Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Курсовая работа

По курсу “Тепломассообменное оборудования предприятий (ТМООП)”.

Тема: “Проектирование многоступенчатой выпарной установки”.

Содержание

Введение

1. Классификация и выбор МВУ

1.1 Выбор числа ступеней выпаривания

2. Тепловой расчет МВУ

2.1 Распределение выпариваемой воды по ступеням МВУ

2.2 Концентрация раствора и давление пара по ступеням МВУ

2.3 Определение полезного перепада температур по ступеням МВУ

2.4 Предварительное распределение полезной разности температур по ступеням МВУ

2.5 Определение коэффицента теплопередачи в выпарных аппаратах МВУ

2.6 Определение расхода пара на первую ступень МВУ

2.7 Уточнение величины полезной рзности температур по ступеням МВУ

2.8 Поверхность теплообмена выпарных аппаратов

Заключение

Библиографический список

Введение

Выпарная установка предназначена для осуществления термического процесса кипения раствора с выделением практически чистого пара растворителя, в результате которого в растворе происходит повышение концентрации растворенного вещества.

Для выполнения проекта выпарной установки необходимо иметь следующие исходные данные:

I. Теплофизические свойства выпариваемого раствора во всем диапазоне изменения концентрации и температуры.

2. Расход начального (слабого) раствора или сгущенного (крепкого) раствора .

3. Начальную и конечную концентрацию раствора и .

4. Температуру раствора, поступающего в I степень МВУ, .

Кроме того, могут быть заданы или выбраны следующие дополнительные параметры:

1. Давление и температура греющего пара, поступающего на МВУ, и .

2. Давление в конденсаторе или последней ступени МВУ, .

3. Тип установки.

4. Число ступеней выпаривания МВУ, .

5. Тип выпарных аппаратов.

Основная цель проектирования МВУ - получение продукта высокого качества при минимальных затратах. Достижение этой цели требует анализа и учета большого числа факторов. К важнейшим факторам процесса выпаривания относятся:

1) начальное давление греющего пара (учитывается его стоимость);

2) конечное давление (в зависимости от температуры охлаждающей воды, ее стоимости, режима теплопередачи и качества конечного раствора);

3) число ступеней выпаривания (стоимость пара, воды и электроэнергии для перекачивающих насосов);

4) распределение поверхности теплообмена между корпусами (стоимость МВУ);

5) тип выпарного аппарата (стоимость и продолжительность процесса выпаривания);

6) конструкционные материалы (их влияние на качество сгущенного раствора, продолжительность службы трубок и аппарата, а также его стоимость);

7) коррозия, эрозия и расход электроэнергии (учитывается скорость жидкости в кипятильных трубках);

8) продолжительность ремонтного периода;

9) эксплуатационные расходы;

10) способы подачи слабого раствора и использование систем для рекуперации тепла;

11) стоимость рекуперационных теплообменников;

12) возможность отбора пара из промежуточных ступеней для использования на промышленном предприятии.

Наиболее часто на промышленных предприятиях встречаются аппараты с естественной циркуляцией. К ним относятся аппараты системы Роберта с центральной внутренней циркуляционной трубой и аппараты с внешними циркуляционными трубами, у которых полностью устранен раствора в опускных каналах.

Для того чтобы снизить потери на трение в циркуляционной трубе, площадь сечения циркуляционной трубы должна быть такой же, как и суммарная площадь кипятильных трубок.

Выпарные аппараты с подвесной греющей камерой применяются для выпаривания кристаллизующихся, агрессивных и умеренно вязких растворов. В таких аппаратах вследствие большого течения кольцевого канала между обечайкой и внутренней паровой камерой улучшена циркуляция раствора, а свободная подвеска греющей камеры исключает нарушение герметичности вальцовочных соединений кипятильных труб.

Преимущества аппаратов с естественной циркуляцией:

Высокий коэффициент теплопередачи при большой разности температур.

Простота механической очистки от накипи.

Относительно невысокая стоимость.

Недостатки аппаратов с естественной циркуляцией:

1. Низкий коэффициент теплопередачи при малой разности температур и низкой температуре кипения.

2. Плохая теплопередача при выпаривании вязких жидкостей.

3. Большие производственные площадь и масса.

4. Относительно большое время пребывания продукта в аппарате.

Области применения аппаратов с естественной циркуляцией:

Выпаривание чистых растворов.

Выпаривание малоагрессивных жидкостей (корпус из химически стойких материалов имеет очень высокую стоимость).

Выпаривание растворов, образующих мягкую накипь, допускающую механическую очистку поверхности теплообмена.

1. Классификация и выбор МВУ

1.1 Выбор числа ступеней выпаривания

С учетом потерь тепла расход греющего пара в установке с n ступенями приближенно определяется по формуле:

(1)

где количество выпариваемого растворителя во всех ступенях установки.

