Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет барометрического конденсатора

РЕФЕРАТ

Работа: 31 с., 9 таблиц, 2 рисунка, 10 литературных источников, 1 лист формата А1 графического материала.

ПАР ГРЕЮЩИЙ, ПАР ВТОРИЧНЫЙ, ДЕПРЕССИЯ, ИЗОЛЯЦИЯ ТЕПЛОВАЯ, КОНЦЕНТРАЦИЯ

Объектом курсовой работы является многокорпусная выпарная установка для выпаривания водного раствора К2СО3.

В процессе работы методом многократных приближений определены тепловые нагрузки, приходящиеся на каждый корпус многокорпусной выпарной установки. По полученным данным определены: общая площадь теплоотдающей поверхности и количество греющих труб.

В ходе выполнения работы осуществлен подбор материала корпуса выпарной установки, исходя из условия его химической стойкости к выпариваемому раствору, а так же, рассчитана тепловая изоляция каждого корпуса выпарной установки.

Согласно полученным данным при вычислениях основных параметров выпарной установки определены основные конструктивные параметры барометрического конденсатора и подобрано сопутствующее оборудование выпарной установки.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………….…………………………………………………...……..…….5

1.Определениеповерхности теплопередачи выпарных аппаратов…………….....8

1.1Расчёт концентраций упариваемого раствора……………………………….....8

1.2 Определение температур кипения растворов……………………………...…..8

1.3Расчёт полезной разности температур………………………………………...15

1.4Определение тепловых нагрузок……………………………………………....16

1.5 Выбор конструкционного материала……………………………………….....18

1.6 Расчёт коэффициентов теплопередачи………………………………………..18

1.7 Распределение полезной разности температур……………………...…….....25

1.8 Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи……………………...…......26

2. Определение толщины тепловой изоляции…………………………...…….....29

3.Расчет барометрического конденсатора……………………………………......30

3.1 Определение расхода охлаждающей воды………………...……………...….30

3.2 Расчёт диаметра барометрического конденсатора……………...………........31

3.3 Расчёт высоты барометрической трубы…………………………………........31

4. Расчёт производительности вакуум-насоса……………………………...….....33

Заключение………………………………………………………………………….34

Библиографический список………………………………………………….…….35

ВВЕДЕНИЕ

В химической промышленности выпариванию подвергают растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара (некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.).

Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим или первичным.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным. Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата, а также использовать греющий агент более низких температуры и давления. Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов. Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки. При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, что позволяет лучше использовать тепло. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора, поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ.

При выпаривании при атмосферном давлении вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу.

Наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором кипящем в данном корпусе, т.е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус, следовательно, в многокорпусных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Основные условные обозначения

с – теплоёмкость, дж/(кг∙К);

d – диаметр, м;

D – расход греющего пара, кг/с;

F – поверхность теплопередачи, м2;

G – расход, кг/с;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

Н – высота, м;

I – энтальпия пара, кДж/кг;

I – энтальпия жидкости, кДж/кг;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ∙ К);

Р – давление, Мпа;

Q – тепловая нагрузка, кВт;

q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

r – теплота парообразования, кДж/кг;

T, t – температура, град;

W, w – производительность по испаряемой воде, кг/с;

x – концентрация, % (масс.);

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ∙ К);

ρ – плотность, кг/м3;

μ – вязкость, Па ∙ с;

λ – теплопроводность, Вт/(м ∙ К);

σ – поверхностное натяжение, Н/м;

Re – критерий Рейнольдса;

Nu – критерий Нуссельта;

Pr – критерий Прандтля.

Индексы:

1, 2, 3 – первый, второй, третий корпус выпарной установки;

в – вода;

вп – вторичный пар;

г – греющий пар;

ж – жидкая фаза;

к – конечный параметр;

н – начальный параметр;

ср – средняя величина;

ст – стенка.

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи, м2:

(1)

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

Первое приближение.

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

(2)

где – расход упариваемого раствора, кг/с;

начальная концентрация раствора, % (масс.);

конечная концентрация раствора, % (масс.).

Подставив, получим:

кг/с.

Расчёт концентраций 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:

где производительность по испаряемой воде в первом корпусе, кг/с;

производительность по испаряемой воде во втором корпусе, кг/с;

производительность по испаряемой воде в третьем корпусе, кг/с.

Тогда

кг/с,

кг/с.

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

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

1.2 Определение температур кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен, кПа:

(3)

где давление греющего пара в первом корпусе, МПа;

давление греющего пара в барометрическом конденсаторе, МПа.

Подставив, получим, МПа:

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

Рr1 = 1113

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

Что соответствует заданной величине РБК.

Таблица 1 Давления паров по температуре и энтальпии [2].

Давление, кПа	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг
Рг1 = 1113	tг1 = 184,74	I1 = 2781
Рг2 = 745,76	tг2 = 169,5	I2 = 2767
Рг3 = 378,53	tг3 = 147,76	I3 = 2743
Рбк = 11,3	tбк = 48,37	Iбк = 2588

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 (Δ’), гидростатической (Δ”) и гидродинамической (Δ”’) депрессий.

