближений двухкорпусную выпарную установку для упаривания водного раствора щелочи от начальной концентрации Хн (масс.%) до конечной Хк(масс.%) производительностью по исходному раствору Gм(кг/час). Давление пара, подаваемого на обогрев первого корпуса Р(Мпа). Вторичный пар из последнего корпуса направляется на конденсацию в противоточный барометрический конденсатор смещения, где конденсируется при остаточном давлении Р ост.(мм.рт.ст.). Охлаждающая вода поступает в конденсатор при температуре 12 С и уходит с температурой 40С. В первый корпус выпарной установки раствор поступает при температуре кипения. Полезную разность температур распределить по корпусам, исходя из разных поверхностей нагрева корпусов. Поверхности не должны отличаться более чем на 5%. Дать технологическую схему установки.

В расчете определяются:

Часовая производительность по упаренному раствору;

Часовой расход греющего пара;

Поверхность нагрева выпарного аппарата;

Диаметр и высота барометрической трубы.

По полученным данным по каталогу подобрать необходимый выпарной аппарат (произвести эскиз аппарата и основные размеры).

Раствор КОН, Хн=6%(вес), Хк=30%(вес), Gм=9000 (кг/час), Р=0,53Мпа, Рост.=140мм.рт.ст, t н=12С, tк=40С

РАСЧЕТ

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис.1

На Рис.1 приведена схема установки.

Уравнение материального баланса:

Gн=Gk+W - по общим материальным потокам

GнXн=GkXk - по количеству растворенного вещества

Количество выпаренной воды по всем корпусам:

В первом приближении принимаем количество выпаренной воды в каждом корпусе: W1=W2=W/2=3600кг/час

Определяем конечные концентрации раствора по корпусам:

Полезная разность температур (движущая сила процесса выпаривания).

разность температур греющего пара и кипения раствора у середины греющих труб. выпарной теплообмен температура конденсатор

Определим Общую полезную разность температур для всей установки:

Здесь

По Р=Р_гр.п.1=5,3 бар, находим

По Р_ост=140мм.рт.ст.=140*133,3Па=0,19 бар, находим

сумма потерь общей полезной разности температур.

потери от гидравлических сопротивлений.

Для каждого корпуса :

Потери от гидростатического эффекта:

Для каждого корпуса:

Где, t_к.в.ср. - температура кипения воды у середины греющих труб при давлении(Р_вт+Р_чэ)

t_к.в.п. - температура кипения воды на поверхности раствора при Р_вт

Р_вт - давление вторичных паров над раствором

Р_чэ - гидростатическое давление у середины греющих труб

-

кажущийся уровень кипящего раствора,

h=4м - высота трубок.

=1025кг/м³ (при Х_к1=10%)

=1300кг/м³ (при Х_к1=40%)



Перепады давления по корпусам:

Где, Р_вт2=Р_ост=0,19 бар

Р_вт.1=Р_гр.п.1-Р_п=5,3-2,56=2,74 бар

Р_вт.2=Р_вт.1-Р_п=2,74-2,56=0,18 бар

Давление растворов у середины греющих труб:

Р_ср.1=Р_вт.1+Р_чэ1=2,74+0,103=2,84 бар

Р_ср.2=Р_вт.2+Р_чэ2=0,18+0,13=0,31 бар

Депрессионные потери _д=t_к.р-ра-t_к.р-ля

Расчетная формула:

_д=_дн

поправка =0,003872(T²/r)

первый корпус

нормальная депрессия _дн1=6С

Т₁=130,77+273=403,77К

Удельная теплота парообразования

Второй корпус

_дн1=22,5С

Т₁=57,26+273=330,26К

Суммарная дисперсия по всем корпусам:

Распределение общей полезной разности температур по корпусам

расчетные формулы:

Предварительно принимаем Q₁=Q₂, K₁:K₂=1:0.7 или К₂=0,7К₁

Тогда

Проверка: 20,1+28,7=48,8

Расчитаем температуры паров и растворов по корпусам:

Первый корпус

а) температура кипения раствора у середины греющих труб

t_к.ср.1= t_гр.п.1-t_пол.1=153,2-20,1=133,1С

б) температура кипения раствора у поверхности

t_к.п.1=t_к.ср.1-_чэ.1=133,1-1,26=131,84С

в) температура вторичного пара

t_вт1=t_к.п.1-_д.1=131,84-7,5=124,34С

г) температура греющего пара во втором корпусе

t_гр.п.2= t_вт.1-t_чс.1=124,34-1=123,34С

Второй корпус

а) t_к.ср.2= t_гр.п.2-t_пол.2=123,34-28,7=94,64С

б) t_к.п.2=t_к.ср.2-_чэ.2=94,64-12,11=82,53С

в) t_вт2=t_к.п.2-_д.2=82,53-17,05=65,48С

г) t_конд= t_вт.2-t_чс.1=65,48-1=64,48С

Расход пара внутри установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рассмотрим любой корпус выпарной установки

