Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
zadacha.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
288.26 Кб
Скачать

Тема: выпаривание Тип выпарного аппарата выбрать самому. Выпариваемый раствор гидроксид калия KOH. Рассчитать двухкорпусную выпарную установку для упаривания водного раствора от начальной концентрации Хнач=6%, до конечной Хконеч= 30% производительностью Gнач= 14.5 т/ч. Давление пара подаваемого на обогрев 1го корпуса Р = 5.1атм. Вторичный пар из последнего корпуса направляется на конденсацию в барометрический конденсатор, где остаточное давление Рост = 123 мм.рт.ст. Раствор поступает в 1ый корпус при tкип. Полезную разность температур распределить по корпусам исходя из равных поверхностей нагрева.

Концентрация раствора: начальная – 6% масс.; конечная – 30 % масс.;

1. Технологический расчёт

1.1. Определение поверхности теплопередачи выпарный аппаратов

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

F = Q/K∆tП

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

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = GН(1-xН/xК)

GН = 14,5 т/ч ; xН = 6%; xК = 30%.

Подставив, получим:

W = 14,5(1-6/30) = 13,7 кг/с

1.1.1 Концентрация 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 = 1,0W/(1,0+1,1+1,2) = 1,0W/3,3

w2 = 1,1W/(1,0+1,1+1,2) = 1,1W/3,3

w3 = 1,2W/(1,0+1,1+1,2) = 1,2W/3,3

w1 = 1,0∙0,87/3,3 = 0,263кг/с

w2 = 1,1∙0,87/3,3 = 0,29 кг/с

w3 = 1,2∙0,87/3,3 = 0,32 кг/с

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

x1 = GH∙xH/(GH-w1) (3)

x2 = GH∙xH/(GH-w1-w2)

x3 = GH∙xH/(GH-w1-w2-w3)

Пдставив, находим:

x1 = 1,53∙0,15/(1,53-0,263) = 18%

x2 = 1,53∙0,15/(1,53-0,263-0,29) = 23,4%

x3 = 1,53∙0,15/(1,53-0,263-0,29-0,32) =35%

Концентрация раствора в последнем корпусе x3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора xk.

1.1.2. Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

∆PОБ = PГ1 – РБК = 0,66-0,0115 = 0,649 МПа (4)

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

РГ1 = 0,649 МПа

РГ2 = РГ1 - ∆РОБ/3 (5)

РГ3 = РГ2 - ∆РОБ/3

Подставив, получим:

РГ2 = 0,66 - 0,649 /3 = 0,443 МПа

РГ3 = 0,443 - 0,649 /3 = 0,227 МПа

Давление в барометрическом конденсаторе:

РБК = РГ3-∆РОБ/3

РБК = 0,227 – 0,649 /3 = 0,0115 МПа

что соответствует заданному значению РБК.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии :

Таблица 1.

P, МПа

t,°C

I,кДж/кг

i,кДж/кг

РГ1 =0,649

tГ1 = 160,4

IГ1 = 2752

i Г1 = 635,2

РГ2 = 0,443

tГ2 = 149,6

IГ2 = 2733,78

i Г2 = 578

РГ3 = 0,227

tГ3 = 122,4

IГ3 = 2706,9

i Г3 = 480,3

РБК = 0,0115

tБК = 59,57

IБК = 2606,7

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 (Δ'), гидростатической (Δ'') и гидродинамической (Δ''') депрессий (∑Δ=Δ' +Δ''+Δ''').

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Δ''''=1,0-1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ'''' = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С ) равны:

tВП1 = tГ2 + ∆1''' (6)

tВП2 = tГ3 + ∆2'''

tВП3 = tБК + ∆3'''

Подставив, получим:

tВП1 = 149,6+ 1 = 150,6°С

tВП2 = 122,4+ 1 = 123,4°С

tВП3 = 59,57+ 1 = 60,57°С

Сумма гидродинамических депрессий:

∑∆''' = ∆1''' + ∆2''' + ∆3''' (7)

∑∆''' = 3°C

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны сответственно в (Па) :

Таблица 2.

