Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева

Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ярославский государственный технический университет

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева

Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

ПАХТ 0108.250600.16. КП

Преподаватель, к. т. н.,

Доцент Галицкий И. В.

Проект выполнил студент гр. ХТЭ-48

Кузницкая В.Ф.____

2008

Содержание

Реферат

Введение

1. Основные условные обозначения

2. Принципиальная схема установки и её описание

3. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

3.1 Первое приближение

3.1.1 Концентрации упариваемого раствора

3.1.2 Температуры кипения растворов

3.1.3 Полезная разность температур

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

3.1.5 Выбор конструкционного материала

3.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

3.1.7 Распределение полезной разности температур

3.2 Второе приближение

3.2.1 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

3.2.1.1 Расчет тепловых нагрузок

3.2.1.2 Расчет коэффициентов теплопередачи

3.2.1.3 Распределение полезной разности температур

3.2.1.4 Расчет поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

4. Определение толщины тепловой изоляции

5. Расчет барометрического конденсатора

5.1 Расход охлаждающей воды

5.2 Диаметр конденсатора

5.3 Высота барометрической трубы

5.4 Расчет производительности вакуум-насоса

6. Тепловой расчет

6.1 Расчет теплообменника-подогревателя

7. Мероприятия по технике безопасности

Список литературы

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-31

Количество таблиц-6

Количество рисунков-1

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/(кгК) ;

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/(м2К) ;

P - давление, Мпа ;

Q - тепловая нагрузка, кВт ;

q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 ;

r - теплота парообразования, кДж/кг ;

t,T - температура, град.

, W - производительность по испаряемой воде, кг/c ;

x - концентрация, % (масс.) ;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) ;

- теплопроводность, Вт/(мК) ;

- вязкость, Пас ;

- плотность, кг/м3 ;

- 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 в 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 в 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 конденсатоотводчиков 12.

3. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

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

F=Q/(Ktп)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур tП 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 = Gн(1 - хн/хк)

Подставив получим:

W = 28000/3600(1 - 10/40) = 6,02 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,_W/--(1,_--+--1,1--+--1,2+1,3)--=--1,_W/--4,6--=--1,_6,_2/--4.6--=--1,31--кг/с

w2--=--1,1W/--4,6--=--1,16,_2/--4,6--=--1,44--кг/с

w3--=--1,2W/--4,6--=--1,26,_2/--4,6--=1,57--кг/с

w4--=--1,3W/--4,6--=--1,36,_2/--4,6--=1,7--кг/с

Далее рассчитывают концентрации раствора в корпусах:

х1--=--Gнхн--/--(Gн-----w1)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31)--=--_,12--или--12--%

х2--=--Gнхн--/--(Gн-----w1-----w2)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31---1,44)--=--_,155--или--15,5--%

х3=--Gнхн--/--(Gн-----w1-----w2-----w3)--=--7,78·_,1/--(7,78-----1,31-1,44-1,57)--=--_,44--или--44--%

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

3.1.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад давления в установке равен:

DРОБ--=Р--Г1-----РБК--=--_,6-_,_2=--_,58--МПа

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

РГ1--=--_,6--МПа

РГ2--=Р--Г1-----DРОБ--/--4--=_,6-----_,58--/--4--=--_,455--МПа

РГ3--=Р--Г2-----DРОБ--/--4--=--_,455-_,58--/--4=_,31--МПа

РГ4=РГ3-----DРОБ--/--4--=--_,31-_.58--/--4--=--_,165--МПа

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

РБК--=Р--Г4-----DРОБ--/--4=_,165---_,58--/--4=--_,_2--МПа

что соответствует заданному значению РБК .

