2. Расчёт выпарной установки

   1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде:

G_н=L-L_п=3,33-1,78=1,55

W=G_н(1-х_н/х_к)=1,55(1-3,5/20)=1,28 кг/с

2. Концентрации упариваемого раствора

В первом приближении принимаем, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

w₁: w₂=1,0 : 1,1 тогда,

w₁=1,0*1,28/(1,0+1,1)=0,61 кг/c

w₂=1,1*1,28/(1,0+1,1)=0,67 кг/с

Концентрация растворов в корпусах:

x₁= 3,33*0,008/(3,33-0,61)=0,98 %

x₂=3,33*0.008/(3,33-0,61-0,67)=1,2%

Концентрация раствора в последнем корпусе x₂ соответствует заданной концентрации упаренного раствора x_к .

3. Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке:

∆p_об=1,079-0,0147=1,064 МПа

Так как в первом приближении общий перепад давлений распределяется поровну, тогда, давления греющих паров в корпусах:

P_r1=1,079

P_r2= 1,079-1,064/2=0,547

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

P_бк= P_r2- Pоб/2=0,547-1,064/2=0,015МПа

что соответствует заданному значению P_бк.

По давлениям паров обозначим их температуры и энтальпии [1]:

P, МПа	t, °С	I, кДж/кг
Pr1=1,079	tr1=183,2	I1=2787
Pr2= 0,547	tr2=151,9	I2=2767
Pбк=0,015	tбк=53,6	Iбк=2596

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. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь Σ∆ от температурной (∆′), гидростатической (∆″) и гидродинамической (∆‴) депрессией (Σ∆=∆′+∆″+∆‴).

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса ∆‴=1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:

t_{вп 1}=t_r2+∆₁‴= 151,9+1,0= 152,9°С

t_вп2= t_бк+∆₂‴= 53,6+1,0= 54,6°С

Σ∆‴= ∆₁‴+∆₂‴= 2°С

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно (В МПа) [3]:

P_вп1=0,515

P_вп2=0,0154

Ориентировочное оценивание поверхности теплопередачи выпарного аппарата :

F_ор=172 м²

По ГОСТ 11987-81 [2] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ( тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре d_н=38 мм и толщине стенки δ_ст=2 мм. Примем высоту кипятильных труб H=4 метра.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε= 0,4…0,6. Примем ε= 0,5. Плотность водных растворов ,в том числе раствора NH₄Cl (см.приложение 4.3), при температуре 15°С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

ρ1=1029 кг/м³ ρ2=1057 кг/м³

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

P_1ср=51,0*10⁴+4*1029*9,8(1-0.5) /2=61,7*10⁴

P_2cр=1,54*10⁴+4*1057*9,8(1-0.5) /2=16,7*10⁴

P, МПа	t° С	r, кДж/кг
P1ср= 0,617	t1ср= 161,3	2173
P2cр=0,167	t2ср=62,1	2540

определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °С):

∆₁″= t_1ср- t_{вп 1}= 161,3-152,9= 8,4

∆₂″= t_2ср - t_вп2=62,1-54,6=7,5

сумма гидростатических депрессий:

Σ∆″= 8,4+7,5=15,9 °С

температурную депрессию определим по уравнению:

где Т- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; ∆′_атм – температурная депрессия при атмосферном давлении [5]

∆₁′= 1,62*10^-2(161,3+273)²*1,4/2173= 1,96

∆₂′= 1,62*10^-2(62,1+273)²*3.0/2540=2,14

Сумма температурных депрессий:

Σ∆′= ∆₁′+∆₂′=1,96+2,14=4,1°С

Температуры кипения в корпусах равны:

t_к1=151,9+1.96+8,4= 162,2°С

t_к2=53,6+2,14+7,5= 63,2°С

4. Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

Σ∆t_п=∆t_п1+∆t_п2

Полезные разности температур по корпусам:

∆t_п1=183,2-162,2=21°С

∆t_п2=151,9-63,2=88,7°С

тогда, Σ∆t_п= 21+88,7=109,7°С

Проверим общую полезную разность температур:

Σ∆t_п=t_r1-t_бк-( Σ∆ʹ+ Σ∆ʹʹ)= 183,2-53,6-(4,1+15,9+2)= 107,6°С

5. Определение тепловых нагрузок

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

Q₁=D(I_r1-i₁)= 1,03[G_нc_н(t_к1-t_н)+w₁(I_вп1- с_в t_к1)+Q_конц]

Q₂=w₁(I_r2-i₂)=1,03[(G_н-w₁)c₁(t_к2-t_к1)+w₂(I_вп2-с_в t_к2)+Q_2конц]

Q₁=D(2787-778,1) = 1,03[3,33*3,9(162,2-161,3)+w₁(2307-4,19*63.2)] =7088 кВт

Q₂=1,03[(6,67-w₁)3,77*(63,2-162,2)+w₂*(3307-4,19*63,2)] =2622

Решая данную систему, получаем:

w₁ = 3,02кг/с, Q₁ = 7088 кВт,

w₂ = 3,28 кг/с, Q₂ = 2622 кВт,

D = 3,766 кг/с

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с Концентрация растворов x, % Давление греющих паров Pг, МПа Температура греющих паров tг, °С Температурные потери Σ∆, град Температура кипения раствора tк, °С Полезная разность температур ∆tп, град	3,02 1,4 1,079 183,2 0,9 162,2 21	3.28 20 0,547 151,9 1.1 63,2 88,7

6. Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NH₄Cl в интервале изменения концентраций от 0,8 % до 20%. Подбираем сталь хромистую, типа 2X13.