Из (1) ясно, что увеличение числа ступеней в обратной пропорциональности снижает расход пара на МВУ, но также в прямой пропорции увеличивает общую поверхность теплообмена выпарных аппаратов, т. е. увеличивает капитальные затраты.

Разработана методика технико-экономического анализа и определения оптимального числа ступеней МВУ по эксплуатационным затратам в зависимости от стоимости обслуживания установки, а также затрат на греющий пар, воду и электроэнергию [1]. Оптимальное число ступеней по названной методике ориентировочно можно определять по формуле:

(2)

где - коэффициент теплоотдачи в последней ступени выпарной установки, . На рис. 3 показаны обычные пределы изменения коэффициента теплопередачи для вертикальных выпарных аппаратов с естественной и принудительной циркуляцией выпариваемого раствора, значениями которых можно пользоваться для предварительных расчетов [2]. Высокие коэффициенты теплопередачи имеют место при выпаривании разбавленных растворов, а низкие - при выпаривании вязких высококонцентрационных растворов. Штриховая линия на рис.3 приближенно представляет нижний предел для растворов с вязкостью

- поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплоотдачи от ступени к ступени МВУ; можно принимать ;

- температура насыщения греющего пара на входе в установку:

=158,8, С;

- энтальпия вторичного пара в последней ступени установки, Дж/кг. Определяется из [3] по давлению вторичного пара в последней ступени :

=2683, кДж/кг;

- энтальпия кипящего раствора в последней ступени установки, Дж/кг.

Ориентировочная величина определяется следующим образом:

а) из [3] по давлению определяется температура вторичного пара последней ступени установки :

t=75,89 ,С;

б) из [4,7,13] по конечной концентрации раствора определяется нормальная физико-химическая температурная депрессия для данного раствора :

;

С;

в) по формуле И.А. Тищенко определяется действительная физико-химическая температурная депрессия для раствора в последней ступени МВУ :

; (3)

где - скрытая теплота парообразования вторичного пара последней ступени, кДж/кг. Определяется из [3] по давлению :

=6,217·10^-3С;

г) гидростатическая температурная депрессия в последней ступени может быть для предварительных расчетов выбрана в пределах 2-5 С, причем большая цифра относится к высококонцентрированным растворам:

=3С;

д) температура кипения раствора в аппарате последней ступени определяется по соотношению, :

(4)

, С;

е) по конечной концентрации раствора и температуре из [4,27,30] определяется средняя теплоемкость раствора :

=3,401, кДж/(кг К);

ж) определяется энтальпия кипящего раствора по формуле:

(5)

, кДж/кг;

- температура раствора, подаваемого в первую ступень установки:

=-8=150,84 , С;

- расход начального раствора на установку:

=14, кг/c;

- теплоемкость начального раствора Дж/(кгК).

Определяется из [4,27,30] по концентрации и температуре раствора, подаваемого в МВУ:

=3,878 , кДж/(кгК);

- теплоемкость охлаждающей воды для конденсатора МВУ, Дж/(кгК). Определяется из [4] по средней температуре воды в конденсаторе:

=4,174 , кДж/(кгК);

- начальная температура охлаждающей воды:

=20 , С;

- конечная температура охлаждающей воды, С. Разница между температурами конденсации вторичного пара и уходящей воды составляет в противоточных конденсаторах С, а в прямоточных С.

=75,89-5=70,89 , С;

А - стоимость обслуживания, ремонта и автоматизации 1 м² поверхности теплообмена МВУ:

А=420, руб./(м²ч);

В - стоимость греющего пара:

В=19, руб./кг;

С - стоимость охлаждающей воды:

С=0,7, руб./кг.

В первую очередь формула (2) применима для МВУ с аппаратами принудительной циркуляции. В аппаратах с естественной циркуляцией раствора гидродинамика и теплообмен целиком определяются величиной полезной разности температур, а с увеличением числа ступеней МВУ эта величина на каждую ступень уменьшается.

При выпаривания растворов с вязкостью до 0,002 Пас в аппаратах с естественной циркуляцией на ступень должен составлять 10-15 С, при увеличении вязкости до 0,005 Пас увеличивается на 7-9 С. В аппаратах с принудительной циркуляцией минимальная может быть равной 6-8С на ступень.

=4 шт;

2. Тепловой расчет МВУ

2.1 Распределение выпариваемой воды по ступеням МВУ

Количество воды, которое необходимо удалить из раствора на МВУ - производительность МВУ по вторичным парам - определяется из соотношения:

(6)

W=14· (1-)=9,739 ,кг/с ;

Согласно [5] предварительное распределение количества выпариваемой воды по ступеням осуществляется с помощью коэффициентов с помощью коэффициентов испарения и самоиспарения , определяемых по данным, всегда имеющимся в начале расчета.

