Расчёт выпарной непрерывной установки

                                                     Содержание 
 

Реферат…………………………………………………………………………………...3

Введение………………………………………………………………………………….4

1. Основные условные обозначения …………………………………………………...5

2 Принципиальная схема установки и её описание…………………………………...6

3. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата…………………..8

3.1.Первое приближение………………………………………………………………...8

3.1.1. Концентрации упариваемого раствора…………………………………………..8

3.1.2. Температуры кипения растворов………………………………………………...9

3.1.3. Полезная разность температур…………………………………………………..12

3.1.4. Определение тепловых нагрузок………………………………………………..13

3.1.5. Выбор конструкционного материала…………………………………………...14

3.1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи………………………………………....14

3.1.7. Распределение полезной разности температур………………………………...23

3.1.8 Повторный  расчет коэффициентов теплопередачи  ………………………..…..24

3.1.9. Распределение  полезной разности температур. ………………………..…..….31

3.2.Второе приближение……………………………………………………………….32

3.2.1. Уточненный расчет поверхности теплопередачи……………………………...32

3.2.1.1. Расчет тепловых нагрузок……………………………………………………..33

3.2.1.2. Расчет коэффициентов теплопередачи……………………………………….33

3.2.1.3 Распределение полезной разности температур……………………………….42

3.2.1.4. Расчет поверхности теплопередачи выпарных аппаратов…………………..42

4. Определение толщины тепловой изоляции……… ………………………………..43

5. Расчет барометрического конденсатора……………………………………………44

5.1. Расход охлаждающей воды………………………………………………………..44

5.2. Диаметр конденсатора……………………………………………………………..45

5.3. Высота барометрической трубы…………………………………………………..45

5.4. Расчет производительности вакуум-насоса……………………………………....46

6. Тепловой расчет……………………………………………………………………...47

6.1. Расчет теплообменника-подогревателя…………………………………………..47

7. Мероприятия  по технике безопасности…………………………………………….49

Список литературы……………………………………………………………………..50 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                       Реферат

        В задании на курсовое проектирование  проводится расчёт выпарной непрерывной установки.

        Тип выпарной установки- трехкорпусная с выпарными трубчатыми аппаратами с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой.

         Целью расчёта выпарной установки  является определение основных  размеров аппарата(диаметра и высоты), балансов, подбор дополнительного оборудования.

         Были изучены мероприятия по  технике безопасности на предприятиях  химической промышленности и  оказание первой помощи пострадавшим. 
 
 

Количество страниц-50

Количество таблиц-6

Количество рисунков-9

Библиограф-5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                             Введение

            В химической и смежной с  ней отраслях промышленности  жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического  теплового потока и др.), так  и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также конструкциям выпарных аппаратов.

            Такое разнообразие требований вызывает определённые сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор  является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Основные условные обозначения

c - теплоемкость, 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 ;

H - высота, м ;

i, I - энтальпия жидкости и пара, кДж/кг ;

K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К) ;

P - 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/c ;

x - концентрация, % (масс.) ;

a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²×К) ;

l - теплопроводность, Вт/(м×К) ;

m - вязкость, Па×с ;

r - плотность, кг/м³ ;

s - поверхностное натяжение, Н/м ;

Re - критерий Рейнольдса ;

Индексы :

1, 2, 3,4 - первый, второй, третий, четвёртый корпус выпарной установки ;

в - вода ;

вп - вторичный  пар ;

г - греющий пар ;

ж - жидкая фаза ;

к - конечный параметр ;

н - начальный  параметр ;

ср - среднее  значение ;

ст - стенка . 

                     2. Принципиальная схема установки и её описание.

Рис.1. Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:

1— емкость исходного раствора; 2.10  — насосы; 3 — теплообменник-подогреватель; 4 —6  выпарные аппараты: 7 — барометрический конденсатор, 8 — вакуум-насос. 9 - гидрозатвор; 11 - емкость упаренного раствора;   12-   конденсатоотводчик 

В приведенном  ниже типовом примере расчета  трехкорпусной установки, состоящей  из выпарных   аппаратов   с  принудительной циркуляцией и кипением   раствора в трубах, даны также рекомендации по расчету выпарных аппаратов некоторых других типов: с естественной циркуляцией, вынесенной зоной кипения, пленочных.

Принципиальная  схема трехкорпусной выпарной установки  показана на рис. 4.1. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости  1 центробежным насосом 2 подается з теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем — в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

   Первый  корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется з качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный  переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе кон 
центрированный раствор центробежным насосом-/0- подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих  паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотвод-чиков 12. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата. 

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

F=Q/(K×Dt_п)

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

3.1.Первое приближение. 

Производительность  установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса :

W = G_н×(1 - х_н/х_к)

Подставив получим :

W = 30000/3600×(1 - 10/38) = 6,116 кг/с 

      3.1.1. Концентрации 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 :

w₁ : w₂ : w₃: =1,0 : 1,1 : 1,2

Тогда

w₁ = 1,0×W/ (1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,0×W/ 3,3 = 1.0×6,116/ 3,3 = 1,85 кг/с

w₂ = 1,1×W/ 3,3 = 1,1×6,116/ 3,3 = 2,04кг/с

w₃ = 1,2×W/ 3,3 = 1,2×6,116/ 3,3 =2,22кг/с

х₁ = G_н×х_н / (G_н - w₁) = 8,33·0,1/ (8,33 – 1,85) = 0,13 или 13%

х₂ = G_н×х_н / (G_н - w₁ - w₂) = 8,33·0,1/ (8,33 – 1,85 -2,04) = 0,19 или  19%

х₃= G_н×х_н / (G_н - w₁ - w₂ - w₃) = 8,33·0,1/ (8,33 –1,85-2,04-2,22) = 0,38 или 38 %

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

      3.1.2 Температуры кипения растворов. 

