Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ярославский государственный технический университет

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева

Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

ПАХТ 0108.250600.16. КП

Преподаватель, к. т. н.,

Доцент Галицкий И. В.

Проект выполнил студент гр. ХТЭ-48

Кузницкая В.Ф.____

2008

Содержание

Реферат

Введение

1. Основные условные обозначения

2. Принципиальная схема установки и её описание

3. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

3.1 Первое приближение

3.1.1 Концентрации упариваемого раствора

3.1.2 Температуры кипения растворов

3.1.3 Полезная разность температур

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

3.1.5 Выбор конструкционного материала

3.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

3.1.7 Распределение полезной разности температур

3.2 Второе приближение

3.2.1 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

3.2.1.1 Расчет тепловых нагрузок

3.2.1.2 Расчет коэффициентов теплопередачи

3.2.1.3 Распределение полезной разности температур

3.2.1.4 Расчет поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

4. Определение толщины тепловой изоляции

5. Расчет барометрического конденсатора

5.1 Расход охлаждающей воды

5.2 Диаметр конденсатора

5.3 Высота барометрической трубы

5.4 Расчет производительности вакуум-насоса

6. Тепловой расчет

6.1 Расчет теплообменника-подогревателя

7. Мероприятия по технике безопасности

Список литературы

Реферат

В задании на курсовое проектирование проводится расчёт выпарной непрерывной установки.

Тип выпарной установки - трехкорпусная с выпарными трубчатыми аппаратами с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой.

Целью расчёта выпарной установки является определение основных размеров аппарата (диаметра и высоты), балансов, подбор дополнительного оборудования.

Были изучены мероприятия по технике безопасности на предприятиях химической промышленности и оказание первой помощи пострадавшим.

Количество страниц-31

Количество таблиц-6

Количество рисунков-1

Библиограф-5

Введение

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определённые сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

1. Основные условные обозначения

c - теплоемкость, Дж/(кгК) ;

d - диаметр, м ;

D - расход греющего пара, кг/с ;

F - поверхность теплопередачи, м² ;

G - расход, кг/с ;

g - ускорение свободного падения, м/с² ;

H - высота, м ;

i, I - энтальпия жидкости и пара, кДж/кг ;

K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К) ;

P - давление, Мпа ;

Q - тепловая нагрузка, кВт ;

q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м² ;

r - теплота парообразования, кДж/кг ;

t,T - температура, град.

, W - производительность по испаряемой воде, кг/c ;

x - концентрация, % (масс.) ;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К) ;

- теплопроводность, Вт/(мК) ;

- вязкость, Пас ;

- плотность, кг/м³ ;

- поверхностное натяжение, Н/м ;

Re - критерий Рейнольдса ;

Индексы:

1, 2, 3,4 - первый, второй, третий, четвёртый корпус выпарной установки ;

в - вода ;

вп - вторичный пар ;

г - греющий пар ;

ж - жидкая фаза ;

к - конечный параметр ;

н - начальный параметр ;

ср - среднее значение ;

ст - стенка .

2. Принципиальная схема установки и её описание

Рис.1. Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:

1-- емкость исходного раствора; 2.10 -- насосы; 3 -- теплообменник-подогреватель; 4 --6 выпарные аппараты: 7 -- барометрический конденсатор, 8 -- вакуум-насос. 9 - гидрозатвор; 11 - емкость упаренного раствора; 12- конденсатоотводчик

В приведенном ниже типовом примере расчета трехкорпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией и кипением раствора в трубах, даны также рекомендации по расчету выпарных аппаратов некоторых других типов: с естественной циркуляцией, вынесенной зоной кипения, пленочных.

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки показана на рис. 4.1. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем -- в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе кон центрированный раствор центробежным насосом-/0- подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.

3. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

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

F=Q/(Kt_п)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур t_П необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций раствора и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

3.1 Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = G_н(1 - х_н/х_к)

Подставив получим:

W = 28000/3600(1 - 10/40) = 6,02 кг/с

3.1.1 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:

w₁--:--w₂--:--w₃:--=1,0: 1,1: 1,2

Тогда

w₁--=--1,_W/--(1,_--+--1,1--+--1,2+1,3)--=--1,_W/--4,6--=--1,_6,_2/--4.6--=--1,31--кг/с

w₂--=--1,1W/--4,6--=--1,16,_2/--4,6--=--1,44--кг/с

w₃--=--1,2W/--4,6--=--1,26,_2/--4,6--=1,57--кг/с

w_4--=--1,3W/--4,6--=--1,36,_2/--4,6--=1,7--кг/с

Далее рассчитывают концентрации раствора в корпусах:

х₁--=--G_нх_н--/--(G_н-----w₁)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31)--=--_,12--или--12--%

х₂--=--G_нх_н--/--(G_н-----w₁-----w₂)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31---1,44)--=--_,155--или--15,5--%

х₃=--G_нх_н--/--(G_н-----w₁-----w₂-----w₃)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31-1,44-1,57)--=--_,44--или--44--%

Концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_к.

3.1.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад давления в установке равен:

DР_ОБ--=Р_--Г1---_--Р_БК--=--_,6-_,_2=--_,58--МПа

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

Р_Г1--=--_,6--МПа

Р_Г2--=Р_--Г1-----DР_ОБ--/--4_--=_,6-----_,58--/--4--=--_,455--МПа

Р_Г3--=Р_--Г2-----DР_ОБ--/--4_--=--_,455-_,58--/--4=_,31--МПа

Р_Г4=Р_Г3-----DР_ОБ--/--4--=--_,31-_.58--/--4--=--_,165--МПа

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

Р_БК--=Р_--Г4-----DР_ОБ--/--4=_,165---_,58--/--4=--_,_2--МПа

что соответствует заданному значению Р_БК .

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Таблица 1 - Температуры греющих паров

Р, МПа	t°, С	I, кДж/кг
РГ1=0,6	tГ1=157,8	I1=2768
РГ2=0,455	tГ2=146,9	I2=2749
РГ3=0,31	tГ3=132,9	I3=2730
РГ4=0,165	tГ4=112,8	I4=2702
РБК=0,02	tБК=59,6	IБК=2605

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора 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 давления 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 в последующем корпусе на сумму температурных потерь ???от температурной ( ?^I ) , гидростатической ( ?^II ) и гидродинамической ( ?^III ) депрессий:

SD--=--D^I--+--D^II--+--D^--III

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают ?^III = 1.0 - 1.5 град. на корпус. Примем ?^III = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ⁰ С) равны:

t_ВП1--=--t_Г2--+--D₁^III--=1146,9--+--1--=--147,9--°С

t_ВП2--=--t_Г3--+--D₂^III--=132,9--+--1--=--133,9--°С

t_ВП3--=--t_Г4+--D₃^III--=--112,8--+--1--=--113,8--°--С

t_ВП4--=--t_БК--+--?₄^III--=--59,6--+--1--=--6_,6--°С

Сумма гидродинамических депрессий:

SD^III--=--D₁^III--+--D₂^III--+--D₃^III--=--1--+--1--+--1--+--1--=--4--°C.

По температурам определяем давленте вторичных паров. Они равны соответственно:

Р_ВП1 = 0,4624 МПа;

Р_ВП2 = 0,3061 МПа;

Р_ВП3 = 0,1633 МПа;

Р_ВП4 = 0,0207 МПа;

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

Р_ср=Р_вп+?gН(1-?)/2

где Н-высота кипятильных труб в аппарате, м; ?-плотность кипящего раствора, кг/м³;

?-поронаполнение, м³ /м³.

Для выбора значения Н необходимо оринтеровочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_ор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляцией q=20000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса оринтеровочно равна:

F_ор=Q/q=(?₁r₁)/q=1,31·2081·1000/20000=136 м²

Примем высоту кипятильных труб Н= 4 м.