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Таблица 1 - 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 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 ( ?I ) , гидростатической ( ?II ) и гидродинамической ( ?III ) депрессий:

SD--=--DI--+--DII--+--D--III

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

tВП1--=--tГ2--+--D1III--=1146,9--+--1--=--147,9--°С

tВП2--=--tГ3--+--D2III--=132,9--+--1--=--133,9--°С

tВП3--=--tГ4+--D3III--=--112,8--+--1--=--113,8--°--С

tВП4--=--tБК--+--?4III--=--59,6--+--1--=--6_,6--°С

Сумма гидродинамических депрессий:

SDIII--=--D1III--+--D2III--+--D3III--=--1--+--1--+--1--+--1--=--4--°C.

По температурам определяем давленте вторичных паров. Они равны соответственно:

РВП1 = 0,4624 МПа;

РВП2 = 0,3061 МПа;

РВП3 = 0,1633 МПа;

РВП4 = 0,0207 МПа;

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

Рср=Рвп+?gН(1-?)/2

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

?-поронаполнение, м3 /м3.

Для выбора значения Н необходимо оринтеровочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляцией q=20000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса оринтеровочно равна:

Fор=Q/q=(?1r1)/q=1,31·2081·1000/20000=136 м2

Примем высоту кипятильных труб Н= 4 м.

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

?1= 1110 кг/м3 ; ?2= 1145 кг/м3 ; ?3= 1219 кг/м3 ; ?4 = 1469 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:

Рср1 = Рвп1+?gН(1-?)/2 = 46,24 • 104 + 4·1110 · 9,81· (1-0,5)/2= 47,33 • 104 Па;

Рср2 = Рвп2+?gН(1-?)/2 = 30,61 • 104 + 4 · 1145 · 9,81· (1-0,5)/2= 31·104 Па;

Рср3 = Рвп3+?gН(1-?)/2 = 16,33 · 104 + 4 · 1469 · 9,81· (1-0,5)/2= 3,51·104 Па;

Рср4 = Рвп4 + ?gН(1-?)/2 = 2,07·104 + 4· 1469· 9,81· (1-0,5)/2 = 3,51·104 Па.

Этим давлениям соответствуют температуры кипения и теплоты испарения воды:

Pср1 = 0,4733 МПа tср1 = 148,82 0 C rвп1 = 2130 кДж/кг

Pср2 = 0,3173 МПаtср2 = 135,1 0 C rвп2 = 2170 кДж/кг

Pср3 = 0,1752 МПа tср3 = 114,5 0 C rвп3 = 2220 кДж/кг

Рср4 = 0,0351 МПа tСР4 = 69,2 0 С rвп4 = 2331 кДж/кг

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в 0 C):

D1II--=--tср1-----tвп1--=--148,82-----147,9--=--_,92;

D2II--=--tср2-----tвп2--=--135,1-----133,9--=--1,2;

D3II--=--tср3-----tвп3--=--114,5-----113,8--=--_,7;

?4II--=--tср4-----tвп4--=--69,5-----6_,6--=--8,9.

Сумма гидростатических депрессий

?DII=D1II+D2II+D3II=_,92--+--1,2--+--_,7--+--8,9--=--11,72--_С

Температурную депрессию определим по уравнению

DI=1,62·_,_1·DIатм--·Т2/rвп

где Т-температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; ?Iатм- температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значения ?I по корпусам (в 0 C):

DI1--=--1,62·_,_1·--(148,8+273)2·1,_8/213_--=--1,46--_С;

DI2--=--1,62·_,_1·--(135,1+273)2·1,57/217_--=--1,95--_С;

DI3--=--1,62·_,_1·--(114,5+273)2·2,75/222_--=--3,55--_С;

?4I--=--1,62•_,_1•(69,2--+--273)2--•1_/2331--=--8,14--_С.

