Расчет процесса выпаривания трехкорпусной установки раствора К2CO3

Признаки классификации выпарных аппаратов. Уравнения материального баланса простого выпаривания. Технологическая схема, преимущества и недостатки прямоточной и противоточной многокорпусных выпарных установок. Расчёт выпарного аппарата по корпусам.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 27.11.2013
Размер файла 712,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Виды выпаривания

1.1.1 Простое выпаривание

1.1.2 Многократное выпаривание

1.2 Описание технологической схемы

2. Расчет выпарного аппарата

2.1 Расчет концентраций упариваемого раствора по корпусам

2.2 Определение гидравлической депрессии

2.3 Определение гидростатической депрессии

2.4 Определение температурной депрессии

2.5 Определение полезной разности температур

2.6 Определение тепловых нагрузок по корпусам

2.7 Определение коэффициентов теплопередачи

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях. Выпариванию подвергают растворы твердых веществ и высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара.

Выпаривание чаще всего производится при повышенной температуре, иногда при кипении, или под вакуумом. Этот процесс происходит благодаря подводу теплоты извне (чаще всего используют водяной пар давлением до 1,2 МПа, который называют греющим, или первичным) и непрерывному удалению образующегося при кипении раствора пара, называют вторичным (при отборе на сторону называют экстрапаром).

Движущая сила выпаривание - разность температур греющего пара и кипящего раствора, называют полезной. Она всегда меньше разности между температурами первичного и вторичного паров, так как раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Указанное различие в температурах, называют физико-химической (концентрационной, температурной) депрессией, определяется химической природой раствора и часто достигает больших значений, возрастая с увеличением концентрации и внешнего давления.

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты, работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). При работе под избыточным давлением повышается температура кипения раствора, поэтому возможности данного способа ограничены свойствами раствора и температурой теплоносителя. Разрежение в выпаривании создается в результате конденсации вторичного пара в специальных конденсаторах, охлаждаемых водой или исходным раствором, и удаления неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. Выпаривание в условиях разрежения позволяет снизить температуру кипения раствора, применяется для концентрирования термочувствительных растворов.

Выпарные установки широко применяются для концентрирования растворов в химической, пищевой и других промышленностях: для термического опреснения соленых вод, для снабжения предприятий греющим паром, обеспечения котельных установок и других промышленных потребителей горячими конденсационными водами. Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.

1. Аналитический обзор

Процесс выпаривания заключается в удалении из раствора большей части растворителя и получении концентрированного раствора. Выпаривание следует вести так, чтобы при заданной производительности получить сгущенный раствор требуемой концентрации без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе топлива. Процесс выпаривания осуществляют в аппаратах однократного действия (однокорпусный выпарной аппарат) или многократного действия (многокорпусный выпарной аппарат). В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается.

Если температура поступающего раствора значительно ниже температуры кипения, то целесообразно его предварительно подогреть в отдельном теплообменнике, чтобы выпарной аппарат работал только как испаритель, а не выполнял частично роль подогревателя, так как в последнем случае коэффициент теплопередачи аппарата несколько снижается. Чем выше концентрация начального раствора, тем меньше расход тепла на его упаривание.

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты, которые, зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора аппараты выпаривания делят на поверхностные (теплота передается от теплоносителя к раствору через стенку) и контактные (непосредственное соприкосновение теплоносителя с раствором). Чаще в промышленности используются выпарные установки поверхностного типа.

Одно из условий нормальной работы выпарных аппаратов - непрерывный отвод конденсата первичного пара. Накопление конденсата в греющей камере приводит к потере части активной повети нагрева и, следовательно, к снижению производительности аппарата. Для удаления конденсата без пропуска несконденсировавшегося (пролетного) пара применяют конденсатоотводчики. Наиболее распространены поплавковые устройства, действие которых основано на различии плотностей пара и конденсата. При поступлении пара конденсат вытесняется из поплавка, открытого сверху или снизу; последний всплывает и при помощи штока закрывает пропускное отверстие.

Интенсивность работы выпарных аппаратов, особенно при переработке растворов веществ, которые образуют отложения на поверхности нагрева, в значительной степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэффициент теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию раствора, может быть причиной коррозии в сварных швах. Это достигается повышением давления греющего пара при постоянном давлении в аппарате или уменьшением, давления в аппарате при постоянных температуре и давлении первичного пара. Для сохранения неизменной производительности выпарные аппараты (при условии постоянства состава выпариваемого раствора и давления) температура греющего пара должна возрастать пропорционально продолжительности работы аппаратов. Последняя определяется количеством отложений на поверхности нагрева. Накипь удаляют путем периодической промывки или механической очистки выпарных аппаратов.

В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

по расположению поверхности нагрева -- на горизонтальные, вертикальные и реже наклонные;

по роду теплоносителя -- с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом (чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом);

по способу подвода теплоносителя -- с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);

по режиму циркуляции -- с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;

по кратности циркуляции -- с однократной и многократной циркуляцией;

по типу поверхности нагрева -- с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенные, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

К конструкции выпарных аппаратов должны быть предъявлены следующие требования:

- простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;

- стандартизация узлов и деталей;

- соблюдение требуемого режима (температура, давление, время пребывания раствора в аппарате), получение полупродукта или продукта необходимого качества и требуемой концентрации, устойчивость в работе, по возможности более длительная работа аппарата между чистками при минимальных отложениях осадков на теплообменной поверхности, удобство обслуживания, регулирования и контроля за работой;

- высокая интенсивность теплопередачи, малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.

