КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему: выпарная установка непрерывного действия

Введение

Процессы выпаривания получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. Выпарные установки в большинстве случаев размещаются в отдельных зданиях и оснащены многочисленными приборами контроля и средствами автоматизации с весьма сложной схемой регулирования параметров и режимов работы установки.
В целлюлозно-бумажной промышленности выпаривание применяется для концентрирования растворов щелоков при производстве целлюлозы различными способами, в основном, с целью возврата химикатов в производство. Эти растворы обладают различными физическими параметрами которые определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, противо- и прямоточные, одно- и многостадийные многокорпусные выпарные установки), а также к конструкции выпарных аппаратов. Выпаривание черных щелоков сульфатного производства, содержащих поверхностно-активные вещества, приводящие к образованию пены при его выпаривании, чаще всего проводятся в вертикальных пленочных аппаратах с восходящей пленкой, а сульфитных щелоков - в аппаратах с принудительной циркуляцией и, как правило, с вынесенной зоной кипения.
Современные выпарные установки целлюлозно-бумажной промышленности включают 6-9 аппаратов при пяти - или шестиступенчатой схеме выпаривания. Питание корпусов раствором, как правило, осуществляется по смешанной схеме. При этом в первых корпусах установки может быть применено выпаривание с тепловым насосом, а отдельные корпуса установки могут работать при параллельном питании аппаратов раствором. Расчет таких установок представляет собой сложную задачу. 

1. Температурный режим работы установки

В соответствии со схемой питания установки раствором (Рис.1.) исходный раствор из бака слабого щелока 16 центробежным насосом 8 подается в циркуляционную трубу корпуса 4 установки, нагретым до температуры кипения в этом корпусе в подогревателе 15. Из корпуса 4 выпариваемый раствор центробежным насосом 9 подается в циркуляционную трубу корпуса 3. На этом противоточном участке выпарной установки раствор нагревается в подогревателе 12 до температуры кипения в третьем корпусе. Аналогично из корпуса 3 раствор центробежным насосом 10 подается в циркуляционную трубу корпуса 2, нагретым до температуры кипения в этом корпусе в подогревателе 13. Из корпуса 2 раствор центробежным насосом 11 подается в циркуляционную трубу корпуса 1, предварительно подогретым до температуры кипения в этом корпусе в подогревателе 14. Из корпуса 1 раствор направляется на дальнейшую переработку.
Подвод теплоты к раствору для обеспечения процесса выпаривания в корпусе 1 осуществляется свежим греющим паром, который называют первичным. Образовавшийся в первом корпусе из раствора соковый пар (иначе - вторичный пар) используется в качестве греющего пара во втором, соковый пар корпуса 3 используется в качестве греющего в корпусе 4, а соковый пар четвертого корпуса конденсируется в барометрическом конденсаторе 5. Смесь конденсата и охлаждающей воды отводится по барометрической трубе, а неконденсированные газы после отделения капель жидкости в ловушке 6 отсасываются вакуум-насосом 7. 
В схеме используется выпарные аппараты с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. При размещении греющей камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб. Выносная греющая камера легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет чистку и ремонт. Ревизию и ремонт греющей камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две камеры. Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку греющей камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора. 

1.1 Предварительный выбор поверхности нагрева выпарных аппаратов

Общее количество выпариваемой воды W нахожу из уравнения материального баланса установки:

где  - производительность установки по начальному раствору, кг/с
= 54 т/час = 15 кг/с
 и  - начальная и конечная концентрации раствора, %
 кг/с
Для аппарата с принудительной циркуляцией удельная паропроизводительность корпусов u = (13÷20)кг/м2×ч. [1]Принимаю u = 20 кг/м2×ч = 0,0056 кг/м2×c 
Тогда поверхность нагрева выпарного аппарата составит:

где  - число корпусов в установке.

По значению  в [1] по ГОСТу 11987-81 выбираю стандартный аппарат с поверхностью нагрева 500 м2.
Диаметр труб d = 38×2 мм; длина труб l = 6000 мм; 
Число труб  (как целое) в греющей камере выпарного аппарата определяется условием:
где  - наружный диаметр труб, м;
 = 0,038 м
H – их высота, м; H = 6 м; 

1.2 Предварительное распределение выпариваемой воды по корпусам

Количество выпариваемой воды в конкретном корпусе выпарной установки зависит от схемы ее работы и определяется расходом греющего пара в этом корпусе, температурой и расходом поступающего в него щелока. Следовательно, распределение выпариваемой воды по корпусам можно определить при решении системы уравнений теплового баланса для конкретной схемы работы установки. Однако, на данном этапе расчета решение этой системы не представляется возможным из-за отсутствия данных для определения теплофизических параметров пара и щелока по каждому корпусу. Разрывая круг взаимосвязи между собой физических величин и параметров, определяющих работу каждого корпуса установки, задаюсь условным распределением выпариваемой воды по корпусам, исходя из схемы работы установки. При этом будем учитывать, что весь соковый пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара в следующем корпусе, так как отбор экстра-пара между корпусами отсутствует. 
Рассматриваю соотношение между количествами выпариваемой воды в корпусах установки для ранее приведенной схемы (4-3-2-1).
На схеме видно, что в корпус 1 щелок поступает после подогревателя. Следовательно, приняв W1 равной одной доле, имеем W1: W2 = 1: 0,98. В третий корпус щелок поступает также после подогревателя. Поэтому долевое соотношение между W2 и W3 (с учетом ранее приведенного соотношения) можно записать в виде W2: W3 = 0,98: 0,96. В четвертый корпус щелок поступает также после подогревателя, поэтому соотношение будет следующим W3: W4 = 0,96: 0,94.
Таким образом долевое соотношение между расходами выпариваемой воды (сокового пара) в корпусах установки можно представить следующим образом:
W1: W2: W3: W4 = 1: 0,98: 0,96: 0,94
Сумма долей равна:
∑Wi = W1 + W2 + W3 + W4 = 1 + 0.98 + 0.96 + 0.94 = 3,88
Следовательно, для рассматриваемой установки: 

W1 = W / 3,88

где W – количество выпариваемой воды во всех корпусах одной 
установки определенное в разделе 1.1.