Для любой ступени МВУ:

, (7)

где - теплота парообразования греющего пара, кДж/кг, определяемая по давлению из [3]:

=2086 , кДж/кг;

- теплота парообразования вторичного пара последней ступени, кДж/кг; определяется по давлению из [3]:

=2318 , кДж/кг;

n - число ступеней в МВУ;

n=4 шт;

=0,974;

Коэффициент самоиспарения для любой ступени МВУ:

(8)

где ;

здесь - температура вторичного пара в последней ступени установки, С.

Определяется по давлению из [3]:

=62,183,С;

- средняя теплоемкость раствора в установке;

здесь и - начальная и конечная теплоемкости выпариваемого раствора, определяемые по его концентрации и температуре на входе и выходе из МВУ :

6,594 , кДж/(кг К);

- средняя теплота парообразования в установке:

2202 , кДж/кг.

Вычислив коэффициенты и , необходимо составить систему уравнений материального баланса МВУ, в которой искомой величиной является количество воды , кг/ч, выпариваемое в 1 ступени:

, (9)

где - количество вторичного пара, отбираемого из МВУ на производственные нужды, кг/ч. Если в какой-то -й ступени пароотбора нет, то соответственно .В результате решения уравнения (13), получаем колличество выпаренной воды в ступенях:

Все уравнения системы (13) в правой части преобразуется в функции количества воды , т.е. и т.д. Затем по уравнению

, (10)

получают количество воды, выпариваемое в 1 ступени, и далее по уравнениям (13) - количество воды, выпариваемое во всех остальных ступенях:

0,991+2,109+3,012+3,627=9,739.

При расчете МВУ под давлением распределение количества выпариваемой воды нужно производить так, чтобы .

2.2 Концентрация раствора и давление пара по ступеням МВУ

Количество раствора, переходящее из одной ступени МВУ в другую, можно определить по соотношениям:

, (11)

Концентрация выпариваемого раствора на выходе из ступени,b, % мас., определяется по уравнениям:

; ;

,

и для любой ступени формула принимает следующий вид:

; (12)

Общий перепад давления в МВУ определяется как:

(13)

, бар.

При предварительном расчете предполагается, что перепады давления пара по ступени будут одинаковыми, т.е.

(14)

бар.

Тогда давление вторичного пара в паровом пространстве аппаратов составит:

I-я ступень: ;

II-я ступень: ;

III-я ступень: ; и так далее.

2.3 Определение полезного перепада температур на МВУ

а) Физико-химическая температурная депрессия для каждой ступени выпаривания определяется по уравнению:

(15)

где - значение температурной депрессии при атмосферном давлении, С. Табличные значения в зависимости от концентрации заданного раствора можно получить из справочников [I,4,6,7,II,I3,I4,27,30]. При определении в выпарных аппаратах принимают концентрацию раствора на выходе из аппарата. Только для прямоточных аппаратов расчет ведут по средней концентрации раствора в аппарате:

;

- поправка на давление. На промпредприятиях выпаривание часто ведут под различным давлением, отличным от атмосферного как в большую, так и в меньшую стороны. В таких случаях поправку на давление вычисляют по формуле И.А. Тищенко

(16)

- температура кипения чистого растворителя (воды), К, при давлении вторичного пара в аппарате; определяется по давлению из [3]:

- теплота парообразования воды при давлении вторичного пара в аппарате; определяется по давлению из [3]:

б) Гидростатическая температурная депрессия учитывается в выпарных аппаратах с вертикальным контуром естественной циркуляции. Определение ее происходит следующим образом.

За счет слоя кипящей жидкости в кипятильной трубке получаем дополнительное гидростатическое давление

(17)

где - величина “кажущегося” уровня в аппарате, м.

рекомендуется принимать в зависимости от свойств раствора от 0,3 до 0,8 высоты кипятильных трубок. Меньшие значения принимаются для первых ступеней, большие - для последних;

- плотность раствора в аппарате, кг/м³. Определяется по концентрации и ориентировочной температуре кипения раствора в данной ступени из [4]:

- ускорение свободного падения, =9,81 м/с².

Гидростатический эффект вызывает повышение температуры кипения раствора, что является причиной возникновения гидростатической температурной депрессии , С.

Определяется действительное давление на середине высоты слоя кипящего раствора в трубках как :

(18)

где - давление вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата, Па:

По вычисленному действительному давлению из [3,4] находят температуру насыщения . Соответственно по давлению из [3,4] также определяем температуру насыщения при отсутствии гидростатического эффекта :

Теперь гидростатическую температурную депрессию можно вычислить по формуле:

; (19)

Гидростатическая температурная депрессия увеличивается с понижением давления и для аппаратов с естественной циркуляцией находится в пределах от 0,5 в первых ступенях до 35 С при работе под вакуумом.

