
- •1. Технологический расчёт
- •1.1. Определение поверхности теплопередачи выпарный аппаратов
- •1.1.1 Концентрация упариваемого раствора.
- •1.1.2. Температуры кипения растворов
- •1.1.3. Полезная разность температур:
- •1.1.4. Определение тепловых нагрузок.
- •1.1.5. Выбор конструкционного материала.
- •1.1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи.
- •1.1.7. Распределение полезной разности температур
- •2. Определение толщины тепловой изоляции.
- •3. Расчёт вспомогательного оборудования
- •3.1. Расчет барометрического конденсатора.
- •3.1.1. Расход охлаждающей воды
- •3.1.2.Диаметр конденсатора
- •3.1.3. Высота барометрической трубы.
- •3.2. Расчет производительности вакуум – насоса.
- •3.3 Определение диаметра штуцеров
- •Список использованных источников
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), м3/м3.
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