В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Для большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют с удлиненными трубками (3-3,5м).

Рисунок 1 - Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой

Для упаривания кристаллизующихся растворов применяют аппараты с коническим днищем с углом наклона больше угла естественного откоса кристаллизующейся массы.

Некоторое распространение имеют пленочные аппараты с однократной циркуляцией раствора. Основная особенность этой конструкции заключается в возможности снижения потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. Подаваемый в нижнюю часть трубок аппарата раствор вскипает; при этом образуется много паровых пузырьков, увлекающих за собой раствор. Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок, ударяется о поверхность сепаратора с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой к периферии, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Таким образом, выпаривание происходит в тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки (более 5 м) возможны разрыв и высыхание пленки жидкости в верхней части трубки с понижением при этом коэффициента теплоотдачи.

Проведенные специальные заводские опыты показали, что пленочные аппараты не характеризуются большой интенсивностью теплоотдачи при кипении. Некоторым преимуществом пленочного аппарата является однократная циркуляция с быстрым прохождением раствора через трубы, что предохраняет растворы, чувствительные к высокой температуре, от порчи. Недостатки этих аппаратов: значительная длина трубок, затрудняющая ремонт, малая аккумулирующая способность, не обеспечивающая постоянную производительность и затрудняющая получение раствора равномерной концентрации. Труба, отводящая упаренный раствор на следующий корпус, должна иметь гидравлический затвор соответствующей высоты для предотвращения возможного прорыва пара в трубное пространство следующего корпуса. Эти аппараты дороже обычных вертикальных аппаратов.

Рисунок 2 - Аппарат с однократной циркуляцией раствора

Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева целесообразно применять для пенящихся растворов, так как в основном в нем происходит самоиспарение перегретой в трубах жидкости при поступлении ее в сепаратор. При этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при достаточных размерах сепаратора не происходит уноса капелек жидкости и пены со вторичным паром.

Рисунок 3 - Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева

В некоторых случаях применяют аппараты с принудительной циркуляцией. В этих аппаратах жидкость движется по трубкам с большой скоростью (2--3 м/с) под давлением; зона кипения находится у верхнего конца трубок. Благодаря значительной скорости движения раствора в трубках отложения на поверхности теплообмена меньше, чем в обычных вертикальных аппаратах. Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно применять в определенном интервале тепловых нагрузок и, главным образом, при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих условиях достигается более высокий коэффициент теплоотдачи к кипящей жидкости, чем в обычных аппаратах, что позволяет соответствующим образом уменьшить поверхность нагрева аппарата по сравнению с вертикальным аппаратом с естественной циркуляцией раствора. С другой стороны, на привод циркуляционного насоса требуются довольно значительные затраты мощности, поэтому целесообразность применения подобных аппаратов следует обосновать соответствующим технико-экономическим расчетом.

Для химически агрессивных растворов, например H2SO4, СаС12, применяют аппараты с погружным горением - цилиндрические емкости из углеродистой стали, футерованные кислотоупорной плиткой или гуммированные. В них топочные газы, используемые как теплоноситель, образуются в результате сжигания топлива в горелках, которые погружены в концентрируемый раствор. Эти газы барботируют через раствор и удаляются вместе с вторичным паром. Достоинство таких выпарных аппаратов - отсутствие поверхности теплообмена, что обеспечивает сравнительно простое решение вопросов коррозионной стойкости материалов аппаратов. Недостатки: большой расход топлива, невозможность использования вторичного пара в качестве теплоносителя, загрязнение атмосферы топочными газами и продуктами уноса раствора паром.

Рисунок 4 - Аппарат с принудительной циркуляцией

Выше указано, что в ряде случаев целесообразно проводить упаривание растворов в тонкой пленке в роторных аппаратах; особенно это касается вязких и термолабильных растворов. Раствор подается дозировочным насосом в верхнюю часть аппарата, откуда он стекает в виде тонкой пленки по внутренней стенке цилиндрического корпуса. Теплоноситель (вода, пар, дифенильная смесь) подается в рубашку аппарата. При отекании по стенке аппарата раствор захватывается лопатками и приводится в движение; при этом образуется пленка, отталкиваемая центробежной силой к внутренней стенке аппарата. Полученную на стенках пасту лопасти снимают и направляют на дно; затем паста удаляется через патрубок и секторный затвор. Окружная скорость ротора 2--3,5 м/с. Аппарат характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи. Незначительное время пребывания раствора в аппарате (10--15с) обеспечивает высокое качество продукта, что особенно важно для термолабильных растворов. Расход мощности на привод ротора при диаметре аппарата 600 мм составляет 3,0 кВт. Наряду с положительными качествами аппарат имеет некоторые недостатки -- небольшую поверхность нагрева, а потому и сравнительно малую производительность. Наличие вращающегося ротора усложняет и удорожает аппарат. Кроме того, трудно обеспечить малые и одинаковые зазоры между лопастями и корпусом аппарата.

1.1 Виды выпаривания

выпарной установка прямоточный

Существует два вида выпаривания: простое выпаривание и многократное выпаривание.

1.1.1 Простое выпаривание

Простое выпаривание осуществляется на установках небольшой производительности, когда затраты теплоты не имеют большого значения.

Материальный баланс простого выпаривания включает два уравнения (1) и (2)

(1)

где - массовый расход исходного (упариваемого) и конечного (упаренного) раствора;

- массовый расход выпариваемого растворителя.