Q1+Q2=Q3+Q4+Q5+Q6+Q7

Где,

Q1- тепло подводимое с греющим паром

Q2 - тепло подводимое с исходным раствором

Q3 - тепло отводимое с упаренным раствором

Q4 - тепло отводимое с конденсатом

Q5 - тепло отводимое со вторичным паром

Q6 - тепло разбавление раствора от

Концентрации Хк до Хн

Q7 - тепловые потери в окружающую среду

Расписываем каждый член уравнениния

Выражая G_нп=G_кп+W_п и принимая потери в окружающую среду для всех корпусов в 3%, получаем расход пара для любого корпуса:

Начинаем определять расход пара со 2-го корпуса

В этой формуле:

W₂=3600кг/час, G_k2=G_k=G_н-W=9000-7200=1800 кг/час

C_н2=3771Дж/кгС при Х_н2=Х_к1=10%

С_к2=2934,4Дж/кгС при Х_н2=Х_к1=30%

t_н2=t_к.ср.1=133,1С

t_к2=t_к.ср.2=94,64С

₂=2715,2 кДж/кг при t_гр.п.2=123,34С

₂=516.9 кДж/кг

i₂=2617,5 кДж/кг при t_вт2=65,48С

q₂=377,1 кДж/кг

Определяем расход пара в первом корпусе:

В этой формуле:

W₁=D2=4217 кг/час, G_k1==G_н-W₁=9000-4217=4783 кг/час

C_н1=3842Дж/кгС при Х_н1=6%

С_к1=3771Дж/кгС при Х_к1=10%

Так как в первый корпус раствор поступает при температуре кипения то:

t_н1=t_к.1=133,1С

t_к1=t_к.ср.1=94,64С

₁=2756,6 кДж/кг при t_гр.п.1=153,2С

₁=639,1 кДж/кг

i₁=2718 кДж/кг при t_вт1=124,3С

q₁=83,8 кДж/кг

Таблица 1

№ п/п	Наименование параметров	Корпуса
		I	II
1	Концентрация раствора Хк(%)	10	30
2	Температура греющего пара tгр (С)	153,2	123,3
3	Полезная разность температур t С	20,1	27,7
4	Температура кипения раствора у середины греющих труб С	133,1	94,64
5	Гидростатические потери С	1,3	12,1
6	Температура кипения раствора на поверхности С	131,8	82,53
7	Депессионные потери С	7,3	17,05
8	Температура вторичного пара С	124,3	65,48
9	Гидравлические потери С	1	1
10	Давление греющего пара (бар)	5,3	2,25
11	Теплосодержание греющего пара (кДж/кг)	2756,6	2715,2
12	Теплосодержание конденсата (кДж/кг)	639,1	516,9
13	Давление вторичного пара (бар)	2,74	0,18
14	Теплосодержание вторичного пара (кДж/кг)	2718	2617,5
15	Теплоемкость раствора (кДж/кгС)	3771	2934,4
16	Интегральная теплота растворения твердого вещства (Дж/кг)	83800	377000

Определяем поверхность теплообмена корпусов по формуле:

t

_пол1=20,1С,

t

_пол2=28,7С

Определяем коэффициент передачи:

Для всех корпусов коэффициент теплопередачи от конденсирующего пара к стенке трубы принимаем:



При пузырьковом кипениии коэффициент теплоотдачи рассчитываем по формуле:

При этом 6000<q<1.45*10⁶Вт/м²

Все физические характеристики жидкости берем при температуре кипения у середины греющих труб.

Корпус №1

t_к.ср.1=133,1С

Плотность пара при атмосферном давлении

При Р_вт.1=2,74 бар

r=2170*10³Дж/кг, =1025кг/м³, с=3771Дж/кгС

=0,064Н/м, =0,61Вт/мС, =0,0003 Па*с

Примем q=40000Вт/м²

Примем q=41500Вт/м²

Принимаем К₁=2062,5Вт/м²С

Корпус 2

t_к.ср.2=94.64С

Плотность пара при атмосферном давлении

При Р_вт.2=0,18 бар

r=2273*10³Дж/кг,

=1300кг/м³, с=2934,4Дж/кгС

=0,62Н/м, =0,67 Вт/мС, =0,0007 Па*с

Примем q=40000Вт/м²

Примем q=32000Вт/м²

Примем q=31000Вт/м²

Примем К₂=1053Вт/м²С

Х_к1=11000*10/(11000-2062,5)=12,3%

Необходим повторный рассчет!

Перераспределяем полезную разность температур.

