Испытание двухкорпусной выпарной установки

Содержание

 

1 Испытание двухкорпусной выпарной установки………………………. 3

1. Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки…….. 3
2. Опытные данные испытания установки……………………………... 6
3. Обработка опытных данных………………………………………….. 7
2. Список используемых источников…………………………………….. 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель работы: изучение двухкорпусной выпарной установки непрерывного действия, определение количества выпариваемой воды, коэффициентов теплопередачи по корпусам и удельного расхода греющего пара.

 

1 Испытание двухкорпусной выпарной установки

1.1 Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки

 

Выпарная установка (рисунок 1) состоит  из двух аппаратов 1 и 1а с внутренней греющей камерой и  центральной  циркуляционной трубой. Выпарной аппарат  состоит из двух основных частей: греющей  камеры, в которой происходит кипение  раствора, и сепаратора, в котором  вторичный пар отделяется от раствора. Высота выпарного 1500 мм, диаметр 408 мм, поверхность теплообмена 1,5 м² .

Водный раствор глицерина из бака 2, снабженного  указателем уровня, центробежным насосом 13 подается в  выпарной аппарат 1. Расход раствора измеряется ротаметром 7. Обогрев корпуса 1 осуществляется насыщенным водяным паром, поступающим  от электропарового котла.  Давление пара в трубопроводе измеряется  манометром и регулируется клапанами. Вторичный пар из корпуса 1 проходит брызгоуловитель 5 и поступает в  греющую камеру корпуса 1а.

Раствор, упаренный до некоторой концентрации в корпусе 1,  под действием разности давлений  поступает в корпус 1а, где упаривается до заданной концентрации. Концентрированный раствор из корпуса 1а, пройдя через холодильник 9 и фонарь 16, поступает в сборники упаренного раствора 3 или 4, работающие попеременно. По мере их заполнения упаренный раствор переливается в бак 2.

Вторичный пар из корпуса 1а проходит через брызгоуловитель 5а и поступает  в барометрический конденсатор 6, орошаемый водой. Расход воды измеряется ротаметром 8. Смесь воды и конденсата удаляется из конденсатора самотеком  через барометрическую трубу  в барометрический ящик 10, а затем  в канализацию. Воздух из барометрического конденсатора отсасывается вакуум-насосом 14. Концентрацию разбавленного и  упаренных растворов в корпусах 1 и 1а определяют ареометром. Давление в аппаратах измеряются манометрами, вынесенными на щит КИП. Измерение  температур конденсата и поверхности  аппаратов производится термометрами сопротивления, работающими в комплекте  с лагометрами. Отбор проб исходного  и упаренного растворов производится через пробоотборники.

Перед пуском установки необходимо: Закрыть все воздушные краны  и вентили на линии вакуума, паровой  линии и линии раствора. Проверить  наличие исходного раствора в  баке 2. Проверить наличие воды в  водопроводе.

 

I, Iа – выпарные аппараты; 2 –  бак-хранилище; 3, 4 – сборники упаренного  раствора; 5, 5а – брызгоуловители; 6 – барометрический конденсатор; 7, 8 – ротаметры; 9 – холодильник; 10 – барометрический ящик; 11, 12 –  сборнки конденсата; 13 – центробежный  насос; 14 – водокольцевой вакуум-насос; 15 – водоотделитель; 16 – смотровой фонарь

Рис. 1 – Схема двухкорпусной выпарной установки

 

Пуск установки   производить  следующим образом: Открыть вентили  на отборных устройствах манометров и вакуумметров. Подать воду в холодильник  упаренного раствора. Затем заполнить  аппарат 1 исходным раствором из бака 2 с помощью наноса 13 через ротаметр 7 до верхней  красной черты и  подать пар на установку. Продуть  межтрубное пространство греющей камеры первого корпуса по обводной линии. После продувки направить  конденсат  через конденсационные горшки и  нагреть раствор до кипения. После  того, как раствор в корпусе 1 начнет  кипеть, следует создать вакуум во втором аппарате. Под действием разности давлений раствор из корпуса 1 начнет самотеком переливаться в корпус 1а. Перелив раствора производить  до тех пор,  пока уровень в  корпусе 1 не достигнет нижней красной  черты. После этого первый аппарат  заполнить до верхней красной  черты и процесс повторить. Когда  во втором аппарате уровень раствора достигнет красной черты, заполнение системы прекращают и начинают  процесс выпаривания. Далее необходимо продуть греющую камеру второго аппарата, выпустив часть пара по обводной линии. Затем конденсат направить через конденсационный горшок. Установить по ротаметру указанный преподавателем расход исходного раствора в первый корпус. Начать подачу раствора из корпуса 1 в корпус 1а. для чего открыть регулирующий вентиль на линии раствора между корпусами с таким расчетом, чтобы уровень в первом аппарате не опускался ниже красной черты. Одновременно с началом подачи раствора подать воду в барометрический конденсатор. Расход воды установить по ротаметру 8. Подключить к корпусу 1а сборники упаренного раствора. Пустив, таким образом, всю установку, обязательно при непрерывной подаче раствора в аппараты, дать ей поработать 40-45 минут. После этого приступить к замерам. Измерения производятся  через каждые 10-15 минут 3-4 раза. Результаты наблюдений  сводятся в таблицу 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Опытные данные испытания установки