В соответствии с предполагаемым распределением найдем:

1.3 Расчет концентраций на выходе раствора из корпусов установки

Так как при выпаривании раствора в аппарате в паровую фазу переходит только растворитель (вода), а твердый компонент остается в растворе и в паровую фазу не переходит, то концентрации твердого компонента в щелоке на выходе из любого корпуса установки определяются на основании уравнения материального баланса по твердому компоненту в растворе:

Где j = 1,2, …,m, …,n - номера отсчета корпусов по ходу раствора;
 - сумма расходов испаряемой воды в предыдущих по ходу раствора в корпусах и в данном корпусе;
Индекс i обозначает номер корпуса (по ходу пара), а индекс 2 означает, что концентрация рассчитывается на выходе из корпуса.

1.4 Определение температурного режима работы установки (первое приближение)

Определяю все виды температурных потерь.
Приближенные значения концентрационных депрессий  во всех корпусах установки для различных щелоков по концентрации твердого компонента в щелоке на выходе из аппарата можно найти в монографии [3]. Более точные их значения рассчитываю по формуле

где x – концентрация щелока в массовых %,
А и В – постоянные, зависящие от природы щелока
Для сульфитного щелока на кальциевом основании из таблицы 6 [1] А=0,21; В=0,043.

Изменениями температур кипения раствора  [1] вследствие изменения давления по высоте труб в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией можно пренебречь. Значение гидродинамической депрессии  в паропроводах между корпусами, связанное с изменением давления пара вследствие гидравлических сопротивлений паропровода, обычно не превышает 3ºС. С целью упрощения расчета этой величиной задаюсь в пределах (1÷3)ºС, учитывая, что с уменьшением абсолютного давления в паропроводе ее численное значение возрастает, т.е. между первыми корпусами задаюсь меньшими, а между последними – большими значениями. 

При известной величине вакуума в последнем корпусе расчёт начинают с определения абсолютного давления в сепараторе этого корпуса.

Рnc = P – B

где Р = 101.3 кПа атмосферное давление;
В – вакуум по заданию.
Так как в задании на расчёт указаны давление греющего пара в первом корпусе и вакуум в последнем корпусе, то определив по таблице свойств насыщенного водяного пара [3] температуры сокового пара последнего корпуса tnc и греющего пара первого корпуса t1г, рассчитываю видимую (общую) разность температур и полезную разность для всей установки 
при 
общt1Г – t4c=121.628-65.1=56.558 0C
пол=общ – (+) = 56,558-(4,313+6)=46,2450C
I = =0C
Полученные результаты представлены в виде таблицы I.

Таблица 1 - Приблизительный температурный режим (этап 1)
№ корпуса		Температура сокового пара, 		Температура кипения раствора, 		Температура греющего пара, 	
4	-	65,1	2,141	67,24	11,56	78,80	
3	3	81,80	0,979	82,78	11,56	94,34	
2	2	96,34	0,664	97,004	11,56	108,56	
1	1	109,56	0,529	110,093	11,56	121,653	

В дальнейшем данные полученной таблицы уточняем по эмпирическому уравнению 12 [1] 
Где расход пара составляет:

Кинематическую вязкость щелока определяю по номограмме [4]:
Расчет по указанной формуле методом последовательного приближения провожу при помощи ЭВМ. Результаты расчета представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Уточненный температурный режим по ЭВМ
№ корпуса		Температура сокового пара, 		Температура кипения раствора, 		Температура греющего пара, 	
4	0	64,911	0,529	65,440	7,671	73,111	
3	3	76,111	0,665	76,776	8,096	84,871	
2	2	86,871	0,979	87,850	9,414	97,265	
1	1	98,265	2,178	100,443	21,028	121,471	

Значения коэффициентов кинематической вязкости по корпусам, начиная с первого корпуса:

1.5 Уточнение распределения выпариваемой воды по корпусам установки

Приблизительный температурный режим работы выпарки, установленный на предыдущем этапе расчета, дает возможность найти все необходимые параметры для решения системы уравнений теплового баланса с целью уточнения ранее принятых расходов выпариваемой воды по корпусам установки и определения расхода греющего пара в первый корпус.
Система уравнений теплового баланса установки включает в себя уравнения теплового баланса всех корпусов установки и уравнение материального баланса установки по выпариваемой воде.
Определяя приход и расход теплоты а материальными потоками для любого i – того корпуса, составляют уравнения теплового баланса корпусов, каждое из которых, если пренебречь потерями теплоты в окружающую среду, принимает вид:
где - расход греющего пара;
 - расход раствора на входе в корпус;
- расход конденсата;
 - расход раствора на выходе из корпуса;
 - расход раствора на выходе из корпуса;
- энтальпии греющего и сокового пара;
 - теплоемкости раствора на входе в корпус и выходе из него;
 - температуры раствора на входе в корпус и на выходе из него;
- теплоемкость и температура конденсата.
Таким образом, для выпарной установки из n корпусов получаю систему уравнений, состоящую из n уравнений теплового баланса корпусов, которую надо дополнить уравнением материального баланса установки по выпариваемой воде:

