СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………..

1.РАСЧЕТ ДВУХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ……

1.1.Расчет станции………………………………………………...

1.2.Расчет барометрического конденсатора……………………..

1.3.Выбор вакуум-насоса…………………………………………

1.4.Расчет подогревателя исходного раствора…………………..

1.5.Выбор емкости для концентрированного раствора…………

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект состоит из графической части и расчетно-пояснительной записки. Записка должна содержать обоснование разработанной конструкции установки или аппарата, технологические и конструкторские расчеты. Обоснование проекта может быть представлено в виде сравнительных характеристик с другими аналогичными вариантами, показывая преимущество с учетом стоимости, простоты изготовления, удобства эксплуатации. Расчетно-пояснительная записка должна содержать требуемый объем расчетов, основанных на исходных технологических параметрах установки. В графической части проекта выполняются требуемые чертежи общего вида изделия, сборочные чертежи, содержащие необходимые виды, разрезы и сечения, поясняющие устройство спроектированной конструкции.

Выпариванием называется процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем испарения при кипении летучего растворителя и отвода образовавшихся паров. Этот процесс широко используется в химической промышленности. В целлюлозно-бумажной промышленности выпаривание применяется для концентрирования растворов отработанных щелоков при регенерации химикатов, в производстве химических волокон - для концентрирования мерсеризационной щелочи NaOH - при выработке вискозного волокна, для концентрирования капролактама – при выработке капроамидного волокна, для упаривания раствора радонита натрия при получении волокна «нитрон» и т.д.

Процесс выпаривания может производиться непрерывно или периодически. Аппараты периодического действия используются в основном в производствах малого масштаба. В крупнотоннажных производствах применяются действующие непрерывно выпарные установки, поверхность нагрева которых достигает 6 000-10 000 м². При таких размерах решающим фактором, который определяет экономичность установки, является расход греющего пара.

Основным методом экономии греющего пара является метод многократного выпаривания, сущность которого заключается в том, что выпаривание протекающего раствора проводится в нескольких последовательно соединенных аппаратах, т.е. в многокорпусных установках. Раствор во всех аппаратах, кроме первого, выпаривается за счет тепла вторичных паров, поступающих из предыдущего корпуса. Этим достигается значительная экономия греющего насыщенного водяного пара, удельный расход которого составляет :

1. для двухкорпусных установок – около 0,55 кг пара/кг выпаренной воды;

2. для трехкорпусных установок – около 0,4 кг/кг ;

3. для четырехкорпусных установок – около 0,3 кг/кг ;

4. для однокорпусной установки удельный расход пара составляет – 1,1-1,2 кг/кг .

Многократное выпаривание можно осуществить при использовании греющего пара высокого давления, либо при использовании вакуума в выпарной установке.

Давление в корпусах установки должно поддерживаться таким, чтобы температура поступающего в корпус вторичного пара была выше, чем температура кипения раствора в этом корпусе. Оптимальное давление греющего пара в последнем корпусе определяется технико-экономическим расчетом.

Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому требуется греющий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяется для концентрирования термически стойких растворов.

При выпаривании под избыточным давлением требуется автоматическое регулирование давление пара и плотности упаренного раствора, но установка в целом несколько упрощается, так как отпадает необходимость в постоянно действующем барометрическом конденсаторе.

Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора на прямоточные, противоточные и комбинированные.

Противоточные установки в основном используются для выпаривания растворов, вязкость которых резко увеличивается с увеличением концентрации, а также, если возможно выпадение твердого вещества из раствора в последнем корпусе. Для перемещения раствора из корпуса в корпус используются насосы.

Преимуществом прямоточной схемы является то, что раствор самотеком перетекает из корпуса с более высоким давлением в корпус с меньшим давлением. Недостатком прямоточных установок является низкий средний коэффициент теплопередачи, по сравнению с противоточными конструкциями.

В первом корпусе слабый раствор получает тепло от греющего пара наиболее высоких параметров, а в последнем корпусе концентрированный раствор выпаривается вторичным паром наиболее низкого давления. Увеличение концентрации раствора и падение давления от корпуса к корпусу уменьшает коэффициенты теплоотдачи, а в результате этого снижается общий коэффициент теплопередачи. Во многих случаях коэффициенты теплопередачи по корпусам, как показывает опыт эксплуатации выпарных установок, находится в соотношении - К₁:К₂:К₃ = 1:0,7:0,4.

При той же производительности прямоточные установки должны иметь большую поверхность нагрева, чем противоточные.

Для создания вакуума в выпарной установке к последнему корпусу по ходу вторичного пара подсоединяется полочный барометрический конденсатор. В нижнюю часть барометрического конденсатора под нижнюю тарелку поступает вторичный пар из последнего корпуса, который конденсируется, взаимодействуя на тарелках со стекающей сверху охлаждающей водой. В результате конденсации пара в барометрическом конденсаторе создается пониженное давление. Сконденсированный пар и охлаждающая вода выводятся из конденсатора по барометрической трубе через гидрозатвор. Столб жидкости, находящийся в барометрической трубе, должен уравновешивать атмосферное давление и давление в барометрическом конденсаторе. Несконденсированные газы отсасываются из барометрического конденсатора вакуум-насосом, предварительно пройдя через брызгоуловитель.