                    Табл. 1.1 - измеренные данные

Наименование величины	Значения
Расход исходной смеси, кг/с	0,055∙10-3
Расход воды на барометрический конденсатор, кг/с	1,033
Давление греющего пара, Па	39,24∙10-4
Температура греющего пара, оС	142,9
Температура исходного раствора, оС	20
Давление в корпусе 1, Па	19,62∙10-4
Температура вторичного пара в первом корпусе, оС	119,6
Температура кипения раствора в корпусе 1, оС	130
Давление во втором корпусе, Па	2,943∙10-4
Температура вторичного пара в корпусе 1а, оС	68,7
Температура  кипения раствора во втором  корпусе, оС	80
Концентрация исходного раствора, % масс.	5
Концентрация раствора после  первого  корпуса, % масс.	15
Концентрация раствора после второго  корпуса, % масс.	20
Температура поверхности первого   аппарата, оС	30
Температура поверхности второго  аппарата, оС	25
Температура холодной воды, 0С	15
Температура смеси в барометрической  трубе, 0С	40
Температура воздуха, 0С	20

 

1.3 Обработка опытных данных

 

    Рассчитываем материальный  баланс установки. 

Для этого находим количество воды, выпариваемой в первом корпусе по формуле (1.1)

                                         W₁ = G_н (1 – ),                                                    (1.1)   

 

где G_н – количество исходного раствора,  кг/с; 

Х_н, Х_к1 – концентрация исходного и упаренного раствора после корпуса 1, % масс.

 

При этом объемный расход  исходной смеси  V, м³/с необходимо перевести в массовый G_н, кг/с (1.2)

                                                G_н = V ∙ ρ_см,                                                     (1.2)

 

где ρ_см – плотность исходной смеси, кг/м³.

 

                                                ρ_см = ,                                        (1.3)

 

где ρ_гл – плотность исходного раствора глицерина при 20ºС, кг/м³;

ρ_Н2О – плотность воды, кг/м³.

    ρ_см = = 1010 кг/м³

 

 

G_н = 0,055 ∙ 10^-3 ∙ 1010 = 55,55 ∙ 10^-3 кг/с

W₁ = 55,55 ∙ 10^-3 (1 – ) = 37,03 ∙ 10^-3 кг/с

 

Далее найдем количество воды, выпариваемой во втором корпусе по формуле (1.4)

                                            W₂ = G_к2 (1 – ),                                                       (1.4)

 

где G_к2 – количество раствора, поступающего из первого во второй корпус, кг/с;

Х_к2 – конечная концентрация раствора во втором корпусе, % масс.

 

                                                G_к2 = G_н – W₁                                                          (1.5)

G_к2 = 55,55 ∙ 10^-3 – 37,03 ∙ 10^-3 = 23,29 ∙ 10^-3 кг/с

 

W₂ = 18,516 ∙ 10^-3 (1 –) = 4,63 ∙ 10^-3 кг/с

 

Далее определяем общее количество воды, выпариваемой в первом и втором корпусах (1.6)

                                         W = W₁ + W₂ = G_н (1 – )                                   (1.6)

 

W = 37,03 ∙ 10^-3 + 4,63 ∙ 10^-3 = 55,55 ∙ 10^-3 (1 – ) = 41,66 ∙ 10^-3 кг/с

 

    Далее определяем тепловой  баланс установки по корпусам.