      Общий перепад давления в установке  равен :

1мм.рт.ст.=133,325 Па

133,325-80=53,325 Па=0,05 МПа

DР_ОБ  =Р _Г1 - Р_БК  = 1-0,05= 0,95 МПа

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

Р_Г1  = 1 МПа

Р_Г2  =Р _Г1 - DР_ОБ  / 3 =1  - 0,95 / 3 = 0,68МПа

                               Р_Г3  =Р _Г2 - DР_ОБ  / 3 = 0,68-0,95 / 3 =0,36 МПа

                               Давление пара в барометрическом конденсаторе :

Р_БК  =Р _Г3 - DР_ОБ  / 3=0,36 -0,95  / 3 = 0,05МПа

что соответствует  заданному значению Р_БК .

      По  давлениям паров находим их температуры и энтальпии :

Таблица1-Температуры  греющих паров

      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 в следствии 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 SD от температурной ( D^I ) , гидростатической ( D^II ) и гидродинамической ( D^III ) депрессий :

SD =  D^I + D^II + D ^III

      Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей  давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают D^III = 1.0 - 1.5 град. на корпус. Примем  D^III = 1 град.  Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ⁰ С) равны :

t_ВП1 = t_Г2 + D₁^III  =163,77+ 1,0 = 164,77

t_ВП2 = t_Г3 + D₂^III  = 133,57 + 1,0 = 134,57

t_ВП3 = t_Г4+ D₃^III  = 81,36 + 1,0 =82,36

Сумма гидродинамических  депрессий :

SD^III = D₁^III + D₂^III + D₃^III = 1 + 1 + 1= 3 ⁰ C.

      По  температурам вторичных паров определяем их давление и энтальпию. Они равны  соответственно :

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_вп+ρgН(1-ε)/2

где Н-высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ-плотность кипящего раствора, кг/м³;

ε-поронаполнение, м³ /м³.

      Для выбора значения Н необходимо оринтеровочно оценить поверхность  теплопередачи выпарного аппарата F_ор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляцией q=40000-80000 Вт/м². Примем q=40000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса оринтеровочно равна:

                                      F_ор=Q/q=(ω₁r₁)/q=     ·     ·1000/40000= м²  

r₁- теплота парообразования вторичного пара,Дж/кг

Примем высоту кипятильных труб Н= 5м при диаметре d_п=38мм и толщине стенки δ_ст=2 мм.

При пузырьковом  режиме кипения паронаполнение составляет  ε=0,4-0,6. Примем   ε=0,5. Плотность водного раствора К₂СО₃ ,   при соответствующих концентрациях в корпусах равна:

       ρ₁= 1120 кг/м³;   ρ₂= 1180 кг/м³ ;   ρ₃= 1283,3 кг/м³ .

При определение  плотности раствора пренебрегаем изменением её с повышением температуры ввиду малого значения коэффициента объёмного расширения и оринтеровочно принятого значения паронаполнения.

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

            Р_ср1=Р_вп1+ρgН(1-ε)/2= 701500+5·1120· 9,81·(1-0,5)/2= 715234 Па=0,7152МПа                                  

                  Р_ср2=Р_вп2+ρgН(1-ε)/2= 309400 +5·1180· 9,81· (1-0,5)/2= 323869 Па=0,3239 МПа

                  Р_ср3=Р_вп3+ρgН(1-ε)/2= 50000+5·1283,3·9,81· (1-0,5)/2= 65736,5 Па=0,0657 МПа 
 
 
 

Этим давлениям  соответствуют температуры кипения и теплоты испарения воды:

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ⁰ C):

                                    D₁^II=t_ср1-t_вп1=165,8-164,77=1,03

                                    D₂^II=t_ср2-t_вп2=135,9-134,57=1,33

                                    D₃^II=t_ср3-t_вп3=85,77-82,36=3,41

                                    Сумма гидростатических депрессий

                               ΣD^II=D₁^II+D₂^II+D₃^II=1,03+1,33+3,41=5,77 ⁰ C

Температурную депрессию определим по уравнению

                                       D^I=1,62·0,01·D^I_атм ·Т²/r_вп

где Т-температура  паров в среднем слое кипятильных труб, К;  D^I_атм- температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значения D^I по корпусам (в ⁰ C):

                                        D^I₁=1,62·0,01· (165+273)²·1,3/2070=1,96

                                        D^I₂=1,62·0,01· (135,9+273)²·1,9/2180=2,36

                                        D^I₃=1,62·0,01· (785,77+273)²·3,8/2303=3,44

                                     Сумма температурных депрессий

                            ΣD^I=D^I₁+D^I₂+D^I₃ =1,96+2,36+3,44=7,76⁰ C 

      Температуры кипения растворов в корпусах равны(в ⁰ C) :

t_K1 = t_Г2 + D₁^I +D₁^II +D₁^III = 163,77+1,96+1,03+1= 167,76 ⁰ C

t_K2 = t_Г3 + D₂^I+D₂^II + D₂^III = 133,57+2,36+1,33+1 = 138,26 ⁰ C

t_K3 = t_бк + D₃^I +D₃^II + D₃^III = 81,36+3,44+3,41+1 = 89,21⁰ C 
 
 
 

3.1.3. Полезная разность температур.