в) Гидродинамическая температурная депрессия возникает вследствие гидродинамических сопротивлений в паропроводах, соединяющих соседние ступени МВУ. Эти сопротивления приводят к незначительному снижению давления насыщенного пара и связанному с этим снижению температуры насыщения, которое в каждом интервале между ступенями на практике составляет 0,51,5 С и в среднем может быть принято . многоступенчатый выпарная установка пар

Общий температурный перепад на МВУ:

; (20)

где - температура конденсации вторичного пара последней ступени, С.

Разность между температурой конденсации греющего пара и средней температурой кипения раствора в выпарном аппарате называют полезной разностью температур. Полезная разность температур на всю МВУ будет меньше общего (располагаемого) перепада на величину суммы всех температурных потерь, т.е.

(21)

где - сумма физико-химических температурных депрессий во всех ступенях установки, С;

- сумма гидростатических температурных депрессий во всех ступенях установки, С;

- сумма гидродинамических температурных депрессий во всех интервалах между ступенями установки, С.

2.4 Предварительное распределение полезной разности температур по ступеням МВУ

По опытным данным предварительно задаются соотношением коэффициентов теплопередачи в ступенях МВУ. Наиболее часто рекомендуются следующие соотношения для установок с аппаратами естественной циркуляции раствора:

I. Прямоточная МВУ.

II ступени К₁:К₂=а₁:а₂=1:0,6;

III ступени К₁:К₂:К₃=а₁:а₂:а₃=1:0,7: 0,4;

IV ступени К₁:К₂:К₃: К₄ =а₁:а₂:а₃:а₄=1: 0,8: 0,55: 0,3.

Однако указанные рекомендации являются ориентировочными и не всегда оправдываются на практике.

Далее проводим предварительное распределение полезной разности температур, считая, что тепловые нагрузки ступеней МВУ пропорциональны количеству выпариваемой в них воды, т.е. .

Распределение полезной разности температур может быть выполнено следующим образом:

а) с целью получения минимальной суммарной поверхности теплообмена выпарных аппаратов МВУ, т.е. чтобы

В этом случае

; (22)

где

В обоих случаях необходимо сделать проверку полученных результатов по формуле:

;

10,658+17,384+25,055+37,228=90,325, С;

По полученным выше данным составляют табл.I температурного режима первого варианта работы МВУ и уточняют величины принятых ранее давлений вторичного пара.

1.Температура кипения раствора в I ступени:

158,8-10,658=148,142,С.

2. Температура вторичного пара I ступени:

;

146,079-7,868·10^-4-0,664=147,477,С.

3. По найденной температуре из [3] определяется давление вторичного пара в I ступени :

4,448 бар.

4.Температура греющего пара II ступени:

t=147,477-1=146,477, С.

5. По найденной температуре из [3] определяется давление греющего пара II ступени :

=4,143, бар.

6.Температура кипения раствора во II ступени :

t=144,879-14,93=129,093, С.

7.Температура вторичного пара второй ступени :

=129,093-6,085·10^-4-2,8=131,892, С.

8. По найденной температуре из [3] определяется давление вторичного пара во II ступени :

=2,859, бар.

9.Температура греющего пара III ступени:

t;

t131,892-1=130,892, C;

10.Давление греющего пара III ступени определяется из [3] по найденной температуре t:

P=2,587,бар.

11.Температура кипения раствора в III ступени:

t;

t130,892-25,055=105,837;

12.Температура вторичного пара III ступени:

;

=105,837-4,016·10^-4-2,8=113,149,

13.По найденной температуре из [3] определяется давление вторичного пара в III ступени P:

P=1,592, бар;

14. Температура греющего пара IIII ступени:

t;

t113,149-1=112,149, C;

15.Давление греющего пара IIII ступени определяется из [3] по найденной температуре t:

P=1,344,бар.

16.Температура кипения раствора в IIII ступени:

t; t112,149-37,228=74,921;

17.Температура вторичного пара IIII ступени:

;

=74,921-7,221·10^-4-0,03=74,89,

18.По найденной температуре из [3] определяется давление вторичного пара в IIII ступени P:

P=0,3842, бар

В конце расчета определятся температура конденсации вторичного пара в конденсаторе

,

где должно соответствовать заданному давлению в конденсаторе . При значительном расхождении (свыше 5%) найденных давлений вторичного пара с ранее принятыми следует уточнить величину физико-химической температурной депрессии во всех ступенях установки.

=74,89-1=73,89,

19. Предварительно найденные и уточненные величины давлений и температур вторичного пара по всем ступеням МВУ не отличаются на величину свыше 5%.