При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет ?=0,4-0,6. Примем ?=0,5. Плотность водного раствора К₂СО₃, при соответствующих концентрациях в корпусах равна:

?₁= 1110 кг/м³ ; ?₂= 1145 кг/м³ ; ?₃= 1219 кг/м³ ; ?₄ = 1469 кг/м³.

При определение плотности раствора пренебрегаем изменением её с повышением температуры ввиду малого значения коэффициента объёмного расширения и оринтеровочно принятого значения паронаполнения.

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

Р_ср1 = Р_вп1+?gН(1-?)/2 = 46,24 • 10⁴ + 4·1110 · 9,81· (1-0,5)/2= 47,33 • 10⁴ Па;

Р_ср2 = Р_вп2+?gН(1-?)/2 = 30,61 • 10⁴ + 4 · 1145 · 9,81· (1-0,5)/2= 31·10⁴ Па;

Р_ср3 = Р_вп3+?gН(1-?)/2 = 16,33 · 10⁴ + 4 · 1469 · 9,81· (1-0,5)/2= 3,51·10⁴ Па;

Р_ср4 = Р_вп4 + ?gН(1-?)/2 = 2,07·10⁴ + 4· 1469· 9,81· (1-0,5)/2 = 3,51·10⁴ Па.

Этим давлениям соответствуют температуры кипения и теплоты испарения воды:

P_ср1 = 0,4733 МПа t_ср1 = 148,82 ⁰ C r_вп1 = 2130 кДж/кг

P_ср2 = 0,3173 МПаt_ср2 = 135,1 ⁰ C r_вп2 = 2170 кДж/кг

P_ср3 = 0,1752 МПа t_ср3 = 114,5 ⁰ C r_вп3 = 2220 кДж/кг

Р_ср4 = 0,0351 МПа t_СР4 = 69,2 ⁰ С r_вп4 = 2331 кДж/кг

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ⁰ C):

D₁^II--=--t_ср1-----t_вп1--=--148,82-----147,9--=--_,92;

D₂^II--=--t_ср2-----t_вп2--=--135,1-----133,9--=--1,2;

D₃^II--=--t_ср3-----t_вп3--=--114,5-----113,8--=--_,7;

?₄^II--=--t_ср4-----t_вп4--=--69,5-----6_,6--=--8,9.

Сумма гидростатических депрессий

?D^II=D₁^II+D₂^II+D₃^II=_,92--+--1,2--+--_,7--+--8,9--=--11,72--^_С

Температурную депрессию определим по уравнению

D^I=1,62·_,_1·D^I_атм--·Т²/r_вп

где Т-температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; ?^I_атм- температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значения ?^I по корпусам (в ⁰ C):

D^I_1--=--1,62·_,_1·--(148,8+273)²·1,_8/213_--=--1,46--^_С;

D^I_2--=--1,62·_,_1·--(135,1+273)²·1,57/217_--=--1,95--^_С;

D^I_3--=--1,62·_,_1·--(114,5+273)²·2,75/222_--=--3,55--^_С;

?₄^I--=--1,62•_,_1•(69,2--+--273)^2--•1_/2331--=--8,14--^_С.

Сумма температурных депрессий

?D^I=D^I₁+D^I₂+D^I₃--=--1,46--+--1,95--+--3,55--+--8,14--=--15,1--^_С

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ⁰ C):

t_K1--=--t_Г2--+--D₁^I--+D₁^II--+D₁^III--=--146,9--+--1--+_,92--+--1,46--=--15_,28--^_--C;

t_K2--=--t_Г3--+--D₂^I+D₂^II--+--D₂^III--=--132,9--+--1--+--1,2--+--1,95--=--137,6--^_--C;

t_K3--=--t_Г4+--D₃^I--+D₃^II--+--D₃^III--=--112,8--+--1--+--_,7--+--3--=--117,5--^_--C;

t_К4--=--t_БК--+--?₄^I--+--?₄^II--+--?₄^III--=--59,6--+--1--+--8,9--+--8,14--=--77,64--^_С.