Найдем расход тепла на выпаривание в первом  корпусе по уравнению (1.7)

                                           Q₁ = Q_n1 + Q_исп1 + Q_пот1,                                       (1.7)

 

где Q_n1 – количество тепла, затраченное на нагрев исходного раствора от начальной температуры t_H до температуры кипения t_K1, Вт;

Q_исп1 – количество тепла, которое необходимо затратить на выпаривание воды в первом корпусе, Вт;

Q_пот1 – потери тепла в окружающую среду первым корпусом установки, Вт.

 

Количество тепла, затраченное  на нагрев исходного раствора от начальной  температуры t_H до температуры кипения t_K1, определяется по уравнению (1.8)

                                              Q_n1 = G_н∙ С_н (t_к1 – t_н),                                         (1.8)

 

где C_н – удельная теплоемкость исходного раствора,  Дж/кг К.

 

Для расчета удельной теплоемкости двухкомпонентных разбавленных водных растворов (Х<2) пользуются приближенной формулой (1.9)

 

                                                   С_н = 4190 (1 – Х),                                         (1.9)

 

где 4190 – удельная теплоемкость воды, Дж/кг∙К;

Х – концентрация растворенного вещества, % масс.

 

С_н = 4190 (1 – 0,05) = 3980,5 Дж/кг∙К

 

Q_n1 = 55,55 ∙ 10^-3 ∙ 3980,5 (130 – 20) = 24323 Вт

 

Количество тепла, которое необходимо затратить на выпаривание воды в  первом корпусе находим по уравнению (1.10)

 

                                                 Q_исп1 = W₁ ∙ r₁,                                             (1.10)

 

где r₁ – удельная теплота парообразования при давлении в корпусе 1, Дж/кг.

Q_исп1 = 37,03 ∙ 10^-3 ∙ 2208∙ 10³ = 81762,2 Вт

 

Потери тепла в окружающую среду  первым корпусом установки можно  определить по уравнению (1.11)

                                          Q_пот1 = α₁∙ F_н1 (t_ст1 – t_возд),                                    (1.11)

 

где a₁ – суммарный коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к воздуху,  Вт/м² ºС;

F_н1 – наружная поверхность выпарных аппаратов (F_н1 = 1,92 м²);

t_возд., t_ст1 – температура воздуха и стенки аппарата, ^оС.

 

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением от стенки аппарата к воздуху вычисляются по формуле (1.12)

 

                                              α₁ = 9,74 + 0,07 (t_ст1 – t_возд)                             (1.12)

 

     α₁ = 9,74 + 0,07 (30 – 20) = 10,44 Вт/м²  ºС

 

Q_пот1 = 10,44 ∙ 1,92 (30 – 20) = 200,4 Вт

 

Q₁ = 24323 + 81762,2 + 200,4 = 106285,6 Вт

 

    Затем найдем  расход тепла на выпаривание во втором корпусе по уравнения (1.13)

                                      Q₂ = Q_{самоисп} + Q_исп2 + Q_пот2,                                   (1.13)

 

где Q_{самоисп} – количество теплоты, выделяющееся  при охлаждении выпариваемого раствора от температуры  кипения в первом корпусе t_K1 до температуры кипения t_K2 во втором корпусе, Вт;

Q_исп2 – Количество тепла, затраченное на испарение воды во втором корпусе, Вт;

Q_пот2 – потери тепла в окружающую среду вторым корпусом установки, Вт.

 

Количество тепла, затраченное  на нагрев исходного раствора от начальной  температуры t_H до температуры кипения t_K1, определяется по уравнению (1.14)

                                        Q_{самоисп}= G_к1∙ С_к1 (t_к2 – t_к1),                                    (1.14)

 

где С_к1 - удельная теплоемкость раствора, поступающего из первого во второй корпус, Дж/кг К.

С_к1 = 4190 (1 – 0,15) = 3561,5

 

Q_{самоисп}= 18,516 ∙ 10^-3 ∙ 3561,5 (80 – 130) = –3297,2 Вт

 

Количество тепла, затраченное  на испарение воды во втором корпусе (1.15)

                                                 Q_исп2 = W₂ ∙ r₂,                                             (1.15)

 

где r₂ - удельная теплота парообразования при давлении во втором корпусе, Дж/кг.