Для полученной системы уравнений в первую очередь необходимо сократить число неизвестных в ней, заменив для всех корпусов кроме первого через , ибо соковый пар предыдущего корпуса  согласно схеме работы установки полностью используется в качестве греющего пара в последующем корпусе, который, конденсируясь в межтрубном пространстве греющей камеры аппарата, выводится из него в виде конденсата. Следовательно, для первого корпуса, а для остальных корпусов.
Считая, что переохлаждение конденсата греющего пара не происходит, принимаю и при этой температуре из таблиц физических свойств воды (на линии насыщения) нахожу теплоемкость конденсата.
Для 4 – х корпусной выпарной установки работающей по схеме 4-3-2-1, система уравнений теплового баланса принимает вид:

При решении эта система уравнений дополняется следующими условиями: Соотношения между температурами на входе в аппараты и на выходе из них будут следующие:

Считая, что переохлаждение конденсата греющего пара не происходит, принимаю:
Соотношение между теплоемкостями на входе в аппарате и на выходе из них будут следующие:

Теплоемкость раствора на выходе из корпусов  рассчитываю по формуле (24) 

где c – удельная массовая теплоемкость щелока, Дж/(кг×ºК) x – концентрация в массовых %;
A и а – постоянные, зависящие от природы раствора и определяемые по таблице 5 [1]
Для сульфитного щелока ; .

Теплоемкость конденсата нахожу методом линейной интерполяции по таблице XXXIX физических свойств воды [3]:
Энтальпию греющего пара нахожу методом линейной интерполяции по таблице свойств насыщенного водяного пара в зависимости от давления LVII [3]:
Энтальпию сокового пара нахожу методом линейной интерполяции по таблице свойств насыщенного водяного пара в зависимости от давления LVII [3]:
Число корпусов – 
Производительность установки по исходному раствору  
Общее количество выпаренной воды W, кг/с 

Таблица 3 - Данные для решения уравнений теплового баланса выпарки
№ п/п	Наименование величины	Размерность	Номера корпусов	
			1	2	3	4	
1.	Энтальпия греющего пара	кДж/кг	2712,8	2674,65	2648,359	2627,900	
2.	Энтальпия сокового пара	кДж/кг	2676,39	2652,526	2633,293	2614,527	
3.	Теплоемкость конденсата	кДж/кг×К	4,23	4,19	4,19	4,19	
4.	Теплоемкость раствора на входе в корпус	кДж/кг×К	3,463	3,614	3,702	3,760	
5.	Теплоемкость раствора на выходе из корпуса	кДж/кг×К	3,151	3,463	3,614	3,702	
6.	Температура конденсата		121,471	97,265	84,871	73,111	
7.	Температура раствора на входе в корпус		100,443	87,851	76,776	65,440	
8.	Температура раствора на выходе из корпуса		100,443	87,851	76,776	65,440	

После решения системы уравнений теплового баланса на ЭВМ получаю следующие расходы греющего пара  и выпариваемой воды  которые представлены в табл. 4.

Таблица 4
№ корпуса	Расход греющего пара, кг/с 	Расход испаряемой воды, кг/с 	
1	2,604	2.560	
2	2.560	2.528	
3	2.528	2.496	
4	2.496	2.467	

Для проверки точности расчета рассчитываю :

 Вывод: так как вновь рассчитанные значения  и  незначительно отличаются от ранее принятых, то уточнение температурного режима не провожу.
В дальнейших расчетах применяю вновь рассчитанные и , оставляя температурный режим без изменения.

2. Расчет выпарной установки

2.1 Расчет коэффициентов теплопередачи

Для расчета коэффициента теплопередачи в выпарном аппарате любой конструкции необходимо знать значения термических сопротивлений стенки трубок и накипи  на данный момент времени, а также значения коэффициентов теплопередачи от греющего пара к стенке трубок  и от накипи к раствору.
Коэффициент теплоотдачи  при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности вертикальных трубок в аппарате с принудительной циркуляцией рассчитываю по формуле:

где A – коэффициент, учитывающий теплофизические свойства конденсата при средней температуре пленки;
- температура наружной поверхности стенки трубок;
r – скрытая удельная теплота конденсации (парообразования) при температуре греющего пара ;
H – высота (длина) трубок;
 - поправочный коэффициент, учитывающий содержание
Неконденсируемого газа (воздуха) в паре.
Расчет веду для 1 корпуса, аппарат с принудительной циркуляцией раствора.
Сложность расчета состоит в том, что неизвестно значение , вследствие чего нельзя сразу рассчитать . Принимая процесс теплопередачи от конденсирующегося пара к раствору (на данный момент времени) установившимся, расчет веду методом последовательного приближения, в основе которого лежит равенство удельных тепловых потоков от конденсирующегося пара к стенке, через стенку, накипь , и от последней к раствору:
На первом этапе приближения произвольно задаюсь значением  в пределах (1÷3)ºС. . При принятом значении  и известной температуре греющего пара нахожу:
По полученному значению рассчитываю:
По вычисленному значению путем линейной интерполяции из таблицы 1 [5] нахожу значение A:
A=188,291 при 
Численные значения r и  нахожу по учебному пособию [3]. При определении  задаюсь содержанием воздуха в паре .
r = 2203,178 кДж/кг = 2203,178×103 Дж/кг при 
 при 
Рассчитав значение , определяю удельный тепловой поток при конденсации греющего пара по формуле:
Для дальнейших расчетов к моменту останова установки необходимо предварительно определить толщину накипи в 1 корпусе по формуле:

где  - толщина слоя накипи (по заданию), концентрация щелока и расход по выпариваемой воде в последнем (по ходу раствора) корпусе;
 - соответствующие параметры 1 корпуса.