По растворенному веществу,

(2)

где - проценты (массовые доли) растворенного вещества в исходном (начальном) и конечном растворах.

Тепловой баланс простого выпаривания может быть записан на основе потоков прихода и расхода теплоты.

Обозначим - массовый расход греющего пара, - удельные энтальпии греющего и вторичного пара, конденсата, - начальная и конечная температуры раствора; теплота концентрирования от концентрации до концентрации , - удельные теплоемкости исходного (начального) и конечного растворов, - потери теплоты, - теплота концентрирования.

В этом случае тепловой баланс будет основываться на следующих тепловых потоках (таблица 1).

Таблица 1

Поступление теплоты

Расход теплоты

С исходным раствором

С конечным раствором

С греющим паром

С вторичным паром

С теплотой концентрирования

С конденсатом

Тепловые потери

Тогда тепловой баланс простого выпаривания будет равен (3)

(3)

Заменив в выражении (3) в соответствии с уравнением (1) на и решив его относительно расхода греющего пара, получим уравнение (4)

(4)

Из равенства (4) следует, что общий расход пара определяется тремя слагаемыми, которые можно интерпретировать следующим образом: первое - расход пара на изменение теплосодержания упариваемого раствора, второе - расход пара на образование вторичного пара и третье - расход пара на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду. Значение первого и последнего слагаемых невелики по сравнению со вторым, поэтому при приближенных расчетах считается, что 1 кг испаряемой из раствора воды требует затрат 1,1 - 1,2 кг греющего пара.

Площадь поверхности теплообмена выпарного аппарата определяется в соответствии с основным уравнением теплопередачи (5)

(5)

где - тепловая нагрузка аппарата;

- коэффициент теплопередачи;

- полезная разность температур.

При расчетах выпарных аппаратов учитывают следующие температурные характеристики:

1) общую разность температур - разность между температурой греющего пара поступающего в выпарной аппарат, и температурой вторичного пара - отбираемого из аппарата, вычисляется по формуле (6)

(6)

где - общая разность температур;

- температура греющего пара

2) полезную разность температур, которая всегда меньше общей разности температур на величину температурных потерь (депрессий), определяем по формуле (7)

(7)

где - величина температурных потерь.

3) температурные потери (депрессии), которые складываются из температурной, гидростатической и гидравлической депрессий, определяем по формуле (8)

(8)

где - температурная депрессия;

- гидростатическая депрессия;

- гидравлическая депрессия.

4) температурную депрессию - разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя, находим по формуле (9)

(9)

где - температура кипения раствора;

- температура кипения растворителя.

5) гидростатическую депрессию - повышение температуры кипения раствора за счет гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппаратура;

6) гидравлическую депрессию - потери температуры вторичного пара, вызванные гидравлическими сопротивлениями на выходе из выпарного аппарата.

1.1.2 Многократное выпаривание

Сущность многократного выпаривания заключается в том, что процесс выпаривания осуществляется в нескольких соединенных последовательно аппаратах, давление в которых поддерживается таким образом, чтобы вторичный пар предыдущего корпуса мог быть использован как греющий пар в последующем корпусе.

Многокорпусные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.

В противоточной многокорпусной установке (рисунок 1) исходный раствор подается в корпус 1, далее в корпуса 2 и 3 и удаляется из корпуса 3 в виде упаренного продукта. Давление в установке уменьшается в направлении от корпуса 1 к корпусу 3, что позволяет перемещать раствор под действием перепадов давлений без дополнительного перекачивающего оборудования.

Греющие пары перемещаются в том же направлении, что и раствор: свежий пар вводится в корпус 1; образовавшийся в этом корпусе вторичный пар поступает в качестве греющего в корпус 2; образующийся в нем вторичный пар поступает на обогрев корпуса 3; вторичный пар из корпуса 3 отводится в барометрический конденсатор 4.

Преимуществом прямоточной схемы является возможность перемещения раствора из корпуса самотеком. К недостаткам можно отнести неблагоприятные для теплопередачи условия. Так, коэффициенты теплоотдачи от пара к упариваемому раствору уменьшаются от корпуса к корпусу в связи со снижением теплосодержания греющего пара, уменьшением количества упариваемого раствора, но увеличением его концентрации. Таким образом, коэффициент теплопередачи в последнем корпусе оказывается в несколько раз меньше, чем в первом.

1, 2, 3 - корпуса; 4 - барометрический конденсатор

Рисунок 5 - Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки

1, 2, 3 - корпуса; 4 - барометрический конденсатор; 5, 6, 7 - насосы

Рисунок 6 - Схема противоточной многокорпусной выпарной установки

Схема противоточной многокорпусной выпарной установки представлена на рисунке 12. Свежий греющий пар поступает, как и в предыдущем случае, в корпус 1, а вторичные пары в качестве греющих перемещаются в направлении от корпуса 1 к корпусу 3, и конденсируется в барометрическом конденсаторе 4. Выпариваемый раствор вводится в корпус 3, перемещается в установке в направлении от корпуса 3 к корпусу 1 и отбирается из корпуса 1 насосом 7. Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора используются насосы 5, 6.

Преимуществом противоточной схемы является более интенсивный теплообмен во всех корпусах, недостатком - необходимости использования в схеме насосов, работающих на горячих легко кристаллизующихся потоках, что усложняет эксплуатацию установки.

Материальный баланс многокорпусной установки, состоящей из n корпусов, записывается аналогично уравнениям (1) и (2) в виде уравнений (10), (11)

(10)

где 1, 2, n - номер корпуса многокорпусной установки.