Q_исп2 = 4,63 ∙ 10^-3 ∙ 2336∙ 10³ = 10815,7 Вт

 

Потери тепла в окружающую среду  вторым  корпусом установки можно  определить по уравнениям (1.16)

 

                                          Q_пот2 = α₁∙ F_н2 (t_ст2 – t_возд),                                    (1.16)

 

где a₂ – суммарный коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к воздуху,  Вт/м² ºС;

F_н2 – наружная поверхность выпарных аппаратов (F_н1 = 1,92 м²);

t_возд., t_ст2 – температура воздуха и стенки аппарата, ^оС.

 

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением от стенки аппарата к воздуху вычисляются по формуле (1.17)

 

                                              α₂ = 9,74 + 0,07 (t_ст2 – t_возд)                             (1.17)

 

     α₂ = 9,74 + 0,07 (25 – 20) = 10,09 Вт/м²  ºС

 

Q_пот2 = 10,09 ∙ 1,92 (25 – 20) = 96,9 Вт

 

Q₂ = –3297,2 + 10815,7 + 96,9 = 7615,4 Вт

 

    Далее находим коэффициенты  теплопередачи по корпусам.

Коэффициенты теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи  для выпаривания (1.18)

                                                  

                                                 

,                                              (1.18)

 

где Q – расход тепла на выпаривание в корпусе, Вт;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/м² К;

F – поверхность теплообмена, м²; 

Δ t_пол – полезная  разность температур (движущая сила процесса), ºС.

 

Определяем коэффициент теплопередачи для первого корпуса по формуле (1.19)

                                                     

,                                            (1.19)

 

где Q₁ – расход тепла на выпаривание в первом корпусе, Вт;

F₁ – поверхность теплообмена первого корпуса, м²; 

Δ t_пол1 – полезная  разность температур в первом корпусе, ºС.

 

Полезная разность температур в первом корпусе равна (1.20)

 

                                            

,                                          (1.20)

 

где t_гр.п.– температура греющего пара, ^оС.

 

Δt_пол1 = 142,9 – 130 = 12,9 ºС

 

к₁ = = 4291,2 Вт/м²К

 

Определяем коэффициент теплопередачи для второго корпуса по формуле (1.21)

                                                    

,                                            (1.21)

 

где Q₂ – расход тепла на выпаривание во втором корпусе, Вт;

F₂ – поверхность теплообмена второго корпуса, м²; 

Δ t_пол2 – полезная  разность температур во втором корпусе, ºС.

 

Полезная разность температур во втором корпусе равна (1.22)

 

                                                    

,                                   (1.22)

 

где t_вт.п.– температура вторичного пара первого корпуса, ^оС.

 

Δt_пол2 = 119,6 – 80 = 39,6 ºС

к₂ = = 100,1 Вт/м²К

Найдем расход воды на барометрический  конденсатор по формуле (1.23)

 

                               G_в = = ,                  (1.23)

 

где i’ – удельная энтальпия конденсата при выходе из конденсатора, Дж/кг;

i” – удельная энтальпия вторичного пара, Дж/кг;

t_в.нач, t_в.кон – начальная и конечная температуры охлаждающей воды,ºС;

С и С_ж – средние и удельные теплоемкости воды и конденсата, Дж/кгК;

r – теплота конденсации, Дж/кг;

t₀, t_ω – температура конденсации и конечная температура конденсата,ºС.

 

G_в = = 4,63 ∙ 10^-3

G_в = 1,033 кг/с

 

    Определяем расход греющего пара.

 Расход первичного пара находят по уравнению (1.24)

                                                      

                                                        

,                                                (1.24)

 

где r – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

x – паросодержание (степень сухости) греющего пара (x=0,95).

 

Д = = 52,2∙ 10^-3 кг/с

 

Расход  греющего пара на 1 кг выпаренной воды определяют по формуле (1.25)

                                                             d =                                     (1.25)

 

            d = = 1,25 кг/с

 

 

Вывод: в данной лабораторной работе мы изучили двухкорпусную выпарную установку непрерывного действия и определили удельный расход греющего пара, который равен d = 1,25 кг/с.

 

 

 

2 Список используемых источников

 

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 3-е. В 2-х кн. / Ю.И. Дытнерский. – М.: Химия, 2002. –кн.1. - 400 с.: ил. -кн. 2. -368 с.: ил.
2. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 14-е изд., пер. и доп. / К.Ф. Павлов, Н.Г. Романков, А.А. Носков. – Л.: Химия, 1981. - 560 с.