Сумма температурных депрессий

?DI=DI1+DI2+DI3--=--1,46--+--1,95--+--3,55--+--8,14--=--15,1--_С

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

tK1--=--tГ2--+--D1I--+D1II--+D1III--=--146,9--+--1--+_,92--+--1,46--=--15_,28--_--C;

tK2--=--tГ3--+--D2I+D2II--+--D2III--=--132,9--+--1--+--1,2--+--1,95--=--137,6--_--C;

tK3--=--tГ4+--D3I--+D3II--+--D3III--=--112,8--+--1--+--_,7--+--3--=--117,5--_--C;

tК4--=--tБК--+--?4I--+--?4II--+--?4III--=--59,6--+--1--+--8,9--+--8,14--=--77,64--_С.

3.1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

SDtп--=--Dtп1--+--Dtп2--+--Dtп3

Полезные разности температур по корпусам ( в 0 С ):

Dtп1--=--tг1-----tк1--=--157,8-----15_,28--=--7,52--°С;

Dtп2--=--tг2-----tк2--=--146,9-----137,6--=--9,3--°С;--

Dtп3--=--tг3-----tк3--=--131,9-----117,5--=--15,4--°С;

?tп4--=--tг4-----tк3--=--112,8-----77,64--=--35,16--°С.

Общая полезная разность температур:

SDtп--=7,52--+--9,3--+--15,4--+--35,16--=--67,38--°С

Проверим общую полезную разность температур:

SDtп--=--tг1-----tбк-----(SDI--+--SDII--+--SDIII--)=157,8-----59,6-----(4--+--11,72--+--15,1)--=--67,38--_--С

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q1--=--D(--Iг1-----i1--)--=--1,_3[--Gнсн(--tк1-----tн--)--+--w1(--Iвп1-----свtr1--)--]--;

Q2--=--w1(--Iг2-----i2--)--=--1,_3[--(--Gн-----w1--)c1(--tк2-----t--к1--)--+--w2(--Iвп2-----свtr2--)--]--;

Q3--=--w2(--Iг3-----i3--)--=--1,_3[--(--Gн-----w1-------w2)c2(--tк3-----tк2--)--+--w3(--Iвп3-----свtr3--)--]--;

Q4=--?3--•--(Iг4-----i4)--=--1,_3--•--[--(Gк-----w1-------w2-----?3)--•--с3--•--(tк4-tк3)--+--?4--•--(--Iвп4-----свtг4--)--];

W--=--w1--+--w2--+--w3--+--?4--;--

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3 % потерю тепла в окружающую среду.

с - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом , втором и третьем корпусах, кДж / ( кгК ) [Приложение 1].

tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе tн = tвп1 + ?Iн = 146,9 + 1 = 147,9 0 С.

Q1--=--D(2768-----654)--=--1,_3----[--7,78----3,87----(15_,3-----148,8)--+--w1--(2749-----4,19----15_,3)]--;

Q2--=--w1(2749-----632)--=--1,_3----[(7,78-----w1)----3,75----(137,6-15_,3)--+--w2----(273_---4,19--137,6--)]--;

Q3--=--w2(273_-----55_)--=--1,_3----[(7,78-----w1-------w2)----3,6----(117,5-137,6)--+--w3----(27_2---4,19117,5)]--;

Q3--=--w3(27_2-----471)--=--1,_3----[(7,78-----w1-------w2-----w3)----3,5----(77,64-----117,5)--+--w4----(28_5-----4,19•77,64)];------

W--=--w1--+--w2--+--w3--+--w4--=--7,78

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D--=--1,81--кг/с--;--w1--=--1,32--кг/с--;--w2--=--1,45--кг/с--;----w3--=--1,58--кг/с;--w4--=--1,7--кг/с;--

Q1--=--4225--кВт--;--Q2--=--4__1--кВт--;--Q3--=--412_--кВт--;--Q4=4217--кВт.

Результаты расчета сведены в таблицу

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 5 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

3.1.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора К2СО3 в интервале изменения концентраций от 10 до 44 % . В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее менее 0,003 мм/год при t=1000 С, коэффициент теплопроводности ?ст = 25,1 Вт / (мК).

