Расчет подогревателя

Стр.21 , Табл.3 , Ил. 3

Ключевые  слова: УСТАНОВКА, ВЫПАРКА, ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ДВУХТРУБНЫЙ, РАСЧЕТ, ТЕХНОЛОГИЯ. 
 

       В общей части обсуждены современные  методы концентрирования водных растворов. Принята выпарная установка состоящая из одного корпуса для концентрирования 1.4 кг/с водного раствора CaCl₂ с концентрацией 10% масc . Выбраны основные технологические параметры процесса выпаривания. Определены материальные и тепловые потоки системы.

       Принята конструкция двухтрубного подогревателя. На основании технологического расчета определена требуемая поверхность теплообмена обеспечивающую заданную тепловую нагрузку. Выбраны основные конструктивные элементы конструкции аппарата.

       В гидравлическом расчете рассчитано сопротивление трубного пространства. 
 
 
 
 
 
 

       1 ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

       2.1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

       ПРОЦЕССА

       Выпаривание – процесс концентрирования растворов  твердых нелетучих веществ путем  удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е, в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

       Процесс выпаривания относится к числу  широко распространенных. Последние  объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, аммиачная селитра, хлористый магний и др., получают в виде разбавленных водных  растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

       К свойствам растворов, имеющим значение для процессов выпаривания, относятся  температурная депрессия, теплоемкость, и  теплота растворения.

       Как известно, при одной и той же температуре Т давление паров над чистым растворителем Р_а больше, чем давление над раствором Р_в рисунок 2.1, и соответственно при одном и том же давлении температура кипения растворителя ниже температуры кипения раствора. Разность между температурами кипения раствора и растворителя Т_в - Т_а = называется температурной депрессией.

       Для определения температурной депрессии  неконцентрированных растворов  недиссоциирующих веществ может  быть использовано основное уравнение  эбуллиоскопии:

       где - универсальная газовая постоянная,  кДж/кмоль⁰С;

              - температура кипения, ⁰с;

               r- теплота испарения растворителя, кДж/кг;

               с- концентрация растворенного  вещества,  кмоль/кмоль;

       Определяя депрессию для диссоциирующихся растворенных веществ, в правую часть  равенства вводят сомножитель i , выражающий отношение общего числа частиц, получающихся в результате диссоциации, к исходному числу частиц растворяемого вещества.

       Температурная депрессия для концентрированных растворов может быть определена по уравнению :

       где b- константа определяемая опытным путем.

       Обычно  температурную депрессию не вычисляют , а находят по соответствующим  таблицам, составленных на основании опытных данных.

        - гидростатическая депрессия  возникает из-за разности температур  в нутри греющих трубок и  температуры греющего пара

        - гидродинамическая депрессия  обусловленная потерей давления  пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпусю Обычно в растворах принимают 1-1,5 ⁰С.

       Пар, образующийся над кипящим раствором, называется вторичным паром. Практически  в результате взаимодействия насыщенного  пара с брызгами кипящего раствора его температура оказывается выше, чем температура растворителя при заданном давлении. Однако при анализе процессов выпаривания допускают, что температура вторичного пара равна температуре насыщенного пара растворителя при заданном давлении.

       Рис.2.1 Определение температурной депресии

       При растворении твердых веществ, если они не реагируют с растворителем, наблюдается охлаждение раствора, так  как разрушается кристаллическая  решетка, а на это требуется затрата  энергии ( теплота плавления). Если же растворяемое вещество вступает в химическую реакцию с растворителем, образуя сольваты, при растворен в воде- гидраты, то за счет этого выделяется тепло. Теплота растворения представляет собой сумму теплот плавления и химического взаимодействия. Интегральной теплотой растворения называют количество тепла, поглащающегося или выделяющегося при растворении 1_кг твердого вещества( или раствора, в котором содержится 1_кг твердого вещества) в очень большом количестве растворителя , т.е. в таком количестве, что дальнейшее его прибавление практически не сопровождается тепловым эффектом. Для анализа процессов выпаривания необходимо знать теплоту изменения концентрации раствора , которая легко определяется по интегральной теплоте растворения.

