Расчёт трёхкорпусной выпарной установки

Содержание

 

        Введение                                                                                          3

1. Расчет трехкорпусной выпарной установки                                    9                                              

        1.1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов                                                                                                 9 

1.1.1 Концентрации упариваемого раствора                               9                                      

1.1.2 Температуры кипения растворов                                    10                 

1.1.3 Полезная разность температур                                         18                                 

1.1.4 Определение тепловых нагрузок                                      19

1.1.5 Выбор конструкционного материала                               22                                  

1.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи                            23                             

1.1.7 Распределение полезной разности температур                29                    

1.1.8 Уточненный расчет поверхности теплообмена              31

1.1.9 Определение толщины тепловой изоляции                     36                  

2. Расчет теплообменных аппаратов                                                   37         

2.1 Расчет кожухотрубчатого теплообменника                      39

2.2 Расчет пластинчатого теплообменника                               53

2.3 Выбор оптимального  нормализованного теплообменного аппарата                                                                                                 58

Заключение                                                                                   64

Список литературы                                                                      65

 

 

 

Введение

 

Тепловыми называются технологические процессы, протекающие  при условии подвода или отвода тепла.

К тепловым процессам  относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, теплообмен и  испарение. Частным случаем испарения является процесс выпаривания [1].

Нагревание  – процесс повышения температуры  перерабатываемых материалов путем  подвода к ним тепла. Нагревание применяется в химической технологии для ускорения массообменных и химических процессов.

Охлаждение  – процесс понижения температуры  перерабатываемых материалов путем  отвода от них тепла. В качестве хладоагентов для охлаждения применяются: вода, воздух, холодильные агенты.

Конденсация –  процесс сжижения паров вещества путем отвода от них тепла.

Теплообмен - процесс распространения тепла из одной части пространства в другую.

Испарение –  перевод в парообразное состояние  какой-либо жидкости путем подвода  к ней тепла. Частным случаем  испарения является весьма широко распространенный в химической технике процесс выпаривания.

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления из них летучего растворителя в виде пере. Выпаривание представляет собой разновидность теплового процесса испарения.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара, — некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным, хотя, конечно, для этой цели могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоносители.

Таким образом, выпаривание является типичным процессом  переноса теплоты от более нагретого  теплоносителя - греющего пара - к кипящему раствору. Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание  в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключаются в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.

Выпаривание проводят при атмосферном давлении, под  вакуумом или под давлением, большим  атмосферного. Образующийся при выпаривании растворов пар называется вторичным, или соковым [3].

Выпаривание под  вакуумом имеет ряд преимуществ  по сравнению с атмосферной выпаркой: снижается температура кипения  раствора, что дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата; несколько снижаются потери теплоты в окружающую среду (так как снижается температура стенки аппарата); появляется возможность использования теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам выпаривания под вакуумом относятся удорожание установки (так как требуется дополнительное оборудование - конденсатор, вакуум-насос и др.), а также несколько больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раствором происходит увеличение теплоты испарения растворителя).

При выпаривании  под повышенным давлением (выше атмосферного) вторичный пар может быть использован  в качестве греющего агента для различных технологических нужд.

В случае, если в выпарной установке имеется  один выпарной аппарат, такую установку  называют однокорпусной. Если же в установке имеются два и более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпусной. В этом случае вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что приводит к существенной экономии свежего греющего пара. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называют экстра-паром. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и т.д.

При больших  производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого раствора в  час и выше), что характерно для  промышленности, выпаривание проводят по непрерывному принципу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, т.е. в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения. Поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи (так, с повышением концентрации раствора увеличивается его вязкость и, следовательно, снижается коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору) [6].

Принципиальная  технологическая схема трехкорпусной  вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рисунке 1.1.

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 не плотности 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.