На базе заданных величин и вычисленных температур составляется таблица по следующей форме:

Таблица I

Наименование параметров	Обозначение и размерность	Номера ступеней
		1	2	3	4
Температура греющего пара	t, C	158,8	146,5	130,9	112,15
Температура кипения раствора	tВ, C	148,15	129,09	105,84	74,92
Температурные депрессии	1, C	7,868	6,085	4,016	7,221
	2, C	0,644	0,644	0,644	0,644
	3, C	1	1	1	1
Температура вторичного пара	, C	147.477	131.892	113.149	74.89
Температура конденсата греющего пара	tконд, C	156.8	144.477	128.892	110.149
Энтальпия греющего пара	i', кДж/кг	2756	2740	2718	2688
Энтальпия вторичного пара	i”, кДж/кг	2741	2719	2690	2644

Ориентировочно температура конденсата определяется по соотношению :

; (23)

2.5 Определение коэффициентов теплопередачи в выпарных аппаратах МВУ

Для расчета выпарных аппаратов с цилиндрическими кипятильными трубками, толщина стенок которых не более 2,53 мм, можно пользоваться формулой :

; (24)

где - коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к наружной стенке трубы, Вт/(м²К);

- коэффициент теплоотдачи от стенки к выпариваемому раствору, Вт/(м²К);

- толщина стенки кипятильной трубы, м.

- коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(мК);

- термическое сопротивление загрязнений с обеих сторон кипятильной трубы, (м²К)/Вт. Значение выбирают по экспериментальным данным [8,2,20], но если известны толщины отложений на внутренней и наружной поверхностях и их коэффициенты теплопроводности и , то вычисляют по формуле :

(25)

- термическое сопротивление оксидной пленки (учитывается только для труб из углеродистой стали).

Часто расчетный коэффициент теплопередачи вычисляют по формуле :

; (26)

где - коэффициент теплопередачи, найденный по формуле (24) в случае, когда ;

- поправочный коэффициент на загрязнение, величина которого находится в пределах от 0,7 до 0,9 в зависимости от количества отложений и их теплопроводности.

При кипении раствора, движущегося внутри трубы, имеют место две зоны теплообмена и гидродинамики.

а) Зона от начала обогрева до сечения, в котором стенка трубы достигает температуры насыщения, соответствующей давлению в этом сечении, т.е. зона, в которой происходит только повышение температуры раствора при отсутствии процесса кипения. Это так называемая конвективная зона.

б) Зона развитого кипения.

Методика расчета теплопередачи при пузырьковом кипении в трубе [9] рекомендует следующий его порядок:

I. Выбирают отношение площади сечения обратной циркуляционной трубы выпарного аппарата , к площади поперечного сечения трубного пучка . Рекомендуется

2. Определяют размер, пропорциональный отрывному диаметру парового пузыря :

; (27)

где - коэффициент поверхностного натяжения для раствора, H/м. Определяется по концентрации и температуре выпариваемого раствора из [4]:

- плотность раствора, кг/м³; определяется по концентрации и температуре раствора из [4] :

- плотность вторичного пара, определяется по давлению вторичного пара из [3] :

- ускорение свободного падения,

3. Определяют число Прандтля для раствора по формуле:

(28)

где - изобарная теплоемкость раствора :

- динамический коэффициент вязкости раствора :

- теплопроводность раствора :

Указанные теплофизические свойства и число Прандтля определяют по концентрации и температуре раствора в данной ступени из [4] :

4. Кратностью циркуляции называют отношение количества раствора, кг/ч, циркулирующего в контуре выпарного аппарата, к паропроизводительности аппарата . Определяется по формуле:

(29)

где С - коэффициент, значение которого выбирают в зависимости от типа выпарного аппарата по табл. 2 .

Таблица 2 - Характеристики циркуляционного контура выпарного аппарата

Обозначение аппарата ГОСТ 1987-73	С в формуле (34)	Htp, м	Ltp, м	Dtp, м	М
Тип II Исполнение II:	0,068	1.5 Dк	1.3Dк +0.6		0,72

- длина и внутренний диаметр кипятильной трубы, м. Выбирается для заданного типа аппарата по [10];

- динамический коэффициент вязкости вторичного пара, Пас, выбирается по параметрам пара из [3] :

- теплота парообразования вторичного пара :

- полезная разность температур в данном аппарате, С или К. Пределы применения формулы (34):

n=;

n=

n=

n=

5. Определяют массовое паросодержание двухфазного потока на выходе из кипятильных труб :

(30)

6. Вычисляют количество раствора, поступающего в кипятильные трубы :

; (31)

7. Определяют площадь сечения трубного пучка аппарата

; (32)

где - число труб в греющей камере, шт; ориентировочно выбирается по [10]; z=1580.