(11)

Тепловой баланс при расчете многокорпусной установки составляется обычно для каждого корпуса по аналогии с уравнениями (3) и (4) с целью определения необходимого количества греющего пара для первого корпуса и достаточности количества вторичного пара из предыдущего корпуса для нормальной работа последующего корпуса. В случае избытка вторичного пара для обогрева последующего корпуса он частично может отбираться в качестве экстрапара для нужд производства.

Общую разность температур для многокорпусной установки - разность между температурой греющего пара , поступающего в первый корпус, и температурой вторичного пара отводимого из последнего корпуса, определяют по формуле (6).

Общую полезную разность температур, которая меньше общей разности температур на величину температурных потерь во всех корпусах установки, можно определить как, можно определить по формуле (13)

(13)

При расчете многокорпусных выпарных установок для определения площадей теплопередающих поверхностей общую полезную разность температур необходимо предварительно распределить по корпусам установки.

Выбор числа корпусов производят с учетом того, что основным Преимуществом многокорпусной выпарной установки является использование первичного греющего пара только в первом корпусе. Остальные корпуса обогреваются теплотой вторичного пара, получаемого в предыдущем корпусе. Таким образом, увеличение числа корпусов приводит к уменьшению производственных затрат, связанных с получением греющего пара. Однако число корпусов нельзя увеличивать постоянно, поскольку каждый из них увеличивает температурные потери всей установки. Поэтому предельным числом корпусов в установках многократного выпаривания является такое их число, при; котором полезная разность температур имеет положительное значение.

Оптимальное число корпусов установок многократного выпаривания обычно определяется экономическими соображениями (рисунок 3) - приведенными затратами на проведение процесса выпаривания (кривая а). Приведенные затраты состоят из затрат на производство пара (кривая б), которые уменьшаются с увеличением числа корпусов; амортизационных расходов, увеличивающихся с ростом количества корпусов (кривая в); трудозатрат (линия г), практически не зависящих от числа корпусов. Оптимальное число корпусов в промышленных условиях, соответствующее минимальным приведенным затратам обычно составляет 3 - 4 корпуса.

1.2 Описание технологической схемы

Технологическая схема 3-х корпусной установки представлена на рисунке.

1-емкость исходного раствора; 2, 9-насосы; 3, 4, 5-выпарные аппараты;

6-емкость упаренного раствора; 7-гидрозатвор; 10-барометрический конденсатор

Рисунок 7 - Технологическая схема 3-х корпусной установки

В трехкорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор Na2CO3 под вакуумом.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора Na2CO3 в интервале изменения концентраций от 10 до 27 %. В этих условиях подходит сталь марки X17 с коэффициентом теплопроводности лст = 25,1 Вт/м?К. Скорость коррозии ее менее 0,1 мм/год.

2. Расчёт выпарного аппарата

2.1 Расчет концентраций упариваемого раствора по корпусам

В соответствии с исходными данными таблицы 2, произведем технологический расчет выпарной установки

Таблица 2 - Исходные данные для расчета

Наименование

Обозначение

Размерность

Кол-во

Производительность по исходному раствору

32

Начальная концентрация раствора

10

Конечная концентрация раствора

40

Давление греющего пара

Pгп

Па

65

Давление в барометрическом конденсаторе

Рбк

Па

15

Длина греющих трубок

м

4

Наружный диаметр греющих трубок

м

Количество выпаренной воды общее

W

24

в первом корпусе

7,27

во втором корпусе

8

в третьем корпусе

8,27

Конечная концентрация раствора

в первом корпусе

12,94

во втором корпусе

19,13

в третьем корпусе

37,83

Определяем общее количество выпаренной воды из уравнения(1)[1, с.134]

= 32 (1- ) = 24 (1)

Расчет концентраций упариваемого раствора по корпусам.

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом корпусе. На основании практических данных производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

Тогда количество выпаренной воды

В первом корпусе

W1 = = = 7,27 кг/с.

Во втором корпусе

W2 = = = 8 кг/с.

В третьем корпусе

W3 = = = 8,27кг/с.

Концентрация растворов в корпусах

В первом корпусе

х1 = = 12,94%.

Во втором корпусе

х2 = = 19,13%.

В третьем корпусе

х3 = = 37,83%.

Что соответствует заданию.

Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ?P распределяется между корпусами поровну

ДP = = 0,21166 МПа (2)

где PГ1 - давление греющего пара в первом корпусе, МПа;

Pбк - давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

Р1 =0,65 - 0,21166 = 0,438 МПа = 4,38 · 104 Па

Р2 = 0,44 - 0,21166 =0,23 МПа = 2,3 · 104 Па

Р3 = 0,23 - 0,21166 = 0,018 МПа = 0,18 · 104 Па

Переводим давление, измеряемое в паскалях, в килограмм-силу на сантиметр квадратный

Р1 = = 4,47 кгс/см2

Р2 = = 2,3 кгс/см2

Р3 = = 0,18 кгс/см2

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии.

