Выпаривание. Задание на расчет выпарной установки
 Скачать 219.18 Kb.
|
|
ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ Цель расчета выпарной установки - расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеров основного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего в технологическую схему ус тановки. Задание на курсовое проектирование Рассчитать и спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для концентрирования раствора хлористого калия по следующим данным: 1. Производительность установки по исходному раствору – 4100 кг/ч; 2. Концентрация раствор: начальная - 8 % масс; конечная - 26 % масс; 3. Давление греющего пара – 3,2 атм (избыточное) - 0,426 МПа; 4. Давление в барометрическом конденсаторе – 260 мм.рт.ст. - 0,035 МПа; 5. Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения; 6. Тип циркуляции – естественная; 7. Потоковая схема – прямоточная. ВВЕДЕНИЕ В химической промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности. Принципиальная технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рис. 1.  Исходный раствор подается из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3 в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки. Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в третий корпус 6 , обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в емкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в котором при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в конденсаторе) и через неплотности трубопроводов, отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом. Смесь охлаждающей воды и конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9. Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков. Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта. Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами раствора. Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа·с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией. Растворы чувствительные к повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию - в прямоточных аппаратах с восходящей пленкой. Типы и основные размеры выпарных аппаратов представлены в ГОСТ 11987-81, и каталогах УКРНИИХИММАШа [11,12]. РАЗДЕЛ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ Технологический расчёт выпарных аппаратов заключается в опреде лении поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи  где F - поверхность теплопередачи, м2; Q - тепловая нагрузка, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); ∆tпол- полезная разность темпера тур, К. Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур необходимо знать распределение упари ваемой воды, концентрации растворов по корпусам и их температуры ки пения. Первоначально определим эти величины по материальному балан су, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.
Производительность установки по выпариваемой воде определяем по формуле:  где W - производительность по выпаренной воде, кг/с; Gн - производи тельность по исходному раствору, кг/с;  , , - соответственно начальная и конечная концентрация раствора, масс. доли, На основании практических данных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами в соотношении  Тогда:    Проверка:   Рассчитываем концентрации растворов в корпусах:    Концентрация раствора в третьем корпусе  соответствует заданной концентрации упаренного раствора .1.2 Определение температур кипения раствора Температура кипения раствора в корпусе  определяется как сум ма температур греющего пара последующего корпуса  и температурных потерь где  - соответственно температурная, гидростатическая и гид равлическая депрессии, К.Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆Р распределяется между корпусами поровну:  где  - давление греющего пара в первом корпусе, МПа;  - давление в барометрическом конденсаторе, МПа.Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет:     По давлению греющего пара находим его температуру и теплоту па рообразования  , (табл. 1) по корпусам.Таблица 1 - Температуры и теплоты парообразования
1.2.1 Определение температурных потерь Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены темпера турной  , гидростатической  и гидрадинамической  депрессиями.а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротив лений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают  на корпус. Примем , тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:   Сумма гидродинамических депрессий:  По температурам вторичных паров определим их давления и тепло ты парообразования (табл. 2). Таблица 2 - Давления и теплоты парообразования