8. Находят массовую скорость двухфазового потока по формуле :

; (33)

9. Определяют число Рейнольдса потока жидкости в конвективной зоне кипятильной трубы:

(34)

Если , то переходят к другому варианту расчета, уменьшая число труб в греющей камере до тех пор, пока число не станет больше или равным 2200. Если , то коэффициент принимают :

10. Принимаем поправку на компановку труб :

11. Число Нуссельта вычисляется по формуле :

; (35)

;

Далее определяется коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне конвективного теплообмена:

(36)

12. Находят температуру стенки трубы со стороны конденсирующего пара:

(37)

где - температура греющего пара, ?С;

_В - температура кипения раствора, ?С;

13. Определяют температуру пленки конденсата:

(38)

14. По табл. 4 в зависимости от выбирают коэффициент А, т.е. :

Таблица 4 - Коэффициент А для воды в зависимости от

0C	0	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
А	1270	1470	1700	1900	2070	2190	2300	2370	2410	2430	2430

15. Температурный напор насыщенный пар-стенка при конденсации вычисляют по соотношению :

(39)

16. Коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара рекомендуется вычислять по формуле :

(40)

где - теплота парообразования для греющего пара, кДж/кг; выбирается по параметрам пара из таблиц [3] :

17. Усредненную температуру стенки трубы в конвективной зоне определяют из выражения:

(41)

18. Для определения размеров конвективной зоны предварительно вычисляют следующие коэффициенты:

а) (42)

Здесь в Дж/кг.

б) (43)

м;

в) (44)

г) (45)

д) (46)

е) . (47)

19. Вычисляют параметр двухфазного потока :

; (48)

и далее определяют структуру двухфазного потока в зависимости от величины и по рис. 12 источник /1/. Если при кипении имеет место туманообразный поток в трубах, который недопустим при работе выпарного аппарата, то нужно перейти к другому варианту расчета, увеличивая число труб в греющей камере или внутренний диаметр кипятильной трубы .

I,II,III,IV,V-пузырьковый поток.

20. Объемная доля жидкости в двухфазном потоке и множитель, учитывающий потери давления в двухфазном потоке , определяют в зависимости от по графикам рис.13.

21. Определяют массовое паросодержание двухфазного потока, равное 1/3 от : и соответственно ему - параметр двухфазного потока

x=0,00699 ;x=0,01419;x=0,02051; x=0,02293

(49)

22. Объемную долю жидкости и множитель определяют в зависимости от по графикам рис.13 :

23. Определяют массовое паросодержание двухфазного потока, равное 2/3 от : , и соответственно ему - параметр двухфазного потока:

x=0,00699 ;x=0,01419;x=0,02051; x=0,02293;

(50)

24. Объемную долю жидкости и множитель определяют в зависимости от по графикам рис.13 :

25. Вычисляют количество жидкой фазы на выходе из кипятильных труб:

; (51)

26.Определяют диаметр трубопровода парорастворной смеси, так называемой трубы вскипания. В современных выпарных аппаратах кипение раствора происходит непосредственно в трубе вскипания, установленной над греющей камерой. Кипение в трубах предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания [10] :

(52)

где - площадь поперечного сечения трубопровода парорастворной смеси, м². Принимается [9] :

м;

27. Число Рейнольдса для потока в зоне течения парорастворной смеси определяют по приведенной скорости жидкой фазы:

; (53)

28. Коэффициент трения для парорастворной смеси определяют в зависимости от по графикам рис.14, т.е. .

29. Число Рейнольдса для потока в зоне кипения определяют по приведенной скорости жидкой фазы:

(54)

30. Коэффициент трения для потока в зоне кипения определяют в зависимости от по графикам рис.14, т.е. .

31. Вычисляют коэффициенты для определения размеров конвективной зоны:

а) (55)

б) ; (56)

32. Плотность двухфазного потока раствора на выходе из кипятильных труб вычисляют по формуле:

(57)

33. Высоту трубопровода парорастворной смеси (трубы вскипания) относительно верхней трубной решетки выбирают по типу аппарата из табл.2, где - диаметр кожуха греющей камеры аппарата, м, [10]:

34. Определяют статические потери давления в трубопроводе парорастворной смеси:

(58)

35. Сумму местных сопротивлений трубопровода парорастворной смеси вычисляют по формуле :

. (59)

Здесь значения выбирают из табл.2 по принятому типу аппарата :

36. Потери давления на преодоление трения и местных сопротивлений в трубопроводе парорастворной смеси вычисляют по соотношению :

(60)

где - длина трубопровода парорастворной смеси (выбирают по типу аппарата из табл.2).