Таблица 3 - Температуры и энтальпии

Давление, кгс/см2

Температура, °C

Энтальпия, кДж/кг

6,625

161,9125

2762,75

4,47

146,754

2754,7

2,3

123,59

2716

0,18

53,783

2596,33

2.2 Определение гидравлической депрессии

На основании практических рекомендаций принимаем гидравлическую депрессию для каждого корпуса ?''' = 1 град, тогда температуры вторичных паров, давления и теплоты парообразования их в корпусах будут равны:

Таблица 4 - Температуры вторичных паров, давления и теплоты парообразования

Температура, °C

Давление, МПа

Теплота парообразования, кДж/кг

tв.п1=146,754+1,4=148,154

0,452

2123

tв.п2=123,59+2,3 =125,89

0,2322

2194

tв.п3=53,783+7=60,783

0,0199

2356,9

Сумма гидродинамических депрессий:

УД''' = 1,4 + 2,3 + 7 = 10,7 (3)

2.3 Определение гидростатической депрессии

Давление в среднем слое кипятильных труб рср определяется по уравнению.

Для выбора высоты трубы Н = l необходимо ориентировочно определить площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата Fop, выбрать параметры аппарата по ГОСТ 11987 -81.

Площадь поверхности теплопередачи ориентировочно определяется по формуле (4)

(4)

Коэффициент теплопередачи к ориентировочно принимают в пределах К = 300 ч750 Вт / (м2 · К).

Примем q = 30 000 Вт/м2.

Тогда поверхность теплопередачи по корпусам ориентировочно будет равна:

F1 =7,27 · 2123 · 103 / 50000 = 308,68 м2

F2 = 8 · 2194 · 103 / 30 000 = 351,04 м2

F3 = 8,27 · 2356,9 · 103 / 30 000 = 389,83 м2

Выбор выпарного аппарата по каталогу. Произведём выбор аппарата по ГОСТ 11987-81. Выберем выпарной аппарат с площадью поверхности теплопередачи F = 400 м2, длиной труб 4 м, диаметром труб 38х2 мм.

Для нахождения давления в выпарном аппарате найдем Нопт , м.

Нопт=(0,26+0,0014(р-в))Нтр (5)

Где (р-в) - разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения, t=22С [2], с.252

Нтр - рабочая высота труб, м

Плотность раствора р, и воды в при температуре t=22С, и концентрации Xкон

Физические свойства водного раствора К2CO3

Плотность , кг/м3:

с =1000 · 100/100 - Х1 · К1 - Х2 · К2 - …, (6)

где 1000 - плотность воды;

Хi - процентное содержание вещества в растворе;

Кi - плотность карбоната калия (0,94);

с1 = = 1138,48

с2 = = 1219,25

с3 = = 1551,836

Таким образом, давление в среднем слое кипятильных труб корпусов равны

Р1ср = 0,452+ 0,5 · 4 (0,26+0.0014(1138,48 - 912,3)) · 9,81 · 1138,48 · 10-6 = 0,465МПа

Р2ср = 0,2322+ 0,5 · 4 (0,26+0.0014(1219,25 - 934,5)) · 9,81 · 1219,25 · 10-6 = 0,248МПа

Р3ср =0,0199+ 0,5 · 4 (0,26+0.0014(1551,836 - 986)) · 9,81 · 1551,836 · 10-6 = 0,052МПа

Плотности растворов и воды в каждом корпусе взяты при tв.п. в них.

Полученным давлениям соответствуют следующие температуры кипения

Таблица 5 - Температуры и энтальпии

Давление, кгс/см2

Температура кипения, °C

Теплота парообразования, кДж/кг

4,74

148,967

2134,76

2,53

126,649

2190,61

0,53

83,338

2301,83

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам

Д1'' = 148,968 - 148,154 = 0,814 °C

Д2'' = 126,89 - 125,89 = 1°C

Д3'' = 83,338 - 60,783 = 22,555°C

Сумма гидростатических депрессий

У Д'' = 0,814 + 1 + 22,555 = 24,369°C

2.4 Определение температурной депрессии

Температурная депрессия по корпусам при атмосферном давлении определяется по данным табл. XXXVI [4]

Таблица 6 - Температурная депрессия по корпусам при атмосферном давлении

Корпус

Концентрация К2CO3

Температура кип, єС 

Депрессия єС 

1

12,94

101,2

1,2

2

19,13

102,4

2,4

3

37,83

107,5

7,5

Температурная депрессия по корпусам с учетом давления в них определяется по формуле (9)

(9)

Д1' =16,2 (273 + 148,968)2 · 1,2 / (2134,76 · 103) = 1,62єС

Д2' =16,2 (273 + 126,649)2 · 2,4 / (2190,61 · 103) = 2,8єС

Д3' =16,2 (273 + 83,338)2 · 7,5 / (2301,83 · 103) = 6,7 єС

Сумма температурных депрессий

У Д' = 1,62 + 2,8 + 6,7 = 11,12єС

Температура кипения растворов по корпусам

tк1 = 146,754 + 1,4 + 0,814 + 1,62 = 150,588єС

tк2 = 123,59 + 2,3 + 1 + 2,8 = 129,69єС

tк3 = 53,783 + 7 + 22,555 + 6,7 = 90,038єС

2.5 Определение полезной разности температур

Общая полезная разность температур определяется по формуле (10)

(10)

= 161,9125 - 53,783Размещено на http://www.allbest.ru/

- 11,12 - 24,369 - 10,7 = 61,9405єС

Полезные разности температур по корпусам равны:

Дtпол1 = 161,9125 - 150,588 = 11,3245єС

Дtпол2 = 146,754 - 129,69 = 17,064єС

Дtпол3 = 123,59 - 90,038 = 33,552єС

2.6 Определение тепловых нагрузок по корпусам

Таблица 7 - Исходные данные для расчета

Исходные данные для расчета

1

2

3

Количество исходного раствора, кг/с

32

24,73

16,73

Концентрация исходного раствора, %

12,94

19,13

37,83

Температура исходного раствора, єС

146,754

150,588

129,69

Температура упаренного раствора, єС

150,588

129,69

90,038

Теплоемкость исходного раствора, Дж/кг · К.