3.1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

SDt_п^--=--Dt_п1--+--Dt_п2--+--Dt_п3

Полезные разности температур по корпусам ( в ⁰ С ):

Dt_п1--=--t_г1-----t_к1--=--157,8-----15_,28--=--7,52--°С;

Dt_п2--=--t_г2-----t_к2--=--146,9-----137,6--=--9,3--°С;--

Dt_п3--=--t_г3-----t_к3--=--131,9-----117,5--=--15,4--°С;

?t_п4--=--t_г4-----t_к3--=--112,8-----77,64--=--35,16--°С.

Общая полезная разность температур:

SDt_п--=7,52--+--9,3--+--15,4--+--35,16--=--67,38--°С

Проверим общую полезную разность температур:

SDt_п^--=--t_г1-----t_бк-----(SD^I--+--SD^II--+--SD^III--)=157,8-----59,6-----(4--+--11,72--+--15,1)--=--67,38--^_--С

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

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

Q_1--=--D(--I_г1-----i_1--)--=--1,_3[--G_нс_н(--t_к1-----t_н--)--+--w₁(--I_вп1-----с_вt_r1--)--]--;

Q_2--=--w₁(--I_г2-----i_2--)--=--1,_3[--(--G_н-----w_1--)c₁(--t_к2-----t_--к1--)--+--w₂(--I_вп2-----с_вt_r2--)--]--;

Q_3--=--w₂(--I_г3-----i_3--)--=--1,_3[--(--G_н-----w_1-----_--w₂)c₂(--t_к3-----t_к2--)--+--w₃(--I_вп3-----с_вt_r3--)--]--;

Q₄=--?_3--•--(I_г4-----i₄)--=--1,_3--•--[--(G_к-----w_1-----_--w₂-----?₃)--•--с₃--•--(t_к4-t_к3)--+--?₄--•--(--I_вп4-----с_вt_г4--)--];

W--=--w₁--+--w₂--+--w₃--+--?₄--;--

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3 % потерю тепла в окружающую среду.

с - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом , втором и третьем корпусах, кДж / ( кгК ) [Приложение 1].

t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе t_н = t_вп1 + ?^I_н = 146,9 + 1 = 147,9 ⁰ С.

Q_1--=--D(2768-----654)--=--1,_3----[--7,78----3,87----(15_,3_-----148,8)--+--w₁--(2749_-----4,19----15_,3)]--;

Q_2--=--w₁(2749-----632)--=--1,_3----[(7,78_-----w₁)----3,75----(137,6-15_,3)--+--w_2----(273_---4,19--137,6_--)]--;

Q_3--=--w₂(273_-----55_)--=--1,_3----[(7,78-----w_1-----_--w₂)----3,6----(117,5-137,6)--+--w_3----(27_2---4,19117,5)]--;

Q_3--=--w₃(27_2-----471)--=--1,_3----[(7,78-----w_1-----_--w_2-----w₃)----3,5----(77,64-----117,5)--+--w_4----(28_5-----4,19•77,64)];------

W--=--w₁--+--w₂--+--w₃--+--w_4--=--7,78

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D--=--1,81--кг/с--;--w_1--=--1,32--кг/с--;--w_2--=--1,45--кг/с--;----w_3--=--1,58--кг/с;--w_4--=--1,7--кг/с;--

Q_1--=--4225--кВт--;--Q_2--=--4__1--кВт--;--Q_3--=--412_--кВт--;--Q₄=4217--кВт.