Задание на курсовое проектирование

Рассчитать  и спроектировать трехкорпусную  выпарную установку непрерывного действия для концентрирования G_н=20000 кг/ч водного раствора Na₂CO₃ от начальной концентрации х_н=3% до конечной х_к=35 % при следующих условий:

1. обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р_г1=0,98 МПа;

2. давление в  барометрическом конденсаторе Р_бк=0,0036 МПа;

3. выпарной аппарат – тип-2, исполнение-2;

4. взаимное направление   пара и раствора – прямоток;

5. отбор экстра-пара  не производится;

6. раствор поступает  в первый корпус подогретым  на 3-5 градусов ниже температуры  кипения раствора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. РАСЧЕТ ТРЕХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

 

1.1 Определение  поверхности теплопередачи выпарных  аппаратов

Поверхность теплопередачи  каждого корпуса выпарной установки определяется по основному уравнению теплопередачи:

                                                    (1)

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

Первое приближение

Определяем производительность установки в кг/с

G_н=20000/3600=5,55 кг/с                                        (2)

Производительность  установки по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса:

                                                (3)

кг/с

 

1.1.1 Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношений 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:

                                     (4)

 кг/с                     (5)

 

 кг/с                                       (6)

 

 кг/с                                      (7)

 

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

 

 %                     (8)

 

%               (9)

 

     %      (10)   

 

Концентрация  раствора в последнем корпусе  соответствует заданной концентрации упаренного раствора .

 

1.1.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад  давлений в установке равен:

 

 ^МПа                 (11)

 

В первом приближении  общий перепад давлений распределяются между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:

Р_г1=0,98 МПа;

 

 МПа        (12)

 МПа          (13)

 

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

 

 МПа         (14)

 

что соответствует заданному значению Р_6к.

По давлениям  паров находим их температуры и энтальпии (табл.П57 [9]) полученные данные введем в таблицу 1.

 

Таблица 1 - Параметры в корпусах и барометрической камере

Давление, МПа	Температура, оС	Энтальпия, кДж/кг
Рг1=0,98	tг1=177,2	Iг1=2782,4
Рг2=0,65453	t г2=160,5	Iг2 =2768,4
Рг3=0,32906	tг3=134,9	Iг3=2732,8
Рбк=0,0036	tбк=26,1	Iбк=2543,5

 

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 ∑Δ от температурной ( ), гидростатической (Δ") и гидродинамической (Δ"') депрессий (∑Δ= +Δ"+Δ"').

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Так в расчетах принимают Δ"'=1,0-1,5 ⁰С на корпус. Примем для каждого Δ"'=1 °С. Тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:

 ^°С                  (15)

 ^°С                   (16)

  ^°С                  (17)

 

Сумма гидродинамических  депрессий:

 

 =1+1+1=3 °С.                            (18)

 

По температурам вторичных паров определим их давления и теплоту парообразования (табл. 56, [9]).

Таблица 2 - Параметры вторичных паров в корпусах

Температура, оС	Давление, МПа	Теплота парообразования, кДж/кг
tвп1=161,5	Рвп1=0,670	rвп1=2084,0
tвп2=135,9	Рвп2=0,335	rвп2 =2159,8
tвп3=27,1	Рвп3=0,0041	rвп3=2432,1

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:

                                            (19)

 

где

Н — высота кипятильных труб в аппарате, м;

ρ- плотность  кипящего раствора, кг/м³;

ε — паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_оp. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = =20 000 - 50 000 Вт/м², аппаратов с принудительной циркуляцией q = 40 000 - 80 000 Вт/м². Примем q= 50000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

 

м²                  ₍₂₀₎

 м²                   (21)

 м²                   (22)

 

где r₁ — теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

 

По ГОСТ 11987—81 [4], трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 2, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 6 м при диаметре d_н = 38 мм и толщине стенки δ_ст= 2 мм.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε=0,4—0,6. Примем ε = 0,6.

Плотность раствора Na₂CO₃, находиться по табл. 181 [10].

ρ₁ = 1041,0 кг/м³; ρ₂= 1068,0 кг/м³; ρ₃=1388,0 кг/м³.            (23)

 

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

 

      (24)

 

      (25)

 

   (26)

 

Этим давлениям  соответствуют следующие температуры  кипения и теплоты испарения растворителя (табл. П57 ; [9])

Таблица 3 - Давление, температура и удельная теплота испарения

Р, МПа	t,оС	r, кДж/кг
Р1ср=0,682	t1ср=163,1	r1 =2078,6
Р2ср=0,367	t2ср=139,6	r2=2151,0
Р3ср=0,0204	t3ср=59,7	r3=2358,0

 

Находим гидростатическую депрессию  по корпусам:

=t_1ср- t_вп1=163,1-161,5=1,6 ^оС                         (27)

 

=t_2ср- t_вп2=139,6-135,9=3,7 ^оС                           (28)

 

   =t_3ср- t_вп3=59,7-27,1=32,6 ^оС                               (29)

 

Сумма гидростатических депрессий:

∑ = + + =1,6+3,7+32,6=37,9 ^оС         (30)

 

Температурную депрессию  определим по уравнению:

 

= 1,62 .                                   (31)

 

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

_атм – температурная депрессия при атмосферном давлении [5].