       Пусть известны интегральная теплота растворения  q₁ раствора с концентрацией х₁ и интегральная теплота растворения q₂ раствора с концентрацией х₂. На основании закона Гесса ( тепловой эффект превращения зависит только от начального и конечного состояния системы, но не зависит от пути, по которому превращение протекает) для рассматриваемого случая можно записать:

         или 

       Тепло выделяется при разбавлении раствора от концентрации х₂ до х₁ и поглощается при концентрировании раствора от концентрации х₁ до х₂.

       В химической технике используются следующие  основные способы выпаривания: простое  выпаривание( однокорпусная установка), проводимое как непрерывным, так  и периодическим методами, многократное выпаривание( многокорпусные установки), осуществляемое только непрерывно, и выпаривание с применением теплового насоса. Два последних способа проведения процесса обеспечивают экономию тепла и поэтому имеют преобладающее значение.

       Все перечисленные способы проводят как под давлением, так и под вакуумом, в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов. [2] 

       2.2 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

       СХЕМЫ УСТАНОВКИ 

       В данном проекте рассматривается  однокорпусная прямоточная выпарная установка для выпаривания карбоната кальция, представлена на рисунке 2.2 .

       Исходный  раствор из емкости 7 насосом 8 подается в подогреватель 5 где нагревается до температуры кипения за счет конденсации в межтрубном пространстве греющего пара, подогреватель представляет собой кожухотрубчатый теплообменник.

       Подогретый  до температуры кипения раствор  поступает в  выпарной аппарат  1, где за счет конденсации греющего пара в межтрубном пространстве греющей камеры происходит выпаривание раствора до заданной концентрации, упаренный раствор самотеком поступает в  емкость 9, и насосами 8 подается потребителю.

       Вторичный пар поступает в нижнюю часть  барометрического конденсатора 4, где поднимаясь вверх противоточно взаимодействует с охлаждающей водой конденсируется и по барометрической трубе отводится в канализацию. Образовавшиеся в ходе конденсации газы отводятся в атмосферу.

       Рис. 2.2 Схема выпарной установки.

       1, 2 - выпарные аппараты; 4 - двухтрубный  конденсатор; 5 - подогреватель исходного  раствора; 6 - конденсатоотводчик; 7 - ёмкость исходного раствора; 8 - насос подачи раствора; 9 - ёмкость упаренного раствора.

        2.3 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВЫПАРНОГО АППАРАТА

      Выпарные  аппараты с паровым обогревом  состоят из двух основных частей:

             - кипятильник (греющая камера) в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

             - сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

        В зависимости от характера  движения кипящей жидкости в  выпарном аппарате различают:

            - выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

            - выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

            - выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;  

      - пленочные выпарные: аппараты.

      Выпарные  аппараты с естественной циркуляцией отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.

      Раствор, находящийся в кипятильных трубках закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

      Существует  несколько типов аппаратов с  естественной циркуляцией: с центральной; циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т.д.

      Выпарные  аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение  из-за простоты конструкции и легкоти  очистки и ремонта. В тоже время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

        3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ 

3.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

УСТАНОВКИ 

       Материальный  баланс рассчитываем с целью определения  количества удаляемой влаги :

       где - количество удаляемой влаги, кг/с;

            - количество исходного раствора, кг/с;

            - начальная и конечная концентрации раствора соответственно, масс. доли.

         кг/с;   [4]  

       3.2 РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ

       РАСТВОРА

            По давлениям паров находим  их температуры и энтальпии  [4.табл.VII]: 

      Таблица 3.1

      Температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь: температурной ( ), гидростатической ( ) и гидродинамической ( ) депрессий.

      Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодолении гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают = 1,0 – 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса = 1,0 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

                                          t_{вп 1} = t_бк + = 119,12 + 1,0 = 120,12 ⁰С

      По  температурам вторичных паров определяем их давления и удельные энтальпии [4.табл.VII]:

                                                                                                                 Таблица 3.2

            Гидростатическая  депрессия обусловлена разностью  давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности.

            Давление в среднем  слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению

                                        Р_ср = Р_в.п + * (1 – Е),

      где - плотность кипящего раствора, кг/м³, определяем по [5 табл 1.67]

                                ₁ = 1082 кг/м³

                   Н – высота кипятильных труб в аппарате, м;         

              Е – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³. При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет Е = 0,4…0,6. Примем  Е = 0,5

            Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить  поверхность теплопередачи выпарного  аппарата F_ор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 40000 Вт/м² [3].