б) Гидростатическая депрессия обусловливается наличием гид ростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие гидроста тического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата темпе ратура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина не может быть точно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причем величина зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной эмульсии, заполняющей боль шую часть высоты кипятильных труб. Приблизительно расчет возмо жен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильных труб. Величина определяется как разность тем пературы кипения в среднем слое труб  и температуры вторичного пара  : Для того чтобы определить нужно найти давление в среднем слое (Рср) ипо этому давлению определить температуру в среднем слое (по таблице свойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубах при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора. Плотность раствора (при 100 °С) определя ется в зависимости от концентрации раствора в корпусе.Давление в среднем сечении кипятильных труб (в МПа) равно сумме давлений вторичного пара в корпусе и гидростатического давления столба жидкости (∆Рср) в этом сечении трубы длиной H:  Дня выбора значения H нужно ориентировочно определить поверх ность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией  Вт/м2. Примем  Вт/м2. Тогда по верхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно будет равна: По ГОСТ 11987—81 для выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ближайшая будет поверхность – 100 м2 при диаметре труб 38x2 мм и длине труб Н = 4000 мм. Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:    Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования (табл.3): Таблица 3 - Температуры кипения и теплоты парообразования
Определяем гидростатическую депрессию по корпусам    Сумма гидростатических депрессий составляет:  в) Температурная депрессия определяется по уравнению:  где  , К;  - температурная депрессия при атмосферном давлении, °С;  - теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.Определяется величина как разность между температурами ки пения раствора и чистого растворителя (воды) при атмосферном давлении. Температуры кипения раствора при атмосферном давлении в зависимости от концентрации даны в справочной литературе, например, [2].Находим значение  , по корпусам:   Сумма температурных депрессий равна:  Тогда температуры кипения растворов по корпусам равны:    1.3 Расчёт полезной разности температур Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является наличие некоторой полезной разности температур греющего пара и кипя щего раствора. Полезные разности температур по корпусам равны:    Общая полезная разность температур:  Проверим общую полезную разность температур:  1.4 Определение тепловых нагрузок Расход греющего пара в первом корпусе, производительность каждо го корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам опре деляются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки:  Так как  , а  , то    где D - расход греющего пара в первом корпусе, кг/с; H, h - энтальпия пара и конденсата, соответственно, Дж/кг; 1,03, 1,02, 1,01 - коэффициенты, учи тывающие 3:2:1 % потерь тепла в окружающую среду по корпусам, соот ветственно (потери тепла обычно принимают в размере 2-6% от тепловой нагрузки аппарата); c - удельная теплоемкость, Дж/кг·К; Q1конц, Q2конц, Q3конц - теплота концентрирования по корпусам. Величинами Qконц пренебрегаем, поскольку эти величины значительно меньше принятых потерь тепла; tн - температура кипения исходного раствора, подаваемого в первый корпус, tк1 - температура кипения в i-ом корпусе.  где  - температурная депрессия для исходного раствора; cн, с1, с2 - теп лоёмкость растворов при концентрациях , кДж/(кг·К).Теплоёмкость (в кДж/(кг·К)) разбавленных водных растворов (  ) рассчитывается по формуле:    Подставим известные значения в уравнения:                    Отсюда: D = 0,32124 кг/с. Тогда:    Проверка:  Определим тепловые нагрузки, кВт:    Полученные данные сводим в табл.4. Таблица 4 - Параметры растворов и паров по корпусам
1.5 Выбор конструкционного материала В качестве конструкционного материала выбираем стойкую в среде кипящего раствора KС1 в диапазоне рабочих концентраций сталь марки Х18Н10Т. Коэффициент теплопроводности этой стали 25,1 Вт/м·К. 1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи Коэффициент теплопередачи рассчитываем, исходя из того, что при установившемся процессе передачи тепла справедливо равенство:  Коэффициент теплопередачи К в [Вт/(м2·К)] можно рассчитать по уравнению:  где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;  ; α1 и α2 - коэффициен ты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к кипя щему раствору соответственно, Вт/(м2·К);  - сумма термических со противлений стенки загрязнений и накипи, (м2·К/Вт); ∆t1- разность темпе ратур между греющим паром и стенкой со стороны пара в первом корпусе, °С; ∆tст - перепад температур на стенке, °С; ∆t2- разность между темпера турой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.