1. Расчет двухкорпусной

ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

ЗАДАНИЕ. Рассчитать двухкорпусную прямоточную выпарную установку для выпаривания 7000кг/ч мерсеризационной щелочи NaOH от начальной концентрации 9 % до 45 % (масс).

Давление греющего пара в первом корпусе 0,5 МПа. Остаточное давление в конденсаторе 0,01 МПа. Раствор подается в выпарной аппарат при температуре кипения. Выпарные аппараты трубчатые с естественной циркуляцией, тип 2А по ГОСТ 11987-66.

1.1. Расчет установки

Расчет двухкорпусной прямоточной установки, схема которой приведена на рис. 1, производим методом последовательных приближений. В первом приближении предварительно задаемся неизвестными необходимыми величинами, значения которых уточняются в результате расчета.

1.1.1. Расчет в первом приближении

1. Количество воды, выпариваемое установкой

,

где - количество исходного раствора, кг/ч ;

- начальная и конечная концентрации раствора,

масс. %.

Количество упаренного раствора:

.

2. Количества воды, выпариваемое в каждом корпусе, принимаем предварительно одинаковыми, т.е.

3. Концентрация растворов по корпусам.

Полагая, что в выпарном аппарате происходит идеальное перемешивание раствора, концентрация на выходе из аппарата будет равна средней концентрации в аппарате:

в первом корпусе

во втором корпусе

4. Общая разность температур

,

где - температура греющего пара в первом корпусе, ^оС;

- температура вторичного пара на входе в

конденсатор, ^оС.

Температуры определяются по заданным давлениям пара по таблицам для насыщенного водяного пара [5].

5. Полезная разность температур для всей установки

.

Депрессионные потери по корпусам определяем по таблицам (см. Прил. 2), зная концентрации растворов в каждом корпусе.

Пересчет депрессионных потерь для давления в аппарате, отличного от атмосферного, производится по формуле Тищенко:

,

где Т – температура кипения растворителя, ^оК;

r - теплота парообразования при температуре кипения

растворителя, кдж/кг (по таблице насыщенного

водяного пара);

- температурная депрессия при атмосферном давлении

Температурная депрессия в первом корпусе при концентрации NaOH 15% - .

Температурная депрессия во втором корпусе при концентрации NaOH 50% и при избыточном давлении 0,02 МПа составляет

,

где Т = 273 +45,8 = 318,8 ^оК.

Общие температурные депрессии составят

6. Потери от гидростатического эффекта определяются как

,

где - температура кипения растворителя посередине грею-

щих труб, т.е. при давлении ;

- температура кипения растворителя при давлении ;

- давление вторичного пара над раствором, МПа ;

- гидростатическое давление в растворе у середины

греющих труб, равное

,

.

Здесь: - расстояние от уровня раствора в аппарате

до трубной решетки, м ;

- длина греющих труб, м ;

- плотность парожидкостной эмульсии в греющих

трубах, кг/м³ :

,

где - плотность раствора, которую определяем по

по концентрации раствора (см. Прил. 3).

Принимаем по ГОСТ 11987-66 греющие трубы размером 38 х 3 мм и длиной 3 000 мм, а h_изд = 200 мм, тогда

,

,

.

Перепад давления пара в каждом корпусе предварительно принимаем равным

,

где - давление греющего пара в первом корпусе, МПа ;

- давление вторичного пара во втором корпусе ,

предварительно принимаем равным давлению

пара в конденсаторе, МПа .

Давление вторичных паров:

в первом корпусе ,

во втором корпусе .

Давление растворов у середины греющих труб:

в первом корпусе

;

во втором корпусе .

Температуры кипения растворителя определяем по таблицам насыщенного водяного пара при давлениях и .

Гидростатические потери:

в первом корпусе ;

во втором корпусе .

7. Общие потери за счет гидростатического эффекта

.

В выпарных установках гидравлические потери при прохождении пара из парового пространства аппарата в греющую камеру следующего составляют 1,0 – 1,5 ^оС.

Тогда общие гидравлические потери составят

8. Полезная разность температур в двухкорпусной установке

9. Распределение суммарной полезной разности температур по корпусам производим из условия взаимозаменяемости корпусов, т.е., чтобы F1=F2.

Предварительно принимаем тепловые нагрузки, равными для всех корпусов: Q1=Q2, и задаемся соотношениями коэффициентов теплопередачи по корпусам

.

Тогда для первого корпуса

;

для второго корпуса

.

10. Вычислив полезную разность температур в каждом корпусе, можно определить температуры кипения растворов и вторичных паров.

Температура кипения растворов у верхнего уровня в 1 корпусе

.

Температура вторичного пара в первом корпусе

.

Температура вторичного пара, поступающего во второй корпус

Температура кипения раствора у верхнего уровня во втором корпусе

Температура вторичного пара во втором корпусе

.