         Тогда  ориентировочно поверхность передачи 1-го корпуса

                                        F_ор = = = = 53,12 м²,

      r₁ – теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг,  r₁ = 2125*10³ Дж/кг .

      По  ГОСТ 11987-81 принимаем выносной аппарат  с естественной циркуляцией и  вынесенной греющей камерой.

      Примем F = 63 м² , тогда Н = 4м, диаметр труб d_H = 38х2 мм. 

      Давление  в среднем слое кипятильных труб корпусов:

      Р_1ср = Р_{вп 1} + * (1 – Е) = 0,2 + = 0,2106 МПа

      Этим  давлениям соответствуют следующие  температуры кипения и теплоты  испарения растворителя:

                                                                                                             Таблица 3.3

      Определяем  гидростатическую депрессию по корпусам:

             = t_{1 ср} – t_{вп  1} = 121,5 – 121,12 = 0,38 ⁰С 

      Температурная депрессия  определяется по уравнению

                                  = 1,62 * 10^-2 * * _атм,

      где   Т – температура паров в  среднем слое кипятильных труб;

              _атм – температурная депрессия при атмосферном давлении:

        _атм = 1,5 ⁰С  

      Находим значение  по корпусам:

                     = 1,62 *10^-2 * *1,5 = 1,7  ⁰С

      Температуры кипения растворов в корпусах:

                  t_к1 = t_бк + + + = 120,12 + 1,7 + 0,38 + 1 = 123,27 ⁰С  

      3.5. Полезная разность  температур  

      Полезная  разность температур:

               t_п1 = t_г1 - t_к1 = 151,8 – 123,27 = 28,53 ⁰С   

      Проверим  общую полезную разность температур:

       t_п = t_г1- t_бк – ( + + ) = 151,8 – 120,12 – (1,7 + 0,38 + 1) = 28,53 ⁰С        

3.3 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ  НАГРУЗКИ ВЫПАРНОГО АППАРАТА 

Определим тепловую нагрузку выпарного аппарата по формуле.

        ;          

       где - тепловая нагрузка выпарного аппарата, кВт;       

              1.03- коэффициент учитывающий теплопотери  в окружающую среду в размере  3% ;

       с_н, - теплоемкости раствора поступающего на выпарку, кДж/кг⁰С;

       t_н- температура исходного раствора поступающего на выпарку,⁰С;

        кДж/кг⁰С;

       Принимаем, что раствор поступает в аппарат  подогретым до температуры  до ⁰С; 

Таблица 3.1

Параметры выпариваемого раствора 

       Определим расход греющего пара в выпарном аппарате.

         кг/с;

       где D - расход греющего пара в выпарном аппарате, кг/с;

             r_гп- удельная теплота конденсации греющего пара, кДж/кг;

4.   Конструктивный расчет

1. Тепловое  сопротивление стенки

где d_ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

             l_ст=17,5 Вт/м×К – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

             r₁=r₂=1/5800 м×К/Вт– тепловое сопротивление загрязнений[1 .531];

      S(d/l) = 0,002/17,5 + 1/5800 + 1/5800 = 2,9×10^-4 м×К/Вт.

2. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке

      где m₁ = 0,1935×10^-3 Па×с – вязкость конденсата [1 c.537];

       l₁ = 0,668 Вт/м×К – теплопроводность конденсата;

             r₁ = 923,7 кг/м³ – плотность конденсата;

      Dt₁ – разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем Dt₁ = 27 °C;

      a₁ = 2,04(0,668³×923,7²×2115000/0,1965×10^-3×4×27)^0,25 = 4570 Вт/м²×К.

Для установившегося процесса теплопередачи  справедливо уравнение для удельного  теплового потока:

      Dt_ст = a₁Dt₁S(d_cт/l_ст) =4570×27×2,9×10^-4 = 35,7 °С,

      Dt₂ = Dt_п  – Dt₁ – Dt_ст = 71,06 – 27 –35,7 = 8,19 °С.

3. Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору

      a₂ = Aq^0,6

      Теплофизические свойства кипящих растворов CaCl₂