Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева

Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ярославский государственный технический университет

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева

Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

ПАХТ 0108.250600.16. КП

Преподаватель, к. т. н.,

Доцент Галицкий И. В.

Проект выполнил студент гр. ХТЭ-48

Кузницкая В.Ф.____

2008

Содержание

Реферат

Введение

1. Основные условные обозначения

2. Принципиальная схема установки и её описание

3. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

3.1 Первое приближение

3.1.1 Концентрации упариваемого раствора

3.1.2 Температуры кипения растворов

3.1.3 Полезная разность температур

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

3.1.5 Выбор конструкционного материала

3.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

3.1.7 Распределение полезной разности температур

3.2 Второе приближение

3.2.1 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

3.2.1.1 Расчет тепловых нагрузок

3.2.1.2 Расчет коэффициентов теплопередачи

3.2.1.3 Распределение полезной разности температур

3.2.1.4 Расчет поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

4. Определение толщины тепловой изоляции

5. Расчет барометрического конденсатора

5.1 Расход охлаждающей воды

5.2 Диаметр конденсатора

5.3 Высота барометрической трубы

5.4 Расчет производительности вакуум-насоса

6. Тепловой расчет

6.1 Расчет теплообменника-подогревателя

7. Мероприятия по технике безопасности

Список литературы

Реферат

В задании на курсовое проектирование проводится расчёт выпарной непрерывной установки.

Тип выпарной установки - трехкорпусная с выпарными трубчатыми аппаратами с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой.

Целью расчёта выпарной установки является определение основных размеров аппарата (диаметра и высоты), балансов, подбор дополнительного оборудования.

Были изучены мероприятия по технике безопасности на предприятиях химической промышленности и оказание первой помощи пострадавшим.

Количество страниц-31

Количество таблиц-6

Количество рисунков-1

Библиограф-5

Введение

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определённые сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

1. Основные условные обозначения

c - теплоемкость, Дж/(кгК) ;

d - диаметр, м ;

D - расход греющего пара, кг/с ;

F - поверхность теплопередачи, м2 ;

G - расход, кг/с ;

g - ускорение свободного падения, м/с2 ;

H - высота, м ;

i, I - энтальпия жидкости и пара, кДж/кг ;

K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) ;

P - давление, Мпа ;

Q - тепловая нагрузка, кВт ;

q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 ;

r - теплота парообразования, кДж/кг ;

t,T - температура, град.

, W - производительность по испаряемой воде, кг/c ;

x - концентрация, % (масс.) ;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) ;

- теплопроводность, Вт/(мК) ;

- вязкость, Пас ;

- плотность, кг/м3 ;

- поверхностное натяжение, Н/м ;

Re - критерий Рейнольдса ;

Индексы:

1, 2, 3,4 - первый, второй, третий, четвёртый корпус выпарной установки ;

в - вода ;

вп - вторичный пар ;

г - греющий пар ;

ж - жидкая фаза ;

к - конечный параметр ;

н - начальный параметр ;

ср - среднее значение ;

ст - стенка .

2. Принципиальная схема установки и её описание

Рис.1. Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:

1-- емкость исходного раствора; 2.10 -- насосы; 3 -- теплообменник-подогреватель; 4 --6 выпарные аппараты: 7 -- барометрический конденсатор, 8 -- вакуум-насос. 9 - гидрозатвор; 11 - емкость упаренного раствора; 12- конденсатоотводчик

В приведенном ниже типовом примере расчета трехкорпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией и кипением раствора в трубах, даны также рекомендации по расчету выпарных аппаратов некоторых других типов: с естественной циркуляцией, вынесенной зоной кипения, пленочных.

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки показана на рис. 4.1. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем -- в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе кон центрированный раствор центробежным насосом-/0- подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.

3. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

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

F=Q/(Ktп)

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

3.1 Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = Gн(1 - хн/хк)

Подставив получим:

W = 28000/3600(1 - 10/40) = 6,02 кг/с

3.1.1 Концентрации 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,_W/--(1,_--+--1,1--+--1,2+1,3)--=--1,_W/--4,6--=--1,_6,_2/--4.6--=--1,31--кг/с

w2--=--1,1W/--4,6--=--1,16,_2/--4,6--=--1,44--кг/с

w3--=--1,2W/--4,6--=--1,26,_2/--4,6--=1,57--кг/с

w4--=--1,3W/--4,6--=--1,36,_2/--4,6--=1,7--кг/с

Далее рассчитывают концентрации раствора в корпусах:

х1--=--Gнхн--/--(Gн-----w1)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31)--=--_,12--или--12--%

х2--=--Gнхн--/--(Gн-----w1-----w2)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31---1,44)--=--_,155--или--15,5--%

х3=--Gнхн--/--(Gн-----w1-----w2-----w3)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31-1,44-1,57)--=--_,44--или--44--%

Концентрация раствора в последнем корпусе х3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора хк.

3.1.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад давления в установке равен:

DРОБ--=Р--Г1-----РБК--=--_,6-_,_2=--_,58--МПа

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

РГ1--=--_,6--МПа

РГ2--=Р--Г1-----DРОБ--/--4--=_,6-----_,58--/--4--=--_,455--МПа

РГ3--=Р--Г2-----DРОБ--/--4--=--_,455-_,58--/--4=_,31--МПа

РГ4=РГ3-----DРОБ--/--4--=--_,31-_.58--/--4--=--_,165--МПа

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

РБК--=Р--Г4-----DРОБ--/--4=_,165---_,58--/--4=--_,_2--МПа

что соответствует заданному значению РБК .