Коэффициент теплопроводности λ_ст=26 Вт(м.к)

Скорость коррозии 0,1 мм/год

7. Расчёт коэффициентов теплопередачи

К₁=

Примем, что δ_ст/ λ_ст и накипи δ_н/λ_н ,получим:

Σδ/λ= 0,002/ 25,1+0,0005/2= 2,87*10^-4 м²*к

α₁=2,04(r₁ρ_ж²₁λ_ж³)/(μ_ж1Н∆t₁) = 2,04 *10³*587²*0,245*10³) / ( 0,08*10³*4*2 = 26100 Вт/(м²*к)

∆t_ст=26100*2*2,15*10^-4= 11.2 град

тогда: ∆_t2= 21- 11/2 -2= 7,8

α₂=18,76(26100*2)^0.6= 12700

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q′=26100*2= 52200 Вт/м²

q″=12700*7,8= 99060 Вт/м²

Как видим q′≠ q″

примем ∆t₁=3,0 град

α₁=261002/3= 23584

⁰C

∆t_ст=23584*3*2/87*10^-4=20,3 град

⁰C

∆_t2=21-3-20,3=1,8 град

α₂=18,76(23584*3)^0,6=15233 Вт/(м²*к)

q′=23584*3=70,752

q″=15233*1,95=27,419

q′≠ q″

Примем ∆t₁=2,3 град

α₁=261002,0/2,3=15547

∆t_ст=15547*2.3*2.87= 10,2 град

∆_t2=15,1-10,2-2,3= 2.6

α₂=18,76(15547*2,3)^0,6=14111

q′=15547*2,3=35758 Вт/м²

q″=14111*2,6=36688 Вт/м²

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчёт коэффициентов α₁ и α₂ на этом заканчиваем.

К₁=1/ (1/15547+6.67*10^-4+1/4111)=1500 Вт/(м²*к)

₁ = 8577(2/2,3)^0,25 = 8282 Вт/м²К.

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) = 82822,34,610^-4 = 8,8 С,

t₂ = t_п – t₁ – t_ст = 16,4 – 8,8 – 2,3 = 5,3 С.

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 9,81(82822,3)^0,6 = 3627 Вт/м²К.

q₁= ₁t₁ = 82822,3 = 19050 Вт/м².

q₂ = ₂t₂ = 36275,3 = 19226 Вт/м².

К₂=1/ (1/8282+7,4*10^-4+1/ 12700)= 1350 Вт /(м²*к)

Параметр	Корпус		Литература
	1	2
Теплопроводность , Вт/(мК) Плотность , кг/м3 Теплоемкость С, Дж/(кгК) Вязкость , мПас Поверхностное натяжение , Н/м Теплота парообразования r, кДж/кг Плотность пара п, кг/м3	0,731 1117 3560 0,52 0,082 2223 1,236	0,732 1190 3320 1,18 0,095 2313 0,199	[12] [12] [11] [12] [11] [11] [11]

8. Распределение полезной разности температур

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

∆t_пi=

∆_tп1=109,7*= 77,8 град

∆_tп2=109,7*= 31,9 град

Σ∆t_п= 77,8 +31,9=109,7°С

Рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F₁= Q₁/K₁t_п1 = 708810³/150077,8= 95 м²

F₂ = 262210³/135031,9= 87 м²

	1 корпус	2 корпус
Распределенные в 1-м приближении значения ∆tп, град	77,8	31,9
Предварительно рассчитанные значения ∆tп, град	21	88,7

Второе приближение

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

9. Уточненный расчёт поверхности теплопередачи

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с Концентрация растворов x, % Температура греющего пара в 1-ом корпусе tг, °С Температура греющего пара °С Температура вторичного пара °С Температура кипения раствора tк, °С Полезная разность температур ∆tп, град	3,02 1,4 183,2 - 119,3 129,7 53,5	3.28 20 - 146,7 86,06 95,7 56,2

Q₁= 1,03[3,33*3,9(129,7-119,3)+3,02(2767-4,19*129,7)] =7195 кВт

Q₂=1,03[(3,33*3,85*(95,7-86,06)+3,28*(2596-4,19*95,7)] =2515 кВт

∆_tп1=109,7*=79,12 град

∆_tп2=109,7*= 30,7град

F₁=7195000/(1500*79,12)= 60,6

F₂=2515000/(1350*30.7)= 60,6

Номинальная поверхность теплообмена Fн	63 м2
Диаметр труб d	38*2 мм
Высота труб H	4000 мм
Диаметр греющей камеры dк	800мм
Диаметр сепаратора dс	1600мм
Диаметр циркуляционной трубы dц	500мм
Общая высота аппарата Ha	13000мм
Масса аппарата Ma	7500кг

Список использованной литературы

1. Безденежных А.А., Галкин О.А., Евстропьева И.П. и др. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов./ Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. – 6-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1990.

2. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Борисов С.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991. – 496с.

3. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. / Под ред. Дытнерского Ю.И., 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1991.

4. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. – Л.: 1989.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. − 8-е изд. − М.: Химия, 1971.

6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1976. – 552 с.

7. Касаткин А.Г. основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973. 750 с.

8. Справочник химика. М. – Л.: Химия, Т. 3, 1962. 1006 с. Т. 5, 1966. 974 с.

9. Каталог УКРНИИХИММАШа, Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979. - 38 с.

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

11.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

12.Овчинников Л.Н., Гусев Е.В. Расчет и проектирование выпарных установок. Учебное пособие. Иваново. 1999.

13.Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

14.Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. – Иваново, 2004.

15.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры – Л. «Машиностроение», 1975.