P, МПа

t,°C

r ,кДж/кг

PВП1 =0,462

tВП1 = 150,6

r ВП2= 2157,2

РВП2 = 0,244

tВП2 = 123,4

r ВП2= 2212,5

РВП3 = 0,0325

tВП3 = 60,57

r ВП3= 2332

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

Рср = Рвп + ρ∙g∙H∙(1-ε)/2 (8)

где H – высота кипятильных труб в аппарате, м; p – плотность кипящего раствора, кг/м3; ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м33.

Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000Вт/м2, аппаратов с принудительной циркуляцией q=40000-80000 Вт/м2. Примем q=40000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

Fop = Q/q = w1∙r1/q (9)

Fop = 0,87∙2157,2∙103 /40000 = 8,9 м2

где r1 = 2157,2– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

По ГОСТ 11987 – 81[3] трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 3, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 5 м при диаметре dн=38 мм и толщине стенке dст=2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет e = 0,4 – 0,6. Примем ε = 0.5. Плотность водных растворов, в том числе раствора KOH при соответствующих концентрациях и температурах в корпусах равна:

ρ1 = 1089,18 кг/м3, ρ2 = 1119,84 кг/м3, ρ3 = 1188 кг/м3.

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

РСР1 = РВП1 + ρ1∙g∙H∙(1-ε)/2 (10)

РСР1 = 46,2∙104 + 1089,18∙9,8∙4(1-0,5)/2 = 34,6∙104 Па

РСР2 = РВП2 + ρ2∙g∙Н∙(1-ε)/2

РСР2 = 24,4∙104 + 1119,84∙9,8 ∙4 (1-0,5)/2 = 19∙104 Па

РСР3 = РВП3 + ρ3∙g∙Н∙(1-ε)/2

РСР3 = 3,25 ∙104 + 1188∙9,8∙4(1-0,5)/2 = 3,25∙104 Па

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя :

Таблица 3.

P, Па

t, °C

r,кДж/кг

РСР1 = 34,6∙104

tСР1 = 151,5

rВП1 = 2157,2

РСР2 = 19∙104

tСР2 = 124,95

rВП2 = 2212,5

РСР3 = 3,25∙104

tСР3 = 70,4

rВП3 = 2332

Определим гидростатическую дипрессию по корпусам:

Δ1'' = tСР1 - tВП1 (11)

Δ2'' = tСР2 - tВП2

Δ3'' = tСР3 - tВП3

Δ1'' = 151,5- 150,6= 0,9 0С

Δ2'' = 124,95- 123,4 = 1,91 0С

Δ3'' = 70,4 – 60,57= 9,83 0С

Сумма гидростатических депрессий:

∑∆'' = ∆1'' + ∆2'' + ∆3'' (12)

∑∆'' = 0,9 + 1,91 + 9,83 = 12,64°C

Температурную депрессию Δ' определим по уравнению:

Δ'=1,62·10-2·Δ'атмТ2/rвп (13)

где T- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; Δ'атм - температурная депрессия при атмосферном давлении [1, приложение 4.5].

АТМ1' = 2,135°C

АТМ2' = 3,302°C

АТМ3' = 6,0°C

Находим значение Δ' по корпусам (в °C)

1' = 1,62∙10-2∙2,135∙(151,5+ 273)2 / 2157,2= 2,70°C

2' = 1,62∙10-2∙3,302∙(124,95+ 273)2 / 2212,5= 3,70°C ∆3' = 1,62∙10-2∙6,0∙(70,4+ 273)2 / 2332= 4,92°C

Сумма температурных депрессий:

∑∆' = ∆1' + ∆2' + ∆3' (14)

∑∆' = 11,31 °C

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

tК1 = tГ2 + ∆1' + Δ1'' + ∆1''' (15)

tК2 = tГ3 + ∆2' + Δ2'' +∆2'''

tК3 = tБК + ∆3' + Δ3''+ ∆3'''

tК1 = 150,6+ 2,70 +0,9+ 1 = 155,20

tК2 = 123,4+ 3,70 + 1,91+ 1 = 129,65

tК3 = 59,57 + 4,92 +9,83+ 1 = 75,32

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]