Порядок расчета коэффициента теплопередачи следующий. Задаемся величиной ∆tʹ1; рассчитываем по приведенным ниже уравнениям коэффи циенты теплоотдачи α1ʹ, α2ʹ и тепловые потоки q1ʹ, q2ʹ. Сравниваем величину тепловых потоков q1ʹ и q2ʹ. Если q1ʹ ≠ q2ʹ, то задаемся другим значением ∆t'ʹ1и снова рассчитываем α1ʹʹ и α2ʹʹ, q1ʹʹ и q2ʹʹпо тем же формулам. Как правило, снова q1ʹʹ ≠ q2ʹʹ,поэтому истинное значение теплового потока q и разность темпера тур ∆t1, определяем графически. Для этого строим график зависимости q = f(∆t1) и соединяем точки q1ʹ и q1ʹʹ, q2ʹ и q2ʹʹ прямыми линиями (рис. 2.1). Точка пересечения этих линий и определяет истинную величину qи ∆t1. Затем определяют значения α1 и α2 и рассчитывают коэффициент тепло передачи К. Коэффициент теплоотдачи α1, рассчитываем по уравнению:  где  - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;  - разность темпе ратур конденсата пара и стенки, °С;  - соответственно плотность, кг/м3, теплопроводность Вт/(м·К) и вязкость конденсата, Па·с, при средней температуре плёнки:Первоначально принимаем   Значения физических величин конденсата берём при         Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору  в ус ловиях его естественной циркуляции для пузырькового режима в вертикальных трубах равен:  где  - плотность греющего пара в первом корпусе,  ,  - плотность пара при атмосферном давлении;  - соответственно, теплопроводность, поверхностное натяжение, теплоемкость и вязкость раствора в первом корпусе.   Значения величин, характеризующих свойства растворов KС1, пред ставлены в таблице 5. Таблица 5 - Физические свойства растворов KС1
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:   Как видим  .Для второго приближения примем        Очевидно, что  Для определения строим графическую зависимость тепловой на грузки q от разности температур между паром и стенкой и определяем  . Проверка:       Как видим  .Рассчитываем коэффициент теплопередачи K1 в первом корпусе:  Коэффициенты теплопередачи для второго корпуса K2и третьего K3можно рассчитывать так же, как и коэффициент K1или воспользоваться соотношением коэффициентов, полученных из практики ведения процес сов выпаривания. Эти соотношения варьируются в широких пределах:  Для растворов щелочей и нитратов соотношение коэффициентов теплопередачи принимают по нижним пределам, а для растворов солей - по верхним. Для раствора KСl примем следующее соотношение:  Тогда   При кипении раствора в пленочных выпарных аппаратах коэффи циент теплоотдачи рекомендуется определять по уравнению  где с - коэффициент;  - теплопроводность кипящего раствора, Вт/м·К;  - толщина пленки (м), определяемая по уравнению где  - кинематическая вязкость раствора, м2/с;  - критерий Re для пленки жидкости;  - линейная плотность орошения, кг/(м·с);  - расход раствора, поступающего в i-й корпус, кг/с;  - смочен ный периметр, м; μ - вязкость кипящего раствора, Па·с; q - удельная теп ловая нагрузка, которую в расчете принимают равной  , Вт/м2.Значения коэффициента с и показателей степеней в уравнении: при q < 20000 Вт/м2: с = 163,1; п = - 0,264; т = 0,685; при q > 20000 Вт/м2: с = 2,6; п = 0,203; т = 0,322. В аппаратах с вынесенной зоной кипения, а также в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечиваются высокие скорости движе ния раствора в трубках греющей камеры и вследствие этого - устойчивый турбулентный режим течения. Принимая во внимание, что разность темпе ратур теплоносителей (греющего пара и кипящего раствора) в выпарном аппарате невелика, для расчета коэффициентов теплоотдачи со сторо ны жидкости можно использовать эмпирическое уравнение:  Физические свойства растворов, входящие в критерии подобия, на ходят при средней температуре потока, равной  1.7. Распределение полезной разности температур Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:  где  - общая полезная разность температур выпарной установки;  - отношение тепловой нагрузки к коэффициенту теплопередачи в корпусе; і = 1,2,3 –номер корпуса.    Проверим общую полезную разность температур установки:  Поскольку рассчитаны величины тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезной разности температур по корпусам, следователь но, можно найти поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:    Полученные значения поверхности теплопередачи сравниваем с оп ределенной ранее ориентировочной поверхностью  Различие незначительное. Значит, размеры выпарных аппаратов выбраны правиль но.Если разница в поверхности больше 10 %, то необходимо выбрать другое значение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб) и повторить расчет. По ГОСТ 11987 выбираем аппарат с поверхностью теплообмена  и длиной труб Н = 4 м. Основные технические характеристики вы парного аппарата представлены в таблице 6.Таблица 6 — Техническая характеристики выпарного аппарата.
1.8 Определение толщины тепловой изоляции Толщину тепловой изоляции  находим из равенства удельных теп ловых потоков через слой изоляции в окружающую среду: где  - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции к воздуху, Вт/(м2·К),  ;  - температура изоляции со сторо ны воздуха, °С; для аппаратов, работающих внутри помещения выби рают в пределах  , а для аппаратов, работающих, на открытом воз духе в зимнее время - в интервале  ;  - температура, изоляции со стороны аппарата, °С (температуру можно принимать равной темпера туре греющего пара, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоля ции);  - температура окружающей среды (воздуха), °С;  - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м·К).В качестве изоляционного материала выбираем совелит, который со держит 85% магнезии и 15% асбеста. Коэффициент теплопроводности совелита   Толщина тепловой изоляции для первого корпуса:  Такую же толщину тепловой изоляции принимаем для второго и третьего корпусов. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, °С
, кг/м3
, Вт/(м·К)