Тогда пользуясь уравнением теплопроводности через многослойную стенку, можно определить температуру накипи со стороны раствора:
где и - толщина и теплопроводность стенки трубок;
 - теплопроводность накипи.
Значение определено при выборе выпарных аппаратов по ГОСТу [2]:
нахожу из учебного пособия [4], учитывая, что при выпаривании сульфитного щелока трубки греющей камеры выполнены из нержавеющей стали. 

Так как у меня аппарат с принудительной циркуляцией раствора то при турбулентном его движении по трубкам Nu определяю по уравнению:

,

где  - критерий Нуссельта;
B = 0,0278 – для аппаратов с вынесенной зоной кипения;

 - критерий Рейнольдса;

 - критерий Прандтля.
Все необходимые для расчета теплофизические параметры раствора рассчитываю на ЭВМ и привожу в табл. 5.

Таблица 5 - Теплофизические параметры раствора
Номер корпуса	Плотность щелока , кг/м3	Вязкость кинематическая , м2/с	Вязкость динамическая , Па×с	Теплоемкость , Дж/(кг×К)	Теплопроводность λ, Вт/(м×К)	
1	1255.689	1.273×10-5	1.598×10-2	3148,178	0,488	
2	1147.846	1,742×10-6	1,999×10-3	3459,8	0,558	
3	1110.173	1,245×10-6	1,382×10-3	3611,436	0,585	
4	1090.149	1,140×10-6	1,243×10-3	3701,115	0,595	

Определяющим линейным размером в критериях Nu и Re служит внутренний диаметр  трубок греющей камеры, уменьшенный в связи с образованием слоя накипи на их внутренней поверхности.

Скорость движения раствора по трубкам греющей камеры принимаю .

После определения  вычисляю удельный тепловой поток при теплоотдаче к раствору по формуле [5]:
где  - рассчитана ранее;
 - определяется при составлении температурного режима 
В соответствии с условием (1) можно считать данные расчета верными, если. Так как у меня то необходимо произвести уточнение .
Принимаю .
A=187.987 при 

Так как при повторном расчете тепловые потоки и снова не равны, то для расчета в третьем приближении строю график зависимости тепловых потоков от задаваемых значений  и, соединяя прямыми линиями между собой, а точки между собой, на их пересечении нахожу новое значение , при котором провожу окончательный расчет. Различие в удельных тепловых потоках в этом случае не должно превышать 5% (погрешность расчета и графического определения ).
По графику 1 нахожу что . Уточняю расчеты.
A=187.87 при 

Так как различие между и составляет не более 5%, использую полученные значения в дальнейших расчетах.
Полученные значения  и  использую для вычисления коэффициента теплопередачи по формуле:
Окончательную проверку правильности расчета произвожу по формуле:

где  - полезная разность температур в первом корпусе;

Рассчитанное значение  отличается от , найденного в точке пересечения прямых линий на графике 1, не более чем на 5%. 
В связи с длительностью и сложностью расчета коэффициента теплопередачи для всех корпусов выпарки, ручной его подсчет провожу только для первого корпуса. Коэффициенты теплопередачи для всех корпусов выпарки в дальнейшем рассчитываю при помощи ЭВМ по разработанной кафедрой программе. С этой целью необходимые для расчета данные определяю и вношу в табл. 6.

Таблица 6 - Данные для расчета коэффициента теплопередачи
№ п/п	Наименование величины	Единицы измерения	Номер корпуса	
			1	2	3	4	
1.	Температура греющего пара		121,471	97,265	84,871	73,111	
2.	Температура кипения раствора		100,443	87,851	76,776	65,440	
3.	Скрытая теплота конденсации греющего пара		2203178	2267111	2297335	2325534	
4.	Высота труб выпарного аппарата	м	6	6	6	6	
5.	Наружный диаметр трубок аппарата	м	0,038	0,038	0,038	0,038	
6.	Коэффициент, характеризующий содержание воздуха в паре	-	0,61	0,61	0,61	0,61	
7.	Толщина стенки трубок выпарного аппарата	м	0,002	0,002	0,002	0,002	
8.	Теплопроводность стенки трубок	Вт/(м×К)	17,5	17,5	17,5	17,5	
9.	Толщина накипи	м	0,0009	-	-	-	
10.	Теплопроводность накипи	Вт/(м×К)	1,1	1,1	1,1	1,1	
11.	Условное обозначение аппарата	Тип 2 исп. 2	-	-	-	-	
12.	Скорость раствора в трубках аппарата	м/с	3	3	3	3	
13.	Плотность раствора	кг/м3	1255,689	1147,846	1110,173	1090,149	
14.	Вязкость раствора	Па/с	0,01598	0,0020	0,001382	0,001243	
15.	Теплоемкость раствора		3148,178	3459,8	3611,436	3701,115	
16.	Теплопроводность раствора	Вт/(м×К)	0,488	0,558	0,585	0,595	
17.	Уточненное значение выпаренной воды	кг/с	2,56	2,53	2,496	2,47	
18.	Концентрация раствора на входе в установку	%	54,66	36	26,92	21,55	
19.	Концентрация раствора на выходе из установки	%	54,66	-	-	-	
20.	Расход сокового пара из корпуса с максимальной концентрацией раствора	кг/с	2,56	-	-	-	

Полученные на ЭВМ толщины накипи представлены в табл. 7.

