Выпаривание. Задание на расчет выпарной установки
![]()
|
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 установки. 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 определении 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 температур, К. Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов по корпусам и их температуры кипения. Первоначально определим эти величины по материальному балансу, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.
Производительность установки по выпариваемой воде определяем по формуле: ![]() где W - производительность по выпаренной воде, кг/с; Gн - производительность по исходному раствору, кг/с; ![]() ![]() ![]() 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 ![]() ![]() 1.2 Определение температур кипения раствора Температура кипения раствора в корпусе ![]() ![]() ![]() где ![]() Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆Р распределяется между корпусами поровну: ![]() где ![]() ![]() Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет: ![]() ![]() ![]() ![]() По давлению греющего пара находим его температуру и теплоту парообразования ![]() Таблица 1 - Температуры и теплоты парообразования
1.2.1 Определение температурных потерь Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной ![]() ![]() ![]() а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Сумма гидродинамических депрессий: ![]() По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2). Таблица 2 - Давления и теплоты парообразования
б) Гидростатическая депрессия ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Для того чтобы определить ![]() 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 поверхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией ![]() ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() Определяется величина ![]() Находим значение ![]() ![]() ![]() ![]() 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 кипящего 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 каждого корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки: ![]() Так как ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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, учитывающие 3:2:1 % потерь тепла в окружающую среду по корпусам, соответственно (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 ![]() ![]() ![]() Теплоёмкость (в кДж/(кг·К)) разбавленных водных растворов ( ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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; ![]() ![]() Порядок расчета коэффициента теплопередачи следующий. Задаемся величиной ∆tʹ1; рассчитываем по приведенным ниже уравнениям коэффициенты 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 температур ∆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 теплопередачи К. Коэффициент теплоотдачи α1, рассчитываем по уравнению: ![]() где ![]() ![]() ![]() Первоначально принимаем ![]() ![]() Значения физических величин конденсата берём при ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Значения величин, характеризующих свойства растворов KС1, представлены 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 ![]() ![]() ![]() 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 процессов 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 коэффициент теплоотдачи рекомендуется определять по уравнению ![]() где с - коэффициент; ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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 движения раствора в трубках греющей камеры и вследствие этого - устойчивый турбулентный режим течения. Принимая во внимание, что разность температур теплоносителей (греющего пара и кипящего раствора) в выпарном аппарате невелика, для расчета коэффициентов теплоотдачи со стороны жидкости можно использовать эмпирическое уравнение: ![]() Физические свойства растворов, входящие в критерии подобия, находят 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 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Проверим общую полезную разность температур установки: ![]() Поскольку рассчитаны величины тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезной разности температур по корпусам, следовательно, можно найти поверхность теплопередачи выпарных аппаратов: ![]() ![]() ![]() Полученные значения поверхности теплопередачи сравниваем с определенной ранее ориентировочной поверхностью ![]() 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 ![]() Таблица 6 — Техническая характеристики выпарного аппарата.
1.8 Определение толщины тепловой изоляции Толщину тепловой изоляции ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В качестве изоляционного материала выбираем совелит, который содержит 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. |