3896,03

3670,41

2951

Энтальпия вторичного пара, Дж/кг.

2753,7·

103

2725,5·

103

2662,07·

103

Теплота парообразования греющего пара, Дж/кг.

2123,25·

103

2118,18·

103

2179,93·

103

Q1 = Gг.п. · rг.п. = [GH · (CK · tK - CH · tH) + W1 · (J1 - CK · tK)] · 1,05;

Q2 = W1 · r1 = [(GH - W1) · (CK · tK - CH · tH) + W2 · (J2 - CK · tK)] · 1,03; (11)

Q3 = W2 · r2 = [(GH - W1 - W2) · (CK · tK - CH · tH) + W3 · (J3 - CK · tK)] · 1,03.

где, 1,05; 1,03 - коэффициенты, учитывающие потери теплоты по корпусам в окружающую среду.

Определяем расход греющего пара в первый корпус, количество воды из каждого корпуса, тепловые нагрузки по корпусам:

Q1 = (32 · 3896,03 · (150,588 - 146,754) + W1 (2753 · 103 - 4190 · 150,588) · 1,05 = 16705846,08;

Q2 = W1 ·2118,18·103 = (24,73 ·3670,41 · (129,69 - 150,588) + W2

(2725,5 · 103 - 4190 · 129,69)) ·1,03 = 15574061,85;

Q3 = W2 ·2179,93·103 = (16,73 · 2951 · (90,038 - 129,69)+

W3 (2662,07·103 - 4190 · 90,038))·1,03 = 17445889,5.

22,05 = W1 + W2 + W3

Решение системы уравнений дает следующие результаты

Gг.п.= 7,87, W1 = 7,87, W2 = 7,35, W2 = 6,83.

Тепловые нагрузки по корпусам

Q1 = 2123,25 · 103 ·7,87 = 16710·103

Q2 = 2118,18 · 103 ·7,87 = 16670·103

Q3 = 2179,93 · 103·7,35= 16022,5·103

2.7 Определение коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи по корпусам определяют по уравнению (12)

(12)

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде раствора Na2CO3 в интервале изменения концентраций от 9 до 33 % и температур от 120 до 165 °С. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х18Н10Т; ее теплопроводность лст=164 [10].

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки лст /дст и накипи лн /дн. Термическое сопротивление со стороны пара не учитываем.

Принимая для всех корпусов толщину слоя накипи дн=0,5мм, лн = 3,05 Вт /(м·К), получаем:

Уr= 0,002 /16,4 + 0,0005 / 3,05 = 2,86·10-4 м2·К/Вт.

С достаточной степенью точности для расчета можно принять температуру пленки конденсата в греющих камерах выпарных аппаратов равными температурам конденсации греющего пара.

Тогда в соответствии с рисунком 8.

Рисунок 8 -Значение расчетного коэффициента А1 формулы для конденсирующего водяного пара в зависимости от температуры пленки конденсатора

А1 = 322·103 при tк1 = 150,588 єС

А2 = 322·103 при tк2 = 146,754 єС

А3 = 322·103 при tк3 = 129,69єС

Коэффициент теплоотдачи at от конденсирующегося водяного пара к стенкам вертикальных труб в греющих камерах выпарных аппаратов определяется по уравнению, а коэффициент теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору а2 - по уравнению. Необходимые для определения а2 физико-химические свойства растворов Na2CO3 и водяного пара при температуре кипения приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Физико-химические свойства растворов Na2CO3 и водяного пара при температуре кипения

Параметр

Корпус

1

2

3

Температура t, °С

150,588

129,69

90,038

Концентрация х, %

12,94

19,13

37,83

Теплопроводность раствора л, Вт/(м-К)

0,14384

0,14384

0.14384

Плотность раствора р, кг/м

1138,48

1219,25

1551,836

Вязкость раствора

0,598 · 103

0,598 ·103

0,598 · 103

Поверхностное натяжение у,кг/м3

69·103

77,8·103

128·103

Теплоемкость раствора с, Дж/(кг*К)

4029,3

4029,3

4029,3

Теплота парообразования r, Дж/кг

2123,25·103

2118,18·103

2179,93 · 103

Плотность пара рп, кг/м

0,422132

4,2462

0,34

Плотность пара при р=105 Па

0,14384

0,14384

0,14384

Определим коэффициент В по корпусам:

(15)

В1= 780 · 0,143841,3 · 1138,480,5 · 0,4221320,06 /(69 · 10-3)0,5 (2123,25 · 103)0,6

· 0,143840,66 · 4029.30,3 (0,598 · 10-3)0,3 = 2,6

В2= 780·0,143841,3 · 1219,250,5 · 4,24620,06/ 0,07780,5 (2118,18 · 103)0,6

· 0.14384 0,66 · 4029,30,3 · (0,598 · 10-3)0,3 = 4,84

В3= 780 · 0,143841,3 · 1551,8360,5 ·0,340,06/ 1250,5 (2179,93· 103)0,6

· 0.14384 0,66 ·4029,3,3 · (0,598 · 10-3)0,3 = 6,26

Коэффициент теплоотдачи б1 при высоте труб l = 5 равен:

б1 = А / (q ·5)0,333 = 0,62 А / q0,333 (16)

Расчет коэффициентов теплопередачи приведен в таблице 9.