Находим значение по корпусам:

 ^ºС           (32)

 ^{°С       (33)}

^ºС           (34)

Сумма температурных депрессий:

 ^°С      (35)

 

В аппаратах  с вынесенной зоной кипения как  с принудительной, так и с естественной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой. Кипение в греющих трубках предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по сравнению с температурой кипения на верхнем уровне раздела фаз. Поэтому температуру кипения раствора в этих аппаратах определяют без учета гидростатических температурных потерь . Перегрев раствора t_пер может быть найден из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Уравнение теплового баланса для j-го корпуса записывается в следующем виде:

 

G_нj∙c_нj∙ (t_кj-1 - t_кj) + M∙c_нj∙ t_перj = ω_j∙ (_{Iвп j} - c_в∙tк_j)              (36)

 

Для первого корпуса t_кj-1 – это температура раствора, поступающего в аппарат из теплообменника-подогревателя.

В аппаратах с естественной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора u = 0,6 – 0,8 м/с. Примем u = 0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:

M = v ∙ S ∙ ρ,                                    (37)

где S- сечение потока в аппарате (м²), рассчитываемая по формуле:

                                          (38)

где d_вн – внутренний диаметр труб, d_вн =0,034 м;

Н – принятая высота труб, H= 6 м.

 

 м²                                             (39)

M₁ = 0,8*0,083*1041 = 69,1 кг/с                           (40)

 

 м²                                  (41)

M₂ = 0,8*0,103*1068 = 88,0 кг/с                           (42)

 

 м²                                  (43)

M₃ = 0,8*0,136*1388 = 151,0 кг/с                           (44)

Таким образом, температура перегрева в j-м аппарате равна

∆t_{пер j} =              (45)

Для расчета  удельной теплоемкости двухкомпонентных (вода + растворенное вещество) разбавленных водных растворов (х < 0,2) пользуются приближенной формулой:

                                           (46)

Здесь 4190 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость воды; Х – концентрация растворенного вещества, масс. доли.

С_н1=4190(1-0,0402)=4020 Дж/(кг·К)=4,02 кДж/(кг·К)             (47)

С_н2=4190(1-0,068)=3905 Дж/(кг·К)=3,905 кДж/(кг·К)             (48)

 

Для концентрированных  двухкомпонентных водных растворов (Х > 0,2) расчет ведут по формуле [9]

,                                    (49)

где c₁ – удельная теплоемкость безводного растворенного вещества, Дж/(кг·К).

Удельную теплоемкость химического соединения при отсутствии экспериментальных данных можно  ориентировочно рассчитать по уравнению

                          (50)

где М – молекулярная масса химического соединения;

      с – его массовая удельная теплоемкость, Дж/(кг · К);

      n₁, n₂, n₃, ... – число атомов элементов, входящих в соединение;

     c₁, с₂, c₃, ... – атомные теплоемкости, Дж/(кг∙атом К).

Мс_н3= кДж/(кг·атом·К)                     (51)

С_н3=4190(1-0,35)+154^. 0,35=2777,4 Дж/(кг·К)=2,77 кДж/(кг·К)        (52)

 

С_в – теплоемкость воды, С_в =4,19 кДж/(кг·К)          

∆t_пер1 =                     (53)

∆t_пер1 =

 

∆t_пер2 =                      (54)

∆t_пер2 =

 

∆t_пер3 =                      (55)

∆t_пер3 =

 

Температурные потери               (56)

 

Температуры кипения  раствора по корпусам

t_к1 = t_r2 + ∆₁′ + ∆₁′′′+ = 160,5 + 0,65 + 1,0 + = 165,4 °С          (57)

t_к2 = t_r3 + ∆₂′ + ∆₂′′′+ = 134,9+0,96+1,0 + =140,0 °С                (58)

t_к3 = t _{бк 3} + ∆₃′ + ∆₃′′′+ =26,1+4,03+1,0+ =34,21°С                    (59)

 