3.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициенты теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

К1--=--1--/--(--1/--a1--+--S--d--/--l--+--1/--a2--)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки ?ст ???ст и накипи ?н ???н . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.

S--d--/--l--=--_,__2--/--25,1--+--_,___5--/--2--=--2,87----1_-4----м2К--/--Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке ???равен:

a1--=--2,_4[(r1r2ж1l3ж1)/(mж1--HDt1)]--_,25

где r1 - теплота конденсации пара, Дж/кг ; ?ж1 , ?ж1 , ?ж1 - плотность (кг / м3 ), теплопроводность Вт / (мК), вязкость (Пас) конденсата при средней температуре пленки tпл = tг1 - ?t1 /2 , где ?t1 - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем ?t1 = 2 град.

tпл--=--157,8-----2/2--=--156,8--_--С

1)------------a1--=

=--1__4_--Вт/(м2--К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q--=--a1Dt1--=--Dtст--/--(S--d--/--l)--=--a2Dt2

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт / м2 ;

?tст - перепад температуры на стенке, град. ;

?t2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Dtст--=--a1Dt1Sd--/l--=--1__4_•2•2,871_-4--=--5,_6--град.

Тогда

Dt2--=--Dtп1-----Dtст-----Dt1--=--7,52-----5,_6-----2=--_,46--град.--

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии принудительной циркуляции раствора равен:

a2--=78_•--[--(_,621,3--•--111__,5--•--3,63_,_6)/(_,_57_,5--•--(213_•1_3)6--•--_,579_,66--•377__,3(_,1•1_-3)_,3--]•q_,6

a2=744_--Вт/(м2•К)

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

qI--=--a1Dt1--=1__4_•2=2__8_--Вт/м2

qII--=--a2Dt2--=--744_•2=3721--Вт/м2

Как видим qI qII.

2) Для второго приближения примем ?t1 = 1 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1.0 град, рассчитаем ???по соотношению

a1=--

=1194_--Вт/(м2К)

Получаем:

--tпл=157,8-_,5=157,3--_--С

Dtст--=--1194_•1•2,87•1_-4=3,43--град

Dt2--=--7,52-----3,43-----1--=--3,_9--град

a2--=19,53•(1194_•1)_,6=545_--Вт/--м2к

qI--=--a1Dt1--=--1194_--•1=1194_--Вт/м2

qII--=--a2Dt2--=545_•3,_9=16837--Вт/м2

Как видно qI qII.

Для расчета третьего приближения построим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе(см. рис. 1) и определяем ?t1

Рисунок 1- График зависимости тепловой нагрузки от разности температур

Получаем: ?t1=1,22 град

Тогда:

3)--------a1=--

--=--1136_--Вт/(м2К)

Dtст--=1136_•1,22•2,87•1_-4=--3,98--град

Dt2--=7,52-3,98-1,2--=--2,32--град

qI--=1136_•1,22=13859--Вт/м2

qII--=--5966•2,32=13842--Вт/м2

qI--?--qII

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 % , расчет коэффициентов ???и ?2 на этом заканчиваем.

Находим К:

К1 = 1/ (1/ 11360+ 2,8710-4 + 1/ 5966) = 1835 Вт/ (м2К);

К2=0,8•1835=1468 Вт/ (м2К);

К3=1835•0,7=1285 Вт/ (м2К);

К4=1835•0,5=918 Вт/ (м2К).

3.1.7 Распределение полезной разности температур

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

где ?tп j , Q j , K j - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j - го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

?tп112,08 град

?tп2= 67,38•2,73?12,83=14,34 град.

?tп3= 67,38•3,21/12,83=16,86 град

?tп4=67,38•4,59/12,83=24,10 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

??tп = 12,08+14,34+16,86+24,10= 67,38 град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F = Q / ( K?tп ).

F1 =4225103 / (1835•12,08) = 190,6 м2

F2 = 4001103 /(1468· 14,34) =190 м2

F3 = 4120103 /(1285 · 16,86) = 190,2 м2

F4=4217•103 /(918•24,10) = 190,6 м2.