Таблица 7 - Толщина накипи
Номер корпуса	Толщина накипи, м	
1	0,0009	
2	2,15×10-4	
3	7,896×10-5	
4	3,667×10-5	

Вычисленные с помощью ЭВМ значения коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи привожу ниже в таблице 8.

Таблица 8
Номер корпуса	Коэффициент теплопередачи K, Вт/м2×К	Коэффициент теплоотдачи , Вт/м2×К	Коэффициент теплоотдачи , Вт/м2×К	
1	661,663	4289,787	2892,147	
2	1483,124	3986,292	8800,008	
3	1819,938	3760,078	10262,02	
4	1911,518	3542,238	10728,17	

2.2 Уточненный расчет поверхности теплопередачи и выбор выпарных аппаратов

Применяя основное уравнение теплопередачи, рассчитываю для всех корпусов при принятом ранее температурном режиме требуемую поверхность теплообмена.

где  - тепловая нагрузка, Вт;
 - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К);
 - полезная разность температур в i – корпусе, установленная на предыдущих этапах расчета.
Численное значение  нахожу по формуле:
где - расход и энтальпия греющего пара, поступающего в аппарат;
и - теплоемкость и температура конденсата.
Считая, что конденсат из аппарата выводится при температуре конденсации, принимаю.
Все значения величин, входящих в формулу (2) определены при составлении приблизительного температурного режима работы установки и при решении системы уравнений теплового баланса выпарки.
Для первого корпуса:

Для второго корпуса:

Для третьего корпуса:

Для четвертого корпуса:

Рассчитанные значения  различаются между собой не более чем на 10%, дальнейшее уточнение не требуется. 
Выбираю аппарат по ГОСТ 11987-81 [2] с основными параметрами:
; 
D = не менее 1600 мм – диаметр греющей камеры;
D1 = не более 4000 мм – диаметр сепаратора;
D2 = не более 1000 мм – диаметр циркуляционной трубы;
H = не более 26000 мм – высота аппарата;
d = 38×2 мм – диаметр трубок греющей камеры;
l = 6000 мм – длина трубок.
Высота парового пространства H1 – не более 3000 мм; условное давление в греющей камере – от 0,014 до 1,6 МПа, в сепараторе – от 0,0054 до 1,0 МПа.

2.3 Температурный режим при запуске установки в работу

Ранее проведенные расчеты отвечают наихудшим условиям работы установки перед ее остановом на очистку трубок от накипи. При пуске установки в работу накипь на внутренней поверхности трубок греющей камеры в любом аппарате отсутствует, а, следовательно, условия теплопередачи будут отличаться от ранее принятых.
Коэффициент теплопередачи в этом случае для любого i-того корпуса определяют по формуле:
где  и  - коэффициенты теплоотдачи, которые были рассчитаны для i-того корпуса при наличии в трубках накипи.
Так как для всех корпусов значения  увеличиваются, то для передачи от греющего пара к раствору такого же теплового потока , как и при наличии накипи, потребуется уменьшить необходимый температурный напор в любом из корпусов, численное значение которого в соответствии с уравнением теплопередачи составит:

где F – поверхность теплопередачи выбранного по ГОСТу выпарного аппарата.

Рассчитав значения  для всех корпусов, составляю температурный режим работы установки на период ее пуска. Исходным параметром для его составления служит температура сокового пара в последнем корпусе.
Рассчитав значения  для всех корпусов, составляю температурный режим работы установки на период ее пуска. Исходным параметром для его составления служит температура сокового пара в последнем корпусе.
выпарной теплоотдача барометрический конденсатор
Таблица 9
№ корпуса		Температура сокового пара, 		Температура кипения раствора, 		Температура греющего пара, 	
4	0	65,1	2,141	67,241	8,011	75,252	
3	3	78,525	0,979	79,231	5,455	84,686	
2	2	86,686	0,664	87,35	5,536	92,886	
1	1	93,886	0,529	94,415	5,598	100,013	

3. Расчет вспомогательного оборудования

Все вспомогательное оборудование выпарной установки (барометрический конденсатор, вакуум-насос, подогреватели раствора и насосы для перекачивания выпариваемого раствора) рассчитываю и выбираю по каталогам для наихудших условий работы, а именно для момента, предшествующего останову установки.

3.1 Расчет барометрического конденсатора

В выпарных установках для создания вакуума применяют барометрические конденсаторы смешения. При этом конденсация сокового пара последнего корпуса для уменьшения количества загрязненных сточных вод обычно осуществляется в две ступени: сначала (80-90) % пара конденсируется в поверхностном конденсаторе (трубчатом или спиральном), а оставшийся пар конденсируется барометрическом конденсаторе.
Расчет поверхностного конденсатора не провожу так как он аналогичен расчету подогревателей раствора.
В ОСТах [2] на барометрические конденсаторы их размеры приведены при абсолютном (остаточном) давлении P=0,1 кгс/см2. Так как в моем случае Pп.с.=0,26 кгс/см2 при  [4], то расход вторичного пара, поступающего в конденсатор, надо пересчитать на давление 0,1 кгс/см2 по формуле:

где  и  - расход и плотность пара при давлении P=0,1 кгс/см2;
 и  - расход и плотность сокового пара, выходящего из последнего корпуса установки;
 - коэффициент, учитывающий долевой расход сокового пара, поступающего в барометрический конденсатор ( принимаю  
Pп.с.=0,26кгс/см2 [4]
P=0,1 кгс/см2 [4]

По значениям  и  уравнения массового расхода определяю диаметр барометрического конденсатора:
где  - скорость пара (принимаю равной 17,5 м/с).
По вычисленному диаметру барометрического конденсатора из ОСТа [2] выбираю и выписываю некоторые его размеры:
Высота установки H = 4550 мм;
Ширина установки T = 1400 мм;
Диаметр ловушки D = 400 мм; Высота ловушки h = 1440 мм;
Диаметр ловушки D1 = --; Высота ловушки h1 = --;
Расстояние между полками:
a1 = 260 мм; a2 = 300 мм; a3 = 360 мм; a4 = 400 мм; a5 = 430 мм;
Условные проходы штуцеров:
для входа пара – 350 мм;
для входа воды – 125 мм;
для выхода парогазовой смеси – 100 мм;
Высоту барометрической трубы нахожу из формулы:
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;
В = Pатм – P4с;
P4с =0,26  при 
В =101325 – 25506 = 75819 Па
ρв – плотность воды, кг/м3;
ρв = 1000 кг/м3;
λ – коэффициент гидравлического трения при движении воды в барометрической трубе;
dбт – диаметр барометрической трубы;
dбт =150 мм = 0,15 м по ОСТу [2];
∑ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;
wв – скорость воды в барометрической трубе, м/с;
0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.
Скорость движения смеси воды и конденсата в барометрической трубе нахожу по уравнению массового расхода:
где – расход сокового пара, поступающего в барометрический конденсатор после поверхностного конденсатора, кг/с;
 - расход охлаждающей воды, кг/с.
Расход охлаждающей воды определяю из уравнения теплового баланса барометрического конденсатора:
где - энтальпия сокового пара, Дж/кг;
= 2606,203×103 Дж/кг при tпс = 65.1 [4];
 - конечная температура смеси воды и конденсата, (принимают на 3÷5 ниже температуры конденсации сокового пара);
= 59,572 – 4 = 55,572;
 - начальная температура охлаждающей воды; принимаю  = 20;
 - теплоемкость воды, Дж/кг×К;
 = 4,19×103 Дж/кг×К при  = 20;

Величина ∑ξ складывается из коэффициентов местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

∑ξ = ξвх + ξвых = 0,5 +1,0 = 1,5 табл. ΧΙΙΙ [4];

Значение λ для гладких труб нахожу по графику [4] в зависимости от режима течения жидкости, определяемому критерием Рейнольдса:

где  - вязкость воды при температуре , Па/с
 при ;

При  для гладких труб λ=0,017.

3.2 Расчет вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора в единицу времени:
где 2,5×10-5 – массовый расход газа, выделяющегося из 1 кг воды;
0,01 – массовый расход газа, подсасывающегося в конденсатор через неплотности, на 1 кг пара.
Эта формула учитывает, что весь неконденсируемый газ (воздух) из поверхностного конденсатора отсасывается через барометрический конденсатор.
Объемную производительность вакуум-насоса рассчитываю по формуле:
где  - универсальная газовая постоянная;
- молекулярная масса воздуха, кг/кмоль [4];
- температура воздуха;
- парциальное давление сухого воздуха в
Барометрическом конденсаторе, Па.
Температуру воздуха рассчитываю по уравнению:
где  и  - начальная и конечная температуры воды,
Величину определяю по формуле:
где - абсолютное давление в барометрическом конденсаторе, равное (в первом приближении) абсолютному давлению в сепараторе последнего корпуса, Па;
 - давление насыщенного водяного пара при температуре, ;
 при [4];
Выбор вакуум-насоса произвожу по объемной производительности и степени разряжения от атмосферного давления A.

где B – вакуум в барометрическом конденсаторе, кПа;
B = 76 кПа;

Выбираю по ОСТу [2] вакуум-насос марки ВВН – 12.
Основные характеристики вакуум-насоса:
остаточное давление 23 мм рт. ст.;
производительность 12 ;
мощность на валу 20 кВт.

3.3 Расчет подогревателей раствора

Поскольку для эффективной работы установки в выпарные аппараты раствор должен поступать при температуре не ниже его температуры кипения в этих аппаратах, то схемой установки на линии подачи исходного раствора и на противоточных участках схемы предусмотрена установка подогревателей раствора. Температура раствора на входе в любой подогреватель и на выходе из него определяются их расположением в схеме и были приняты ранее при решении системы уравнений теплового баланса выпарки (таблица 2).
Считая, что в качестве подогревателей раствора установлены одноходовые кожухотрубчатые теплообменники, провожу их упрощенный расчет, определив требуемую поверхность нагрева и расход греющего пара. Так как схемой установки отбор экстра-пара на подогреватели не предусмотрен, то в качестве греющего пара в них используется пар таких же параметров, как для первого корпуса (см. схему установки).
Поверхность нагрева любого подогревателя нахожу из основного уравнения теплопередачи:
где  – количество теплоты, необходимое для нагрева раствора, Вт
 - коэффициент теплопередачи в подогревателе, Вт/м2×К;
- средняя движущая сила теплопередачи.
Тепловой поток  от греющего пара к раствору в подогревателе определяю по формуле:
где  - расход раствора, кг/с;
 - теплоемкость раствора, Дж/кг×К;
и - температуры раствора на входе и выходе из теплообменника.
Все эти параметры определяются местом расположения подогревателя на схеме.
При упрощенном расчете подогревателя воспользуемся значениями коэффициентов теплопередачи, полученными при расчете выпарных аппаратов.
Для подогревателей установленных на противоточных участках схемы, коэффициент теплопередачи принимаю по значению коэффициента теплопередачи в том корпусе, из которого раствор поступает в данный подогреватель, и, учитывая возможность ухудшения условий теплообмена в подогревателе по сравнению с выпарным аппаратом, уменьшаю его численное значение на 20%.
Для подогревателя, расположенного на линии подачи исходного раствора в установку, значение примем по значению в том корпусе, в который после подогревателя поступает раствор, сохраняя предыдущее условие о возможном ухудшении условий теплообмена.
Расчет средней движущей силы в подогревателе проводят по формулам учебного пособия [4].
Расчет подогревателя на линии бак – 4-ый корпус.