37. Суммарные потери давления в трубопроводе парорастворной смеси определяют по формуле :

. (61)

38. Вычисляют коэффициент в формуле для определения размеров конвективной зоны:

; (62)

39. Вычисляют потери давления на ускорение парорастворной смеси:

(63)

40.Находят усредненную по высоте зоны кипения плотность двухфазного потока, определяемую по массовому паросодержанию 1/3 от :

. (64)

41. Вычисляют коэффициенты для формулы определения размеров конвективной зоны:

а) ; (65)

Y=,кг/м;

Y=,кг/м;

Y=,кг/м.

Y= кг/м.

б) ; (66)

I=,кг/м;

I=,кг/м;

I=,кг/м;

I=,кг/м;

в) ; (67)

г) ; (68)

а=,м;

а=,м;

а=,м.

а=,м.

д) ; (69)

в=,м;

в=,м;

в=,м.

в=,м.

42. Определяют длину конвективной зоны кипятильной трубы:

; (70)

Формулу (75) используют при расчете аппаратов, выпаривающих водные растворы в диапазоне изменения параметров:

;

43. Вычисляют длину зоны кипения:

; (71)

44. Рассчитывают скорость потока на выходе из кипятильных труб :

(72)

v=,м/с;

v=,м/с;

v=,м/с.

v=,м/с.

и скорость раствора в трубах :

; (73)

v=,м/с;

v=,м/с;

v=,м/с.

v=,м/с.

и далее среднюю логарифмическую скорость потока в трубах по формуле:

; (74)

v=,м/с;

v=,м/с;

v=,м/с .

v=,м/с .

45. Вычисляют коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне кипения:

; (75)

46. Вычисляют усредненное по длине трубы значение коэффициента теплоотдачи со стороны раствора:

(76)

47. По формулам (29) или (31) определяют коэффициент теплопередачи в выпарном аппарате с естественной циркуляцией при условии, что и

Определяем расчетный коэффициент теплопередачи :

где =0,8 :

2.6 Определение расхода пара на первую ступень МВУ

Для каждой ступени выпарной станции предварительно определяются действительные значения следующих величин:

а) коэффициента испарения , показывающего, сколько кг воды выпаривается за счет тепла конденсации 1 кг греющего пара, по формуле

, (77)

где - энтальпия греющего и вторичного пара i - й ступени, кДж/кг; принимается по табл. 1, 2.4,

- температура конденсата греющего пара i - й ступени, °С; принимается по табл. 1, 2.4.

- изобарная теплоемкость конденсата греющего пара i -й ступени, кДж/(кг·К); выбирается по из [4,12] :

- температура кипения раствора в i - й ступени, ; принимается по табл. 1, 2.4;

- изобарная теплоемкость кипящего раствора в i-й ступени, кДж/(кгК) выбирается по концентрации и раствора из [4] :

б) коэффициента самоиспарения раствора , учитывающего дополнительного количество воды, которое может быть выпарено за счет самоиспарения вследствие падения его температуры при поступлении в ступень с пониженным давлением, по формуле :

, (78)

где - температура кипения раствора в предыдущей и рассматриваемой ступенях выпарной установки, С; принимается по табл. 1, 2.4.

Коэффициент , может быть отрицательным, положительным или равным нулю;

в) коэффициента самоиспарения конденсата , если в схеме МВУ предусмотрено частичное использование тепла конденсата предыдущей ступени в последующей, осуществляемое при помощи расширительных устройств, в которых происходит самовскипание конденсата с образованием пара, по формуле :

, (79)

где и - энтальпия конденсата греющего пара в предыдущей и рассматриваемой ступенях выпарной установки; принимается по табл. 1, 2.4, а из [4] по ;

Прямоточная МВУ. Если не учитывать потери тепла оборудованием МВУ в окружающую среду, то расход греющего пара на обогрев аппаратов 1 ступени определяют по уравнению :

; (80)

Если не учитывать потери тепла в окружающую среду, то точность расчета снижается примерно на 1,31,5 %, но при этом объем расчета значительно сокращается. Определение с учетом потерь тепла в окружающую среду приведено в [13, 14].

Коэффициенты определяются по методу И.А. Тищенко в функции коэффициентов .

1. Для каждой ступени выпаривания вычисляют коэффициент по формуле

. (81)

Например:

x=;

х=;

х=.

х=.

2. Определяют коэффициент Х выпарной установки:

(82)

Х=1.075+1.158+1.261+1.169=4.663.

3. Для каждой ступени выпаривания вычисляют коэффициент по формуле:

. (83)

Например:

у=;

у=;

4. Определяют коэффициент для выпарной установки :

(84)

У=0+0.008452+0.008862+0.022=0.039

на этом этапе заканчивается вычисление коэффициентов, если отсутствуют отборы вторичного пара на технологические нужды предприятия.

11. Вычисляют расход греющего пара, :

D=16325, кг/ч.