Таблица 9 - Расчет коэффициентов теплопередачи

Величины

1 Корпус

2 Корпус

3 Корпус

А1=322·103

В1=2,60

А2=322·103

В2=4,84

А1=322·

103

В3=6,36

q

6000

12000

9000

12000

5000

9000

q-0,333

5,52

4,38

4,82

4,38

5,86

4,82

б1=0,62 Аq-0,333

1102012

874423,2

962264,8

874423,2

1169890,4

962264,8

q0,6

184,8

280,2

235,8

280,2

165,72

235,8

б2=Bq 0,6

480,48

728,52

1141,27

1356,16

1054

1499,6

K= 1/(1/ б1+2,86·10-4+1/ б2)

480,34

728,31

1140,94

1355,77

1053,69

1499,6

Дt= q / К

12,5

16,4

7,8

8,85

4,74

6

Так как в выпарных аппаратах удельные тепловые нагрузки заранее неизвестны, то их рассчитывают методом последовательных приближений: задаемся различными значениями q, проводим расчет.

Удельные тепловые нагрузки соответственно равны

q1= 3000 Вт/м2;

q2= 4000 Вт/м2;

q3= 7950 Вт/м2.

Коэффициенты теплопередачи по корпусам равны

К1= 10 200/ 4,27=2388 Вт/( м2·К)

К2= 11440/ 6,57 =1741 Вт/( м2·К)

К3=7950 / 5,78 = 1375 Вт/( м2·К)

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

Дtпол1 = (166,2 ·4098·103)/2388/(4098·103)/2388 + (4137,6·103)/1741 + (4867,5·103)/1375 = 3,88 єС.

Дtпол2 = (166,2 · 4137,6·103)/1741/ (4098·103)/2388 + (4137,6·103)/1741 + (4867,5·103)/1375 = 7,18°С

Дtпол3 = (166,2 · 4867,5·103)/1375/(4098·103)/2388 +(4137,6·103)/1741 + (4867,5·103)/1375 = 10,7 єС.

Проверка суммарной полезной разности температур.

Площади поверхностей теплопередачи выпарных аппаратов:

По ГОСТ11987-81принимаем выпарной аппарат со следующей характеристикой:

- площадь поверхности теплообмена Fн=400 м2;

- диаметр труб длина труб d=38х2 мм;

- длина труб l = 4000 мм;

- диаметр греющей камеры D = 1800 мм (не менее);

- диаметр сепаратора D = 3800 мм (не более);

- диаметр циркуляционной трубы Dг = 1800 м (не более);

- высота аппарата Н = 12500 мм (не более);

- масса аппарата 21000 кг (не более).

При конструктивном расчете выпарного аппарата размеры его частей должны соответствовать вышеизложенным требованиям.

Площадь поверхности теплообмена принятого выпарного аппарата Fн=400 м2, что значительно больше ориентировочно выбранной поверхности F = 390 м2. Однако необходимости вносить коррективы в расчет нет, так как конструктивные размеры (диаметр и высота труб) остались прежними.

Уточним температуру кипения растворов, вторичных паров и их давления по корпусам в таблице 10.

Таблица 10 - Температура кипения растворов, вторичных паров и их давления по корпусам

Корпус

Температура єС

Кипения

Вторичного кипения

1

161,9125 - 42,7 = 225,5

225,5 - 56-3,9 = 165,6

2

146,754 - 65,7 = 184,3

184,3-76,4-4,7 = 103,2

3

123,59 - 57,8 = 175,8

175,8- 69,5-10,4 = 95,9

Рассчитанным температурам вторичных паров соответствуют давления (из МПА) 7192, 4055, 0862, соответственно в 1-м, во 2-м и в 3- м корпусах.

Из расчета следует, что полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в первом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, различаются во 2 и в 3 корпусах, а в первом корпусе практически не изменяются. Поэтому при уточненном расчете площади поверхности теплопередачи параметры растворов и паров по корпусам, тепловые нагрузки, коэффициенты теплопередачи и полезные разности температур изменяются, в основном для 2 -го и 3 - го корпусов, а для 1 - го корпуса эти показатели практически не изменяются, также практически не изменится площадь поверхности теплопередачи в 1- м, а значит и в других корпусах. Поэтому дальнейшие расчеты выполнять не будем.

Заключение

В данной курсовой работе представлен расчет процесса выпаривания трех корпусной установки раствора К2CO3.

Исходя из теории и заданных параметров (начальная массовая концентрация, конечная и т.д.), в данной работе была подобрана трехкорпусная вакуум-выпарная установка с принудительной циркуляцией и соосной греющей камерой, так как она более эффективная и экономически выгодная. Благодаря вакууму снижается температура кипения раствора и повышается полезная разность температур. Использование трех корпусов для выпаривания уменьшает расход свежего пара, а вторичный пар первого корпуса используется для нагрева последующего выпарного аппарата, что существенно приводит к экономии энергии.

Для отвода конденсата и предотвращения проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками. Расчет и подбор стандартного поплавкового конденсатоотводчика по ГОСТ 15112 - 69 заключается в определении диаметра условного прохода по максимальному коэффициенту пропускной способности k и в выборе по найденной величине Dу конструктивных размеров аппарата [3].

Значение максимального коэффициента пропускной способности определяется в зависимости от расхода конденсата в (т/ч) и перепада давлений (кгс/см2) между давлением до конденсатоотводчика и после него.