Расчитаем температуры паров и растворов по корпусам:

Первый корпус

а) температура кипения раствора у середины греющих труб

t_к.ср.1= t_гр.п.1-t_пол.1=153,2-18.1=135.1С

б) температура кипения раствора у поверхности

t_к.п.1=t_к.ср.1-_чэ.1=135.1-1,26=133.84С

в) температура вторичного пара

t_вт1=t_к.п.1-_д.1=133.84-7,5=126.34С

г) температура греющего пара во втором корпусе

t_гр.п.2= t_вт.1-t_чс.1=126.34-1=125.34С

Второй корпус

а) t_к.ср.2= t_гр.п.2-t_пол.2=125.34-25,1=100.24С

б) t_к.п.2=t_к.ср.2-_чэ.2=100.24-12,11=88.13С

в) t_вт2=t_к.п.2-_д.2=88.13-17,05=71.08С

г) t_конд= t_вт.2-t_чс.1=71.08-1=70.08С

Начинаем определять расход пара со 2-го корпуса

В этой формуле:

W₂=W-W1=7200-4217=2983кг/час, G_k2=1800 кг/час

C_н2=3771Дж/кгС

С_к2=2934,4Дж/кгС

t_н2=t_к.ср.1=135.1С

t_к2=t_к.ср.2=100.24С

₂=2718 кДж/кг

₂=525.4 кДж/кг

i₂=2628 кДж/кг

q₂=377,1 кДж/кг

Определяем расход пара в первом корпусе:

В этой формуле:

W₁=D2=2992.36 кг/час, G_k1==G_н-W₁=9000-2992.36=6001.64 кг/час

C_н1=3842Дж/кгС

С_к1=3771Дж/кгС

Так как в первый корпус раствор поступает при температуре кипения то:

t_н1=t_к.1= t_к.ср.1=135.1С

₁=2756 кДж/кг при t_гр.п.1=153,2С

₁=636 кДж/кг

i₁=2719 кДж/кг при t_вт1=126.34С

q₁=83,8 кДж/кг



Определяем поверхность теплообмена корпусов по формуле:

t_пол1=18.1С, t_пол2=30.7С

Определяем коэффициент передачи:

Корпус №1

t_к.ср.1=135.1С

Плотность пара при атмосферном давлении

r=2165*10³Дж/кг, =1025кг/м³, с=3771Дж/кгС

=0,066Н/м, =0,64Вт/мС, =0,00028 Па*с

Примем q=40000Вт/м²

Примем q=25000Вт/м²

Примем q=21000Вт/м²

Принимаем К₁=1910Вт/м²С

Корпус 2

t_к.ср.2=100.24С- по прежнему

Плотность пара при атмосферном давлении

При Р_вт.2=0,18 бар

r=2260*10³Дж/кг, =1300кг/м³, с=2934,4Дж/кгС

=0,62Н/м, =0,67 Вт/мС, =0,0007 Па*с

Примем q=40000Вт/м²

Примем q=35000Вт/м²

Примем q=33000Вт/м²



Примем К₂=1083Вт/м²С

Х_к1=11000*10/(11000-1910)=12,1%

Согласно полученным значения F1 и F2 по ГОСТ 11987-81 подбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и солеотделением.

Поверхность теплообмена F 63 м²

Диаметр греющей камеры D 800 мм

Диаметр сепоратора D1 1600 мм

Диаметр циркуляционной трубы D2 500 мм

Высота аппарата H 15500 мм

Масса аппарата M 3500 кг

Диаметр трубок 38х2

Длинна трубок h 6 000 мм

В таблице 2 приведем технологические поазатели, характеризующие работу выпарной установки.

Таблица 2

№ п.п.	Наименование технологических показателей	Корпус
		I	II
1	Температура греющего пара C	153,2	125,4
2	Полезная разность температур C	18,1	30,7
3	Температура кипения раствора у середины греющих труб C	135,1	100,24
4	Гидростатические потери C	1,26	12,11
5	Температура кипения растворов у поверхности C	133,8	88,13
6	Депрессионные потери C	7,5	17,05
7	Температура вторичного пара C	126,34	71,08
8	Гидравлические потери C	1	1
9	Давление греющего пара (бар)	5,3	2,37
10	Расход греющего пара (кг/час)	3194,8	3040,7
11	Количество раствора вытекающего из корпуса (кг/час)	6001,64	1800

На Рис.2 представим эскиз выпарного аппарата.

Расчет барометрического конденсатора.

Расход охлаждающей воды в конденсаторе.

расход вторичного пара последнего корпуса.

i=i_вт.2=2623*10³ Дж/кг - теплосодержание вторичного пара

С_в.к.=4,18*10³ Дж/кгС при t_в.к.=40С

С_в.н.=4,19*10³ Дж/кгС при t_в.н.=40С

Диаметр барометрической трубы d находится по уравнению расхода:

V_сек=f*W1

Секундный расход воды по трубе:

F=d²/4 - площадь поперечного сечения трубы

W1=(12)м/с; Пусть W1=1.5м/с

F=V_сек/W1 d²/4= V_сек/W1

Примем d=0,15м=150мм

Высоту барометрической трубы определяем из равенства:

H=h1+h2+h3

h1=10,33B/760 - высота столба воды в барометрической трубе, уравновешивающего разность давлений в конденсаторе и атмосферного.

h1=10.33*(760-Pост)/760=10,33(760-140)/760=8,43 м

h3=0.5 м -высота запаса

находим

Находим число Рейнольдса:

турбулентный режим движения воды.

Для зоны гладкого трения:

Тогда

Тогда

H=8.43+0.27+0.009H+0.5

0.991H=9.2

H=9.28 м

Размещено на Allbest.ru