12. Определяют количество выпарной воды по отдельным ступеням установки:

Количество выпарной воды в любой n - ступени определяют по общему уравнению:

(85)

w=,кг/ч;

w=,кг/ч;

w=,кг/ч.

w=,кг/ч

13. Определяют общее количество воды, выпаренное во всех ступенях МВУ:

(86)

=9739,кг/ч.

14. Проверяем совпадение найденного общего количества выпаренной воды во всех ступенях с заданным количеством воды, подлежащим выпариванию в проектируемой МВУ, рассчитанным по формуле (6) и убеждаемся, что погрешность не превышает точности 2,5% :

Условие соблюдается, следовательно, продолжаем расчет дальше.

2.7 Уточнение величины полезной разности температур по ступеням МВУ

Определяют тепловые нагрузки по ступеням выпаривания по соотношениям:

(87)

и так далее, с корректировкой по особенностям конденсатной схемы МВУ. Приведенные уравнения соответствуют тепловой схеме МВУ .

Здесь - теплота парообразования вторичного пара в ступенях выпаривания,

Определяется по давлению вторичного пара из [3],

- расход греющего пара на каждую ступень выпаривания МВУ, кг/с.

Определяют:

- в зависимости от типа установки;

Так как отбор пара на технологические нужды отсутствует, то :

Окончательно уточняются полезные разности температур по ступеням МВУ: в случае выбора минимальной суммарной поверхности теплообмена на выпарных аппаратов МВУ, т.е. чтобы

и так далее для всех ступеней, где

.

Проверка полученных результатов производится по соотношению :

При расхождениях полученных здесь значений по каждой ступени с ранее принятыми (2.4, формула (22)) более 2,5 необходимо, взяв за второе приближение расчетные значения произвести новый вариант расчета, предварительно задавшись новым соотношением коэффициентов теплопередачи и подготовив данные для таблицы 1, т.е. составить таблицу температурного режима второго варианта работы МВУ и уточнить величины принятых ранее давлений пара :

2.8 Поверхность теплообмена выпарных аппаратов

После проведения всех уточнений необходимо вычислить поверхность теплообмена выпарных аппаратов каждой ступени по уравнению теплопередачи:

(88)

где - тепловая нагрузка ступени выпаривания, Вт;

- коэффициент теплопередачи в аппаратах ступени, Вт/(м²К);

- полезная разность температур в аппарате данной ступени, С.

Необходимо оценить возможность возникновения первого кризиса кипения в условиях эксплуатации выпарных аппаратов МВУ. Эта оценка проводится для всех ступеней по следующей методике:

1. Определяют коэффициент теплопередачи в аппарате при длине зоны кипения, равной длине кипятильной трубы:

(89)

где - коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара, Вт/(м²К), формула (40);

- коэффициент теплоотдачи со стороны раствора в зоне кипения, Вт/(м²К), формула (75).

2. Вычисляют плотность теплового потока через стенку кипятильной трубы:

(90)

где - температура греющего пара в данном аппарате, С;

- температура кипения раствора там же, С.

q=,Вт/м;

q=,Вт/м;

q=,Вт/м.

q=,Вт/м

Вычисляют критическую плотность теплового потока для кипящего раствора по формуле:

, (91)

где - скрытая теплота парообразования вторичного пара,

- плотность вторичного пара, кг/м³;

- плотность кипящего раствора, кг/м³;

- коэффициент поверхностного натяжения для раствора, Н/м;

4. Проводят сравнение действительной плотности теплового потока с критическим значением:

т.к , то по каталогу [10] выбирается выпарной аппарат, у которого поверхность теплообмена соответствует рассчитанной по формуле (88), выбираем с поверхностью теплообмена 630 м², 122-2857-07* и количеством труб равном 1580 штук.

Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчет многоступенчатой выпарной установки. В результате этого расчета были определены следующие параметры:

1)Число ступеней выпаривания : n=3 шт.

2)Количество выпариваемой воды по ступеням МВУ:

W=11093,923 кг/ч;

W=13127,07 кг/ч;

W=17320,275 кг/ч.

3)Концентрация раствора и давление пара по ступеням МВУ:

b=8,033 % ;

b=9,783 %;

b=12,999 %;

P=2,1 бар;

P= 1,2 бар;

P= 0,3 бар.

4)Коэффиценты теплопередачи в выпарных аппаратах МВУ:

К=2984,9 Вт/мК ;

К=2634,624 Вт/мК ;

К=1997,232 Вт/мК ;

5)Поверхность теплообмена выпарных аппаратов МВУ:

Список литературы

1. Майоров В.В. многоступенчатые выпарные установки: учеб. пособие/В.В. Майоров, В.В. Портнов. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. 173 с.

2. Михеев А.Г. Выпарные установки: учеб. пособие. Москва, 2011.

Размещено на Allbest.ru