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппарата (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур ?tп подставлено ниже:

3.2 Второе приближение

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условий равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

3.2.1 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанными в первом приближении происходит только в 1-м, 2-м и 3-м корпусах (где температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения ?I , ?II и ?III для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:

3.2.1.1 Расчет тепловых нагрузок

Рассчитаем тепловые нагрузки (кВт):

Q1 = 1,03[7,783,9(145,72 -143,34) + 1,32( 2747- 4,19145,72 )] = 2979 кВт;

Q2 = 1,03[6,46 3,7(128 - 145,72) + 1,45(2723 - 4,19128 )] = 2830 кВт;

Q3 = 1,03 [5,01?3,55• (107-128) + 1,58 (2680- 4,19107)] = 3108 кВт;

Q4=1,03•[3,43•3,4•(77,65-107) + 1,7•(2635-4,19•77,65)]=3691 кВт.

3.2.1.2 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициенты теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

К1--=--1--/--(--1/--a1--+--S--d--/--l--+--1/--a2--)

Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем ?t1 = 2град.

tпл--=--157,8-----1--=--156,8--_--С

a1--=--1__4_--Вт/(м2--К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q--=--a1Dt1--=--Dtст--/--(S--d--/--l)--=--a2Dt2

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт / м2 ;

?tст - перепад температуры на стенке, град. ;

?t2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Dtст--=--1__4_•2--•2,87•1_-4--=--5,_6--град.

Тогда

Dt2--=--Dtп1-----Dtст-----Dt1--=--12,_8-----5,_6-----2--=--5,_2--град.--

a2--=19,53•(1__4_•2)_,6--=744_--Вт/м2к

qI--=1__4_•2=2__8_--Вт/м2

qII--=--744_•5,_2=37350 Вт/м2

Как видим qI qII.

Для второго приближения примем ?t1 = 3 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры, рассчитаем ???по соотношению

??= 10040· =9072 Вт/(м2К)

Получаем:

Dtст--=--9_72•3•2,87•1_-4=7,8--град;

--Dt2--=--12,_8-----3-----7,8--=--1,28--град;

tср--=146+_,8=146,8--град

?2=19,53•(9_72•3)_,6--=8945--Вт/(м2К)

qI--=--9_72•3--=--27216--Вт/м2

qII--=--8945•1,28--=--1145_--Вт/м2

Как видно qI qII.

Для расчета третьего приближения построим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе(см. рис. 2) и определяем ?t1

Рисунок 2- График зависимости тепловой нагрузки от разности температур конденсации пара и стенки.

Получаем: ?t1=2,52

tпл = 157,8 -1,26 = 156,54 0 С

Тогда:

a2=--1__4_•--Вт/(м2К)

Dtст--=94_8_•2,52•2,87•1_-4--=--6,86--град.

Dt2--=--12,_8-----6,68-----2,52--=--2,7--град

tср--=146+1,65=147,65--град

a2=19,53•(948_•2,52)_,6--=--828_--Вт/(м2К)

qI--=--948_•2,52--=--237__--Вт/м2

qII--=--828_•2,7--=--2255_Вт/м2

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 % , расчет коэффициентов ???и ?2 на этом заканчиваем.

Находим К1:

К1= Вт/ (м2К)

К2=0,8•1934=1547 Вт/ (м2К)

К3=0,7•1934=1354 Вт/ (м2К)

К4=0,5•1934=967 Вт/ (м2К)

3.2.1.3 Распределение полезной разности температур.

?tп1= град;

Аналогично находим ?tп во втором, третьем и четвёртом корпусах:

?tп2=14,01 град;

?tп3=16,33 град;

?tп4=24,51 град.

Проверка суммарной полезной разности температур:

??tп=12,53 + 14,01 + 16,33 + 24,51 = 67,38 град.