Результаты расчета сведены в таблицу

Параметр	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3	Корпус 4
Производительность по испаряемой воде ??, кг/с	1,32	1,45	1,58	1,7
Концентрация растворов х , %	12	15,5	22,5	44
Давление гр. паров Рг , МПа	0,6	0,455	0,31	0,165
Температура гр. паров tг ,0 С	169,6	158,1	132,9	112,8
Температурные потери ???гр.	3,38	4,15	5,25	27,04
Температура кипения раствора tк , 0 С	150,28	137,6	117,5	77,64
Полезная разность температур ?tп , град.	7,52	9,3	15,4	35,16

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 5 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

3.1.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора К₂СО₃ в интервале изменения концентраций от 10 до 44 % . В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее менее 0,003 мм/год при t=100⁰ С, коэффициент теплопроводности ?_ст = 25,1 Вт / (мК).

3.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

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

К_1--=--1--/--(--1/--a_1--+--S--d--/--l--+--1/--a_2--)

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

S--d--/--l--=--_,__2--/--25,1--+--_,___5--/--2--=--2,87----1_^-4----м²К--/--Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке ?_??равен:

a₁--=--2,_4[(r₁r²_ж1l³_ж1)/(m_ж1--HDt₁)]--^_,25

где r₁ - теплота конденсации пара, Дж/кг ; ?_ж1 , ?_ж1 , ?_ж1 - плотность (кг / м³ ), теплопроводность Вт / (мК), вязкость (Пас) конденсата при средней температуре пленки t_пл = t_г1 - ?t₁ /2 , где ?t₁ - разность температур конденсации пара и стенки, град.

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

t_пл--=--157,8-----2/2--=--156,8--^_--С

1)------------a₁--=

=--1__4_--Вт/(м^2--К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q--=--a₁Dt_1--=--Dt_ст--/--(S--d--/--l)--=--a₂Dt₂

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт / м² ;

?t_ст - перепад температуры на стенке, град. ;

?t₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Dt_ст--=--a₁Dt₁Sd--/l--=--1__4_•2•2,871_^-4--=--5,_6--град.

Тогда

Dt₂--=--Dt_п1-----Dt_ст-----Dt_1--=--7,52-----5,_6-----2=--_,46--град.--

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии принудительной циркуляции раствора равен:

a₂--=78_•--[--(_,62^1,3--•--111_^_,5--•--3,63^_,_6)/(_,_57^_,5--•--(213_•1_³)^6--•--_,579^_,66--•377_^_,3(_,1•1_^-3)^_,3--]•q^_,6

a₂=744_--Вт/(м²•К)

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q^I--=--a₁Dt_1--=1__4_•2=2__8_--Вт/м²

q^II--=--a₂Dt_2--=--744_•2=3721--Вт/м²

Как видим q^I q^II.

2) Для второго приближения примем ?t₁ = 1 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1.0 град, рассчитаем ?_??по соотношению

a₁=--

=1194_--Вт/(м²К)

Получаем:

--t_пл=157,8-_,5=157,3--^_--С

Dt_ст--=--1194_•1•2,87•1_^-4=3,43--град

Dt₂--=--7,52-----3,43-----1--=--3,_9--град

a_2--=19,53•(1194_•1)^_,6=545_--Вт/--м²к

q^I--=--a₁Dt_1--=--1194_--•1=1194_--Вт/м²

q^II--=--a₂Dt_2--=545_•3,_9=16837--Вт/м²

Как видно q^I q^II.

Для расчета третьего приближения построим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе(см. рис. 1) и определяем ?t₁

Рисунок 1- График зависимости тепловой нагрузки от разности температур

Получаем: ?t₁=1,22 град

Тогда:

3)--------a₁=--

^--=--1136_--Вт/(м²К)

Dt_ст--=1136_•1,22•2,87•1_^-4=--3,98--град

Dt₂--=7,52-3,98-1,2--=--2,32--град

q^I--=1136_•1,22=13859--Вт/м²

q^II--=--5966•2,32=13842--Вт/м²

q^I--?--q^II

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 % , расчет коэффициентов ?_??и ?₂ на этом заканчиваем.

Находим К:

К₁ = 1/ (1/ 11360+ 2,8710^-4 + 1/ 5966) = 1835 Вт/ (м²К);

К₂=0,8•1835=1468 Вт/ (м²К);

К₃=1835•0,7=1285 Вт/ (м²К);

К₄=1835•0,5=918 Вт/ (м²К).