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Таблица 1 - Температуры греющих паров

Р, МПа	t°, С	I, кДж/кг
РГ1=0,6	tГ1=157,8	I1=2768
РГ2=0,455	tГ2=146,9	I2=2749
РГ3=0,31	tГ3=132,9	I3=2730
РГ4=0,165	tГ4=112,8	I4=2702
РБК=0,02	tБК=59,6	IБК=2605

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 ( ?I ) , гидростатической ( ?II ) и гидродинамической ( ?III ) депрессий:

SD--=--DI--+--DII--+--D--III

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают ?III = 1.0 - 1.5 град. на корпус. Примем ?III = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в 0 С) равны:

tВП1--=--tГ2--+--D1III--=1146,9--+--1--=--147,9--°С

tВП2--=--tГ3--+--D2III--=132,9--+--1--=--133,9--°С

tВП3--=--tГ4+--D3III--=--112,8--+--1--=--113,8--°--С

tВП4--=--tБК--+--?4III--=--59,6--+--1--=--6_,6--°С

Сумма гидродинамических депрессий:

SDIII--=--D1III--+--D2III--+--D3III--=--1--+--1--+--1--+--1--=--4--°C.

По температурам определяем давленте вторичных паров. Они равны соответственно:

РВП1 = 0,4624 МПа;

РВП2 = 0,3061 МПа;

РВП3 = 0,1633 МПа;

РВП4 = 0,0207 МПа;

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

Рср=Рвп+?gН(1-?)/2

где Н-высота кипятильных труб в аппарате, м; ?-плотность кипящего раствора, кг/м3;

?-поронаполнение, м3 /м3.

Для выбора значения Н необходимо оринтеровочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляцией q=20000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса оринтеровочно равна:

Fор=Q/q=(?1r1)/q=1,31·2081·1000/20000=136 м2

Примем высоту кипятильных труб Н= 4 м.

При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет ?=0,4-0,6. Примем ?=0,5. Плотность водного раствора К2СО3, при соответствующих концентрациях в корпусах равна:

?1= 1110 кг/м3 ; ?2= 1145 кг/м3 ; ?3= 1219 кг/м3 ; ?4 = 1469 кг/м3.

При определение плотности раствора пренебрегаем изменением её с повышением температуры ввиду малого значения коэффициента объёмного расширения и оринтеровочно принятого значения паронаполнения.

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

Рср1 = Рвп1+?gН(1-?)/2 = 46,24 • 104 + 4·1110 · 9,81· (1-0,5)/2= 47,33 • 104 Па;

Рср2 = Рвп2+?gН(1-?)/2 = 30,61 • 104 + 4 · 1145 · 9,81· (1-0,5)/2= 31·104 Па;

Рср3 = Рвп3+?gН(1-?)/2 = 16,33 · 104 + 4 · 1469 · 9,81· (1-0,5)/2= 3,51·104 Па;

Рср4 = Рвп4 + ?gН(1-?)/2 = 2,07·104 + 4· 1469· 9,81· (1-0,5)/2 = 3,51·104 Па.

Этим давлениям соответствуют температуры кипения и теплоты испарения воды:

Pср1 = 0,4733 МПа tср1 = 148,82 0 C rвп1 = 2130 кДж/кг

Pср2 = 0,3173 МПаtср2 = 135,1 0 C rвп2 = 2170 кДж/кг

Pср3 = 0,1752 МПа tср3 = 114,5 0 C rвп3 = 2220 кДж/кг

Рср4 = 0,0351 МПа tСР4 = 69,2 0 С rвп4 = 2331 кДж/кг

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в 0 C):

D1II--=--tср1-----tвп1--=--148,82-----147,9--=--_,92;

D2II--=--tср2-----tвп2--=--135,1-----133,9--=--1,2;

D3II--=--tср3-----tвп3--=--114,5-----113,8--=--_,7;

?4II--=--tср4-----tвп4--=--69,5-----6_,6--=--8,9.

Сумма гидростатических депрессий

?DII=D1II+D2II+D3II=_,92--+--1,2--+--_,7--+--8,9--=--11,72--_С

Температурную депрессию определим по уравнению

DI=1,62·_,_1·DIатм--·Т2/rвп

где Т-температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; ?Iатм- температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значения ?I по корпусам (в 0 C):

DI1--=--1,62·_,_1·--(148,8+273)2·1,_8/213_--=--1,46--_С;

DI2--=--1,62·_,_1·--(135,1+273)2·1,57/217_--=--1,95--_С;

DI3--=--1,62·_,_1·--(114,5+273)2·2,75/222_--=--3,55--_С;

?4I--=--1,62•_,_1•(69,2--+--273)2--•1_/2331--=--8,14--_С.

Сумма температурных депрессий

?DI=DI1+DI2+DI3--=--1,46--+--1,95--+--3,55--+--8,14--=--15,1--_С

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в 0 C):

tK1--=--tГ2--+--D1I--+D1II--+D1III--=--146,9--+--1--+_,92--+--1,46--=--15_,28--_--C;

tK2--=--tГ3--+--D2I+D2II--+--D2III--=--132,9--+--1--+--1,2--+--1,95--=--137,6--_--C;

Страницы: 1, 2