По температурам паров находим по таблицам для насыщенного водяного пара давления и энтальпии паров, а по концентрациям – теплоемкости растворов. Полученные результаты расчетов - параметры паров и растворов по корпусам - сводим в таблицу 1.

11. Определяем из теплового баланса по уравнению (1) расход греющего пара во втором корпусе – D_i = D₂.

Тепловые потери в окружающую среду для обоих корпусов принимаем предварительно равными 3 %. Тогда

Таблица 1

Параметры выпарной установки

№ пп	Наименование параметров	Корпуса
		1	2
1	Концентрация раствора, Х, масс. %	15	45
2	Температура греющего пара, t, 0C	151,9	118,14
3	Полезная разность температур, tср, 0C	22,66	34,38
4	Температура кипения раствора у середины греющих труб, tкс, 0С	129,4	62
5	Температура кипения раствора на уровне греющих труб, tк, 0С	126,8	45,8
6	Гидростатические потери, , 0С	2,6	16,2
7	Температурная депрессия, , 0С	5,9	24,36
8	Температура вторичного пара, tВП , 0С	120,7	46,9
9	Давление греющего пара, Р, МПа	0,5	0,1374
10	Энтальпия греющего пара, i’’, кДж/кг	2755	2693
11	Теплосодержание конденсата, i’, кДж/кг	637,7	456,3
12	Давление вторичного пара, РВП , МПа	0,1374	0,0155
13	Энтальпия вторичного пара, i’’ВП, кДж/кг	2693	2597,8
14	Теплоемкость раствора, С, кДж/кг 0С	3,57	3,2767
15	Интегральная теплота растворения, NaOH, кДж/кг	154	630

Количество тепла, расходуемое на выпаривание раствора во втором корпусе

.

12. Коэффициент теплопередачи от конденсирующего насыщенного водяного пара к кипящему раствору определяется по формуле

где - коэффициент теплоотдачи от конденсирующего насыщенного водяного пара к греющим трубам, Вт/м^2.0С, кДж/м^2.час^.0С ;

- коэффициент теплоотдачи от стенок греющих труб

к кипящему раствору, Вт/м^2.0С, кДж/м^2.час^.0С ;

-толщина накипи на стенках греющих труб, м ;

-толщина стенок греющих труб, м ;

-теплопроводность накипи, Вт/м^.0С, кДж/м^.час^.0С ;

-теплопроводность греющих труб, Вт/м^.0С ,

кДж/м^.час^.ОС .

Значения коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося насыщенного пара к стенкам труб в греющих камерах выпарных аппаратов изменяются в пределах от 9 000 до 15 000 Вт/м^{2 . 0}С и не оказывают значительного влияния на коэффициент теплопередачи, величина которого определяется коэффициентом теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору и термическими сопротивлениями материала греющих труб и накипи. Принимаем значения коэффициентов теплоотдачи и среднюю толщину накипи = = 0,0005 м, коэффициент теплопроводности накипи = 2,32 Вт/м²⁰С.

Для стальных греющих труб размером 38 х 3,0 мм (сталь марки Ст. 3) коэффициент теплопроводности .

Коэффициент теплоотдачи от стенок греющих труб к кипящему раствору изменяется в пределах 700-15 000 Вт/м^2.ОС в зависимости от концентрации раствора. С увеличением концентрации раствора - снижается. Рекомендуется принимать для растворов концентраций:

С_Р = 15-25% - = 2 500 – 2 000 Вт/м^2.ОС ,

С_Р = 25-35% - = 2 000 – 1 500 Вт/м^2.ОС ,

С_Р > 35% - = 1 500 – 700 Вт/м^2.ОС .

Предварительно принимаем коэффициент равным =1000 вт/м^2.ОС.

Определяем коэффициент теплопередачи от конденсирующегося насыщенного водяного пара к кипящему 45% раствору NaOH

.

Удельная тепловая нагрузка во втором корпусе

.

По уравнению

проверяем принятый коэффициент теплоотдачи от стенок греющих труб к кипящему раствору

,

который совпадает здесь с принятым ранее.

Здесь: - коэффициент, зависящий от свойств раствора, определяемый по экспериментальным данным [1].

13. Поверхность нагрева второго корпуса определяется из уравнения

,

где 0,278 – переводной коэффициент, кДж/ч^.Вт.

Количество воды, выпариваемой в 1 корпусе

.

Количество раствора, поступающего из первого во второй корпус

.

Расход греющего пара, поступающего в первый корпус, учитывая, что

будет равен

Количество тепла, расходуемое на выпаривание раствора в первом корпусе

.

Коэффициент теплопередачи в первом корпусе определяем, исходя из принятого условия, что Q₁ = Q₂ и распределения полезной разности температур по корпусам

.

Поверхность нагрева первого корпуса в первом приближении

.

Количество воды, выпариваемое установкой, по результатам расчета в первом приближении составит

.

Рассчитанное количество выпариваемой воды оказалось меньше, чем следует по заданию, а поверхности нагрева выпарных аппаратов отличаются друг от друга на 20 %.

14. Для получения более точных значений поверхностей нагрева проводим расчет во втором приближении, принимая за исходные данные результаты первого приближения.