3.1.7 Распределение полезной разности температур

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

где ?t_{п j} , Q _j , K _j - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j - го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

?t_п112,08 град

?t_п2= 67,38•2,73?12,83=14,34 град.

?t_п3= 67,38•3,21/12,83=16,86 град

?t_п4=67,38•4,59/12,83=24,10 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

??t_п = 12,08+14,34+16,86+24,10= 67,38 град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F = Q / ( K?t_п ).

F₁ =422510³ / (1835•12,08) = 190,6 м²

F₂ = 400110³ /(1468· 14,34) =190 м²

F₃ = 412010³ /(1285 · 16,86) = 190,2 м²

F₄=4217•10³ /(918•24,10) = 190,6 м².

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппарата (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур ?t_п подставлено ниже:

	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3	Корпус 4
Распределенные в 1-м приближении значения ?tп град.	12,08	14,34	16,86	24,10
Предварительно рассчитанные значения ?tп град.	7,52	9,3	15,4	35,16

3.2 Второе приближение

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

3.2.1 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанными в первом приближении происходит только в 1-м, 2-м и 3-м корпусах (где температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения ?^I , ?^II и ?^III для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:

Параметры	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3	Корпус 4
Производительность по испаряемой воде ? , кг/с	1,32	1,45	1,58	1,7
Концентрация растворов х , %	12	15,5	22,5	44
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг ,0 С	157,8	___	___	___
Полезная разность температур ?tп, град	12,08	14,34	16,86	24,10
Температура кипения раствора tк =tг - ?tп, 0 С	145,72	128	107	77,65
Температура вторичного пара ?tвп =tк - (?I + ?II), 0 С	143,34	124,85	102,75	60,61
Давление вторичного пара Pвп, МПа	0,3976	0,2415	0,1122	0,0207
Температура греющего пара ??tг = tвп - ?III, 0 С	___	142,34	123,85	101,75

3.2.1.1 Расчет тепловых нагрузок

Рассчитаем тепловые нагрузки (кВт):

Q₁ = 1,03[7,783,9(145,72 -143,34) + 1,32( 2747- 4,19145,72 )] = 2979 кВт;

Q₂ = 1,03[6,46 3,7(128 - 145,72) + 1,45(2723 - 4,19128 )] = 2830 кВт;

Q₃ = 1,03 [5,01?3,55• (107-128) + 1,58 (2680- 4,19107)] = 3108 кВт;

Q₄=1,03•[3,43•3,4•(77,65-107) + 1,7•(2635-4,19•77,65)]=3691 кВт.

3.2.1.2 Расчет коэффициентов теплопередачи

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

К_1--=--1--/--(--1/--a_1--+--S--d--/--l--+--1/--a_2--)

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

t_пл--=--157,8-----1--=--156,8--^_--С

a₁--=--1__4_--Вт/(м^2--К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q--=--a₁Dt_1--=--Dt_ст--/--(S--d--/--l)--=--a₂Dt₂

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт / м² ;

?t_ст - перепад температуры на стенке, град. ;

?t₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Dt_ст--=--1__4_•2--•2,87•1_^-4--=^--5,_6--град.

Тогда

Dt₂--=--Dt_п1-----Dt_ст-----Dt_1--=--12,_8-----5,_6-----2--=--5,_2--град.--

a_2--=19,53•(1__4_•2)^_,6--=744_--Вт/м²к

q^I--=1__4_•2=2__8_--Вт/м²

q^II--=--744_•5,_2=37350 Вт/м²

Как видим q^I q^II.