Расчет выполняется с учетом следующих допущений:

- температура конденсата, уходящего из корпуса, равна температуре греющего пара;

- вторичный пар получается сухой и насыщенный; давление вторичного пара при переходе из корпуса в корпус не изменяется, т.е. пара не уменьшается;

- отсутствует вскипание раствора при переходе его из аппарата в аппарат; теплота дегидратации столь мала, что ею можно пренебречь;

- теплота конденсата предыдущей ступени не используется в последующих аппаратах выпарной установки;

- концентрацию кипящего раствора определяют при конечной концентрации. Конечной задачей теплового расчета является распределение полезной разности температур по корпусам.

Список использованной литературы

1 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. М.: 1991. - 350 с.

2 Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова.- 10-е изд., перераб. и доп.- Л.:Химия, 1987.

3 Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен Н. Г., Общая химическая технология, изд. 2-е, перераб. и доп., М.: «Высшая школа», 1990. - 522 с.

4 Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии.В 2-х кн.-М.:Химия, 1981. -285 с.

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

6 Калишук Д.Г., Протасов С.К., Марков В.А. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине для студ. очного и заочного обучения. - Мн.:Ротапринт БГТУ, 1992.

7 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.-М.:Химия, 1973. -255 с.

8 Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского.-М.:Химия, 1991. -366 с.

9 Плановский А.Н., Николаев П.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: химия, 1987. - 496 с.

10 Скобло А.И. и др. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. ? М.: ООО «Недра-Бизнес-центр», 2000. - 677 с.

11 Тимонин А.С. основы конструирования и расчета химико технологического и природоохранного оборудования. Справочник. - Калуга: Изд. Н. Бочкаревой, 2002. Т.1, 852 с., т.2, 1028 с., т.3, 968 с.

12 Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.? М.: Машиностроение, 1970. - 752 с.

13 Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи / под ред. М.Ф. Михалева.? Л.: Машиностроение, 1984. - 301 с.

14 Матвеев В.В., Крупин Н.Ф. Примеры расчета такелажной оснастки.? Л.: Стройиздат, 1987. - 320 с.

Приложение

(Справочное)

Физические свойства водного раствора Na2CO3

1. Плотность , кг/м3:

где - плотность воды кг/м3; a0=0.422132, а1= 4.2462·10-4, а2= -3/8714·10-6

.

2. Динамический коэффициент вязкости м, Па·с:

где - вязкость воды Па·с; d0=3.1088, d1= -1.3483·10-2, d2= -2.91419·10-6.

.

3. Удельная теплоемкость Cp, Дж/(кг·К):

где - вязкость воды Дж/(кг·К); B1= -4187.41, B2=4760.1, B3=6.66, B4= -8.25·10-3.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Понятие выпаривания и многокорпусных выпарных установок, области их преимущественного применения. Преимущества и недостатки выпаривания под вакуумом. Выбор конструкционного материала аппарата, технологические и механические расчеты основных параметров.

    курсовая работа [369,8 K], добавлен 19.12.2010

  • Теоретические основы процесса выпаривания, устройство выпарных аппаратов. Области применения и выбор выпарных аппаратов. Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса выпаривания. Расчет выпарной установки с естественной циркуляцией.

    курсовая работа [849,1 K], добавлен 20.11.2009

  • Сущность и основные способы выпаривания, их преимущества и недостатки. Описание принципиальной и технологической схемы прямоточной трехкорпусной выпарной установки. Технологический расчёт выпарных аппаратов и выбор вспомогательного оборудования.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 22.10.2009

  • Основные способы выпаривания. Назначение и классификация выпарных аппаратов. Технологическая схема выпарного аппарата. Расчет сепарационного пространства, толщины тепловой изоляции, барометрического конденсатора. Подбор опор аппарата, вакуум-насоса.

    курсовая работа [871,3 K], добавлен 14.06.2015

  • Основы теории и сущность процессов выпаривания. Особенности процессов многократного выпаривания и применение термокомпрессоров в выпарных установках. Технологическая схема производства сгущенного молока. Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки.

    курсовая работа [130,9 K], добавлен 24.12.2009

  • Исследование областей применения выпарных аппаратов. Выбор конструкционного материала установки. Определение температуры кипения раствора по корпусам, гидравлической депрессии и потерь напора. Расчет процесса выпаривания раствора дрожжевой суспензии.

    курсовая работа [545,8 K], добавлен 14.11.2016

  • Проект вакуум-установки для выпаривания раствора NaNO3. Тепловой расчет выпарного аппарата с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. Выбор подогревателя исходного раствора, холодильника, барометрического конденсатора.

    курсовая работа [375,9 K], добавлен 25.12.2013

  • Исследование процесса выпаривания дрожжевой суспензии. Расчет двухкорпусной прямоточной вакуум-выпарной установки с вынесенной зоной нагрева и испарения и принудительной циркуляцией раствора в выпарных аппаратах для концентрирования дрожжевой суспензии.

    курсовая работа [183,9 K], добавлен 19.06.2010

  • Технологическая схема выпарной установки. Выбор выпарных аппаратов и определение поверхности их теплопередачи. Расчёт концентраций выпариваемого раствора. Определение температур кипения и тепловых нагрузок. Распределение полезной разности температур.

    курсовая работа [523,2 K], добавлен 27.12.2010

  • Процесс выпаривания водных растворов. Многокорпусные выпарные установки. Расчет схемы трехкорпусной выпарной установки. Вспомогательные установки выпарного аппарата. Концентрации растворов, удельные показатели использования вторичных энергоресурсов.

    дипломная работа [1,2 M], добавлен 01.08.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.