 ; ;

из табл. 8;
Расчет:

По вычисленной поверхности теплообмена из учебного пособия [2] выбираю по ГОСТ 15120-79, 15118-79, 15122-79 одноходовой кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами: 
Диаметр кожуха – 325 мм; диаметр труб - 25×2 мм; количество труб – 62; длина труб – 2м; поверхность теплообмена –10,0 м2; площадь поперечного сечения труб – 0,021 м2. 
Расчет теплового потока в подогревателе на линии 4-ый корпус – 3-ий корпус.
 ; 
(таблица2);

Расчет теплового потока в подогревателе на линии 3-ий корпус – 2-ой корпус.

; ;

; 

Расчет теплового потока в подогревателе на линии 2-ой корпус – 1-ый корпус.
; ;

Сопоставление выбранных вариантов провожу по гидродинамическому режиму движения раствора по трубам теплообменника. С этой целью из уравнения массового расхода определяю скорость движения раствора по трубам выбранных теплообменников
где  - плотность проходящего через теплообменник раствора при средней его температуре, кг/м3;
S – площадь поперечного сечения труб в теплообменнике (выбрана ранее по ГОСТу), м2;
Гидродинамический режим в них оцениваю по критерию Рейнольдса:

где  - внутренний диаметр труб в теплообменнике, м;
 - динамическая вязкость проходящего через теплообменник раствора при средней его температуре, Па×с.
Так как , где  кинематическая вязкость, то формула для расчета критерия Рейнольдса примет следующий вид:

Расчет скорости движения раствора и критерия Рейнольдса на линии бак (исходный раствор) – 4-ый корпус. 
; ; ;
Для расчета плотности раствора  пользуюсь формулами из методического указания [1].
Так как концентрация , т.е.  расчет произвожу по формуле (17):
В которой коэффициент  учитывает влияние температуры  на плотность щелока, а концентрация  подставляется в массовых %.
Для расчета кинематической вязкости  пользуюсь формулами из методического указания [1]. При концентрации  расчет произвожу по формуле (19):
где - температура, К;
 и  определяю по уравнениям (20) из методического указания [1]:

Среднюю температуру для определения теплофизических свойств рассчитываю по формуле пункта 22 учебного пособия [4]:
где и определяются местом подогревателя на схеме.

После окончательного выбора теплообменника рассчитываю расход греющего пара в нем:
Где параметрам пара () и конденсата ( и ) соответствую параметры греющего пара и конденсата первого корпус выпарной установки.

Вследствие того, что при расчете технико-экономических показателей работы выпарной установки необходимо знать расходы пара на нагрев раствора в подогревателях произвожу их расчет, где  было рассчитано ранее. Остальные параметры остаются без изменения.
Расход пара на нагрев на линии 4-ый корпус – 3-ий корпус:

Расход пара на нагрев на линии 3-ий корпус – 2-ой корпус:

Расход пара на нагрев на линии 2-ой корпус – 1-ый корпус:

3.4 Расчет и выбор насосов

Для выбора насосов по каталогу необходимо рассчитать его объемную производительность и сопротивление сети, на которую работает насос.
Объемная производительность  равна:
где - массовый расход раствора, перекачиваемый насосом, кг/с;
 - плотность этого раствора, кг/м3.
Величины  и  для каждого рассчитываемого насоса имеют свое численное значение, которое определяю по месту расположения насоса на схеме установки. 
Рассчитываю насос на линии бак исходного раствора четвертый корпус.
 ;
Для расчета плотности раствора  пользуюсь формулами из методического указания [1].
Так как концентрация , т.е.  расчет произвожу по формуле (17):
В которой коэффициент  учитывает влияние температуры  на плотность щелока, а концентрация  подставляется в массовых %.
;

Сопротивление сети  (в метрах водяного столба), на которую работает насос, рассчитываю по формуле:

где  - давление в аппарате, из которого насос перекачивает раствор, Па;
 - давление в аппарате, в который подается раствор, Па;
 - плотность воды, кг/м3;
 - геометрическая высота подъема жидкости, м;
 - гидравлические потери во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, в которые включены и гидравлические сопротивления теплообменника, установленного на линии нагнетания, м.
Так как насос установлен на линии подачи исходного раствора в установку, то давление , так как в баке исходного раствора, из которого подается раствор, атмосферное давление. При этом принимаю , ориентируясь на наиболее плохие условия работы насоса в период пуска установки в работу или при промывке труб аппарата, когда в аппарате так же атмосферное давление.
Геометрическая высота подъема  зависит от конструкции аппарата. Ее выбираю по чертежам в приложении учебного пособия [2] ориентируясь на то, чтобы при работе насоса трубы греющей камеры и вынесенная зона кипения при промывке аппарата были полностью заполнены жидкостью.
.
Так как курсовым проектом не предусматривается составление технологической схемы размещения оборудования в здании, то нет возможности установить длины всасывающего и нагнетательного трубопроводов и виды местных сопротивлений в них, необходимые для расчета по формуле Дарси-Вейсбаха гидравлических сопротивлений в этих трубопроводах. Поэтому значения гидравлических сопротивлений всасывающего и нагнетательного трубопроводов примем ориентировочно, исходя из того, что гидравлическое сопротивление кожухотрубчатого теплообменника при движении раствора по трубам находится в пределах (3000 ÷ 5000) Па, а самих трубопроводов в сумме (25000 ÷ 35000) Па.
Принимаю гидравлическое сопротивление кожухотрубчатого теплообменника при движении раствора по трубам 4000 Па, а трубопроводов 30000 Па, так как эти сопротивления являются ни чем иным как затратами давления на подъем жидкости, то суммируя эти гидравлические сопротивления получаю . Тогда могу воспользоваться формулой из учебного пособия [4] немного преобразовав её: 
, отсюда выражаю :

Вследствие того, что  уравнение для расчета сопротивления сети принимает следующий вид:

Тогда сопротивление сети будет равно:

По рассчитанным значениям объемной производительности и сопротивлению сети выбираю центробежный насос по учебному пособию [2] марки ОХ2-23Г, ниже привожу основные характеристики насоса:

;

; номинальная поверхность теплопередачи 63м2, в трубах длинной 6,0м, диаметром 382 мм

3.5 Расчет основных трубопроводов

К основным относят трубопроводы для подачи в аппарат греющего пара и раствора и для отвода из аппарата сокового пара, упаренного раствора и конденсата.
При расчете из уравнения массового расхода необходимо определить диаметры трубопроводов:
где  - массовый расход жидкости или пара, кг/с;
 - плотность жидкости или пара, кг/м3;
 - скорость жидкости или пара по трубопроводу, м/с.
Расчет диаметров провожу для указанных трубопроводов, выбирая аппараты, в которых по раствору будут наибольшие массовые расходы, а по пару наименьшие значения плотности, то есть (так как схема 4-3-2-1) рассчитываю диаметры для входа раствора в аппарат и для выхода из него, для подачи греющего пара и для отвода сокового пара и конденсата – по четвертому корпусу.
Массовые расходы раствора, конденсата и пара в формуле определяю для четвертого корпуса в соответствии со схемой установки. Плотность раствора рассчитываю по формулам методического указания [1] при концентрации и температуре в данном трубопроводе, значения которых также определяю в соответствии со схемой установки. Плотность пара нахожу по таблице свойств насыщенного водяного пара [3] при соответствующих температурах греющего и сокового пара четвертого корпуса методом линейной интерполяции. Плотность конденсата нахожу из таблицы физических свойств воды (на линии насыщения) [3] при температуре греющего пара четвертого корпуса, также методом линейной интерполяции. Значения скорости принимаю в соответствии с рекомендациями учебного пособия [3]. 
Расчет диаметра трубопровода для входа раствора.
; 
; 

Принимаю (табл. 1.1) [4];

Расчет диаметра трубопровода для выхода раствора.
; 
; 

Принимаю (табл. 1.1) [3];

Расчет диаметра трубопровода для подачи греющего пара.
; 
[3] при ;
Принимаю  (табл. 1.1) [4];

Расчет диаметра трубопровода для отвода сокового пара.

;
[3] при ;
Принимаю  (табл. 1.1) [3];

Расчет диаметра трубопровода для отвода конденсата.
;
[3] при ;
Принимаю (табл. 1.1) [3];

4. Технико-экономические показатели работы установки

Теоретическая экономичность выпарной установки:
где  - расход воды, выпаренной во всех корпусах установки, кг/с;
 - расход греющего пара в первом корпусе, кг/с.
Действительная экономичность выпарной установки:

где 

 - расход пара на нагрев раствора в подогревателях, кг/с;
1,1 – коэффициент, учитывающий тепловые потери с поверхностей выпарных и теплообменных аппаратов в окружающую среду.

Средняя паропроизводительность выпарной установки:
где  - число корпусов в установке;
 - поверхность нагрева выпарного аппарата, выбранного по ГОСТу.
Удельный расход пара в расчете на 1 кг испаряемой из раствора воды составит:

Библиографический список

1.	Бушмелев В.А., Волков А.Д., Кокушкин О.А. Расчет выпарной установки: Методические указания к выполнению курсового проекта, Ч.1:СП ГТУ РП, Л. 1995. 28 с.
2.	Основные процессы и аппараты химическое технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского - М.: Химия, 1991. 496 с.
3.	Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 10-е. Л.: Химия, 1987. 576 с.
4.	Волков А.Д., Григорьев Г.П. Физические свойства щелоков целлюлозного производства. 2-е изд. М.: Лесная промышленность, 1970. 120 с.
5.	Бушмелев В.А., Волков А.Д., Кокушкин О.А. Расчет выпарной установки: Методические указания к выполнению курсового проекта, Ч.2:СП ГТУ РП, Л. 1995. 24 с.
6.	Вакуумные насосы. Каталог – справочник М: цинтихимиефтемаш, 1970. 63 с.

Размещено на Allbest.ru