Для второго приближения примем ?t₁ = 3 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры, рассчитаем ?_??по соотношению

?_?= 10040· =9072 Вт/(м²К)

Получаем:

Dt_ст--=--9_72•3•2,87•1_^-4=7,8--град;

--Dt₂--=--12,_8-----3-----7,8--=--1,28--град;

t_ср--=146+_,8=146,8--град

?₂=19,53•(9_72•3)^_,6--=8945--Вт/(м²К)

q^I--=--9_72•3--=--27216--Вт/м²

q^II--=--8945•1,28--=--1145_--Вт/м²

Как видно q^I q^II.

Для расчета третьего приближения построим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе(см. рис. 2) и определяем ?t₁



Рисунок 2- График зависимости тепловой нагрузки от разности температур конденсации пара и стенки.

Получаем: ?t₁=2,52

t_пл = 157,8 -1,26 = 156,54 ⁰ С

Тогда:

a₂=--1__4_•--Вт/(м²К)

Dt_ст--=94_8_•2,52•2,87•1_^-4--=--6,86--град.

Dt₂--=--12,_8-----6,68-----2,52--=--2,7--град

t_ср--=146+1,65=147,65--град

a₂=19,53•(948_•2,52)^_,6--=--828_--Вт/(м²К)

q^I--=--948_•2,52--=--237__--Вт/м²

q^II--=--828_•2,7--=--2255_Вт/м²

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 % , расчет коэффициентов ?_??и ?₂ на этом заканчиваем.

Находим К₁:

К₁= Вт/ (м²К)

К₂=0,8•1934=1547 Вт/ (м²К)

К₃=0,7•1934=1354 Вт/ (м²К)

К₄=0,5•1934=967 Вт/ (м²К)

3.2.1.3 Распределение полезной разности температур.

?t_п1= град;

Аналогично находим ?t_п во втором, третьем и четвёртом корпусах:

?t_п2=14,01 град;

?t_п3=16,33 град;

?t_п4=24,51 град.

Проверка суммарной полезной разности температур:

??t_п=12,53 + 14,01 + 16,33 + 24,51 = 67,38 град.

Сравнение полезных разностей температур ?t_п , полученных во 2 - м и 1 - м приближениях, приведено ниже:

	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3	Корпус 4
?tп во втором приближении, град.	12,53	14,01	16,33	24,31
?tп в первом приближении,град.	12,08	14,34	16,86	24,10

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1 - м и 2 - м приближениях не превышают 5 % .

3.2.1.4 Расчет поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F = Q / ( K??t_п )

F₁ = 2979000/1934•12,53 =128,9 м²

F₂ = 2830•10³/1547•14,01=130 м²

F₃ = 3108•10³/1354•16,33=132,3 м²

F₄= 36,91•10³/967•24,51=132,1 м².

По ГОСТ 11987-81 [6] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена Fн,, м2	160
Диаметр труб d, мм	38 х 2
Высота труб H, мм	4000
Диаметр греющей камеры D, мм	1200
Диаметр сепаратора D1, мм	2400
Диаметр циркуляционной трубы D2, мм	700
Общая высота аппарата Ha, мм	13500
Масса аппарата Ma, кг	12000

4. Определение толщины тепловой изоляции

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

где ?_в??????????????t_ст2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²К) .

t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), ⁰ С (примем t_ст2=40⁰ С;)

t_ст1 - температура изоляции со стороны аппарата, ⁰ С ;

t_в - температура окружающей среды (воздуха), ⁰ С ;

?_и - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мК);

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:

?_в?= 9,3 + 0,05840 = 11,6 Вт/( м²К )

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит ( 85% магнезии и 15% асбеста ), имеющий коэффициент теплопроводности 0.09 Вт/( мК )

Тогда получим:

?_и = м

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,050 м и для других корпусов.

5. Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 ⁰ С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум - насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум - насоса.

5.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_в определяется из теплового баланса конденсатора:

где I_б.к. - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе Дж/кг;

t_н - начальная температура охлаждающей воды ⁰ С;

t_к - конечная температура смеси воды и конденсата ⁰ С;

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_б.к - 3.0 = 59,6 - 3 = 56,6 ⁰ С .