1.1.3 Полезная разность температур

Полезные разности температур по корпусам равны:

 ^°С;                     (60)

^°С;                      (61)

^°С.                      (62)

Тогда общая полезная разность температур:

∑Δt_п =11,8+20,5+100,69= 132,99 ^оС.                             (63)

Проверим общую  полезную разность температур:

                              (64)

1.1.4 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:

Q₁ = D ∙ (I_r1 – i₁) = 1,03 ∙ [G_н ∙ с_н ∙(t_k1 – t_н) + w₁ ∙ (I_вп1 – c_в ∙ t_k1) + Q_1конц];            (65)

Q₂ = w₁ ∙ (I_r2 – i₂) = 1,03 ∙ [(G_н – w₁) ∙ c₁ ∙(t _k2 – t_k1) + w₂ ∙ (I_вп2 – c_в ∙ t_k2) + Q_2конц];        (66)

Q₂ = w₂ ∙ (I_r2 – i₂) = l,03 ∙ [(G_н – w₁ – w₂) ∙ c₂ ∙ (t_k3 – t_k2) + w₃ ∙ (I_вп3 – c_в ∙ t_k3) + Q_3конц]; (67)

W = w₁ + w₂ + w₃.                                                  (68)

 

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

 Q₁, Q₂, Q₃ – тепловые нагрузки по корпусам, кВт;

D – расход греющего пара в 1-й корпус, кг/с;

 I₁, I₂, I₃ – энтальпии греющих паров по корпусам, кДж/кг;

I _вп1, I _вп2, I _вп3 – энтальпии вторичных паров по корпусам, кДж/кг;  
      t_н – температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе;

i₁, i₂, i₃ – энтальпии конденсата по корпусам, кДж/кг [9];

с_в – теплоёмкость воды, кДж/(кг∙К);

с₁, с₂, с₃ – теплоёмкости раствора с начальной концентрацией в первом корпусе и втором корпусах соответственно, кДж/(кг∙К) [10];  
       Q_1конц, Q_2конц, Q_3конц – теплота концентрирования по корпусам, кВт;

t_н – температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе, °С, ∆_н′ – температурная депрессия для исходного раствора, равная

t_нl = t_вп1 + ∆_н′ = 161,5 + 0,33= 161,83 °С                       (69)

При решении уравнений (65) – (68) можно принять:

;    ;

Анализ зависимостей теплоты  концентрирования от концентрации и  температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса:

Q_3конц = G_cyx ∙ ∆q = G_п ∙ Х_н ∙ ∆q ,                              (70)

где G_cyx – производительность аппарата по сухому веществу Na₂CO₃, кг/с;  
             ∆q – разность интегральных теплот растворения при концентрациях Х₂ и Х₃, кДж/кг [10]

Q_3конц = 5,55 *0,03 ∙ (338,1-288,7) = 8,22 кВт.

Сравним Q_3конц с ориентировочной нагрузкой для 3-го корпуса Q_3ор:

Q_3ор = (G_н – w₁ – w₂) c₂ (t_k3 – t_k2) + w₃(I_в3 – c_в∙t_k3)               (71)

Q_3ор = (5,55 – 1,41-1,69) ∙ 3,905 ∙ (63,73-140,56) + 1,97 ∙ (2543,5 – 4,19∙63,73) = 3749,6 кВт.

                              (72)

Q_3конц составляет значительно меньше 3 % от Q_3ор, поэтому в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_3конц.

 

I₁=2782,4 кДж/кг ;    i₁=667,9 кДж/кг

I₂=2768,4 кДж/кг ;    i₂=572,7 кДж/кг

I₃=2732,8 кДж/кг ;    i₃=106,5 кДж/кг

 

Получим систему уравнений:

Q₁ = D (2782,4-678,5) = 1,03[5,55∙4,06∙(165,4– 161.83) ∙W₁∙(2768,4 –4,19∙165,4)]

Q₂ = W₁ (2768,4-567,3) = 1,03 [(5,55 – W₁) ∙ 4,02∙ (140,0-165,4)∙ 
∙W₂ (2732,8 – 4,19∙140,0)]

Q₃ = W₂ (2732,8-106,5) = 1,03 [(5,55 – W₁ – W₂) ∙ 3,905 ∙ (34,21-140,0) ∙  
∙ W₃ (2543,5 – 4,19 ∙34,21)];