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают Δ”’ = 1,0 – 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ”’ = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:

°С,

°С.

Сумма гидродинамических депрессий:

°С.

Таблица 2 Температуры вторичных паров по их давления [2]

Температура, °С	Давление, кПа
tвп1 = 170,5	Рвп1 = 801,67
tвп2 = 148,76	Рвп2 = 460,48
tвп3 = 49,37	Рвп3 = 11,97

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:

(4)

где РВП – давление вторичных паров, МПа;

Н – высота кипятильных труб в аппарате, м;

ρ – плотность кипящего раствора, кг/м3;

ε – паронаполнение (объёмная доля пара в кипящем растворе), м3/м3.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата FОР. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппарата с принудительной циркуляцией q = 40000 – 80000 Вт/м2. Примем q = 40000 Вт/м2.

Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна:

м2.

где r1 = 2046 кДж/кг – теплота парообразования вторичного пара [2].

По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией (тип 1, исполнение 1) состоят из кипятильных труб высотой 6 м при диаметре dН = 34 мм и толщине стенки δСТ = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 6 м. При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε = 0,4 – 0,6. Примем ε = 0,5. Плотность водных растворов при температуре 35 °С и соответствующих концентрациях в корпусах равна [3]

ρ1 = 941 кг/м3; ρ2 = 960 кг/м3; ρ3 = 1040 кг/м3.

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры от 35 °С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объёмного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

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

Таблица 3 Зависимость давления от температуры кипения и теплоты испарения растворителя [2]

Давление, Па	Температура, °С	Теплота испарения, кДж/кг
Р1ср = 8,155	t1ср = 171,36	rвп1 = 2044,5
Р2ср = 4,746	t2ср = 150	rвп2 = 2114
Р3ср = 2,727	t3ср = 67	rвп3 = 2340,7

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам (°С):

Сумма гидростатических депрессий равна:

°С.

Температурная депрессия Δ определяется по уравнению:

(5)

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб,

К; rВП– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг;

- температурная депрессия при атмосферном давлении, К [3].

Находим значение Δ’ по корпусам (в °С):

Сумма температурных депрессий равна:

°С.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °С):

В аппаратах с вынесенной греющей камерой и принудительной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора v = 0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:

(6)

где ρ– плотность раствора, кг/м3;

S – сечение потока в аппарате, м2.

Сечение потока в аппарате S рассчитываемое по формуле:

;

; (7)

;

S=Sтруб ∙ nтруб=0,0009 ∙ 6 =0,0054 м.

где dВН – внутренний диаметр труб, м;

Н – принятая высота труб, м.

Таким образом, перегрев раствора в j-м аппарате Δtперj равен:

(8)

где IВП – энтальпия вторичного греющего пара, кДж/кг;

сВ , сН – теплоемкости соответственно воды и конденсата греющего пара, кДж/(кг×К);

tК – температура конденсата греющего пара, К;

М – масса конденсата, кг.

Полезная разность температур в каждом корпусе может быть рассчитана по уравнению:

(9)

Анализ этого уравнения показывает, что величина Δtпер/2 представляет собой дополнительную температурную потерю. В связи с этим общую полезную разность температур выпарных установок с аппаратами с вынесенной зоной кипения нужно определять по следующему выражению:

(10)

1.3 Расчёт полезной разности температур

Общая полезная разность температур равна:

(11)

Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:

Тогда общая полезная разность температур равна:

°С.

Проверим общую полезную разность температур:

°С

1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в первый корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путём совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

(12)

(13)

(14)

(15)

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3 % потерь в окружающую среду;

сН, с1, с2 – теплоёмкости растворов соответственно исходного (начальной концентрации), в первом и во втором корпусе, кДж/(кг∙К);

Q1конц, Q2конц, Q3конц – теплота концентрирования по корпусам, кВт;

tН – температура кипения исходного раствора в первом корпусе, °С:

где - температурная депрессия для исходного раствора. При решении уравнений (12) – (15) можно принять Iвп1 ≈ Iг2; Iвп2 ≈ Iг3; Iвп3 ≈ Iбк.

Получим:

;

Решение системы уравнений даёт следующие результаты: D = 0,872 кг/с; w1 = 0,824 кг/с; w2 = 0,889 кг/с; w3 = 1,065 кг/с; Q1 = 1742 кВт; Q2 = 1689 кВт; Q3 = 1887 кВт.

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (w1, w2, w3, кг/с) не превышают 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

Полученные величины сводим в таблицу 4.

Таблица 4 Параметры растворов и паров по корпусам

Параметр	Корпус
Параметр	1	2	3
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	0,824	0,889	1,065
Концентрация растворов х, %	3,91	5,87	13
Давление греющих паров Рг, Мпа	1113	745,76	378,53
Температура греющих паров tг, °С	184,74	169,5	147,76
Температурные потери ΣΔ, град	3,99	5,17	12,14
Температура кипения раствора tк, °С	171,85	150,67	67,9
Полезная разность температур, Δtп, град	12,89	18,82	79,85

1.5 Выбор конструкционного материала

Выберем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора К2СО3 в интервале изменения концентраций от 5 до 15 % [5]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии её менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λст = 25,1 Вт/(м∙К).

1.6 Расчёт коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса К определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

(17)

где α1, α2 – коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от кипящего раствора к стенке соответственно, Вт/(м2×К);

δ – толщина стенки, м; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К).

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δст/λст и накипи δн/λн. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

(м2∙К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке α1 равен:

(18)

где r1 – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

ρж1, λж1, μж1 – соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность [Вт/(м∙К)], вязкость (Па∙с) конденсата при средней температуре плёнки tпл = tг1 – Δt1/2, где Δt1 – разность температур конденсации пара и стенки, град.

Физические свойства конденсата при средней температуре плёнки сведём в таблицу 2.

Теплопроводность была рассчитана по формуле [7]:

(19)

где М – молекулярная масса К2СО3 , равная 39,995 г/моль;

ср – удельная теплоёмкость, Дж/(кг∙К).

Таблица 5 Физические свойства конденсата при средней температуре плёнки

Параметр	Корпус
Параметр	1	2	3
Теплота конденсации греющего пара r, кДж/кг	2137,5	2173	2224,4
Плотность конденсата при средней температуре плёнки ρж, кг/м3	924	935	950
Теплопроводность конденсата при средней температуре плёнки λж, Вт/(м∙К)	0,685	0,686	0,685
Вязкость конденсата при средней температуре плёнки μж, Па∙с	0,193 ∙ 10-3	0,212 ∙ 10-3	0,253 ∙ 10-3

Расчёт α1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Δt1 = 1 град. Тогда:

Вт/(м2∙К).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; Δtст – перепад температур на стенке, град; Δt2 – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору показано на рисунке 2.

Рисунок 1 Распределение температур в процессе теплопередачи от пара к кипящему раствору через многослойную стенку: 1 – пар; 2 – конденсат; 3 – стенка; 4 – накипь; 5 – кипящий раствор

град.

Тогда:

град.

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора [6] равен:

(20)

где ρж, ρП, ρ0 – соответственно плотность жидкости, пара и пара при абсолютном давлении р = 1 ат., кг/м3; σ – поверхностное натяжение, Н/м; μ – вязкость раствора, Па∙с.

Физические свойства раствора в условиях кипения приведены в таблице 6.

Вт/(м2∙К).

Таблица 6 Физические свойства кипящих растворов К2СО3 и их паров

Параметр	Корпус
Параметр	1	2	3
Теплопроводность раствора λ, Вт/(м∙К)	0,541	0,51	0,441
Плотность раствора ρ, кг/м3	1024	1059	1158
Теплоёмкость раствора с, Дж/(кг∙К)	3558	3278	2241
Вязкость раствора μ, Па∙с	0,64 ∙ 10-2	1,3 ∙ 10-2	8,8 ∙ 10-2
Поверхностное натяжение σ, Н/м	0,042	0,042	0,042
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2256 ∙ 103	2295,6 ∙ 103	2367 ∙ 103
Плотность пара ρп, кг/м3	0,56	0,35	0,109

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Вт/м2;

Вт/м2.

Как видим, q’ ≠ q”. Для второго приближения примем Δt1 = 1 град, пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры, рассчитываем α1 по соотношению:

Вт/(м2∙К).

Тогда получим:

град;

Вт/(м2∙К);

Вт/м2;

Вт/м2.

Как видим, q’ ≈ q”. Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, на этом расчёт коэффициентов α1 и α2 заканчивают. Находим К1:

Вт/(м2∙К).

Далее рассчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2. Примем в первом приближении Δt1 = 1,0 град. Для определения К2 найдём:

Вт/(м2∙К);

град;

;

Вт/(м2∙К);

Вт/м2;

Вт/м2.

Как видим, q’ ≠ q”. Для второго приближения примем Δt1 =0,55 град.

Вт/(м2∙К).

Тогда получим:

град;

Вт/(м2∙К);

Вт/м2;

Вт/м2.

Как видим, q’ ≈ q”. Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, на этом расчёт коэффициентов α1 и α2 заканчиваем и находим К2:

Вт/(м2∙К).

Рассчитаем теперь коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К3. Примем в первом приближении Δt1 = 0,5 град.

Вт/(м2∙К);

град;

Вт/(м2∙К)

Вт/м2;

Вт/м2.

Как видим, q’ ≠ q”. Для второго приближения примем Δt1 = 0,12 град.

Вт/(м2∙К).

Тогда получим:

град;

Вт/(м2∙К);

Вт/м2;

Вт/м2

Как видим, q’ ≈ q”. Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, на этом расчёт коэффициентов α1 и α2 заканчиваем и находим К3:

Вт/(м2∙К).

1.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

(21)