Сравнение полезных разностей температур ?tп , полученных во 2 - м и 1 - м приближениях, приведено ниже:

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1 - м и 2 - м приближениях не превышают 5 % .

3.2.1.4 Расчет поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F = Q / ( K??tп )

F1 = 2979000/1934•12,53 =128,9 м2

F2 = 2830•103/1547•14,01=130 м2

F3 = 3108•103/1354•16,33=132,3 м2

F4= 36,91•103/967•24,51=132,1 м2.

По ГОСТ 11987-81 [6] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

4. Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции ?и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

где ?в??????????????tст2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2К) .

tст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), 0 С (примем tст2=400 С;)

tст1 - температура изоляции со стороны аппарата, 0 С ;

tв - температура окружающей среды (воздуха), 0 С ;

?и - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мК);

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:

?в?= 9,3 + 0,05840 = 11,6 Вт/( м2К )

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит ( 85% магнезии и 15% асбеста ), имеющий коэффициент теплопроводности 0.09 Вт/( мК )

Тогда получим:

?и = м

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,050 м и для других корпусов.

5. Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 0 С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум - насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум - насоса.

5.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды Gв определяется из теплового баланса конденсатора:

где Iб.к. - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе Дж/кг;

tн - начальная температура охлаждающей воды 0 С;

tк - конечная температура смеси воды и конденсата 0 С;

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град. ниже температуры конденсации паров: tк = tб.к - 3.0 = 59,6 - 3 = 56,6 0 С .

Тогда

Gв=26,5 кг/с

5.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора dбк определяют из уравнения расхода:

где - плотность паров кг/м3 ; v- скорость паров м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров составляет 15-25 м/с. Тогда:

dбк=1,8 м

По нормалям НИИХИММАШа ([1] Приложение 4.6) подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или большему. Выбираем барометрический конденсатор диаметром dбк =2000 мм.

5.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 200 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

м/с

Высота барометрической трубы:

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе Па ;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений ;

??- коэффициент трения в барометрической трубе ;

0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления м.

В = Ратм - Рбк = 9,8104 - 2104 = 7,8104 Па;

= вх + вых = 0,5 + 1,0 = 1,5

где вх , вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из трубы.

Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Для гладких труб при Re =375000 , коэффициент трения равен ? = 0,013

Отсюда находим Hбт = 8,48 м.

5.4 Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством воздуха, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

где 2.510-5 - количество газа выделяющегося из 1 кг. воды;

0.01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через не плотности, на 1 кг паров. Тогда

Gвозд = 2.510-5(1,7 + 26,5) + 0,011,7 = 17,710-3 кг/с

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Vвозд = R(273 + tвозд)Gвозд / ( МвоздРвозд )

гдеR - универсальная газовая постоянная Дж/(кмольК);

Мвозд - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

tвозд - температура воздуха 0 С;

Рвозд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

tвозд = tн + 4 + 0.1(tк - tн) = 20 + 4 + 0,1(56,6 - 20,0) = 27,66 град.

Давление воздуха равно:

Рвозд = Рбк - Рп

гдеРп - давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд = 28 0 С. Подставив получим

Рвозд = 0,2·9,8104 -0,039·98100 =1,58104 Па;

Тогда

Vвозд = = 0,94 м3/с = 5,65 м3/мин

Исходя из объемной производительности и остаточного давления подбираем вакуум-насос типа ВВН-6 мощностью на валу N = 12,5 кВт (см. [1], Приложение 4.7).

6. Тепловой расчет

6.1 Расчет теплообменника-подогревателя

В качестве подогревателя исходного раствора до температуры кипения используем кожухотрубчатый теплообменник. Среда - в трубном пространстве - водный раствор NH4Сl, 6 % масс., в межтрубном пространстве - насыщенный водяной пар. Расход холодного раствора G2 = 7,78 кг/с ; t2н = 20 0 С ; t2к = 145,72 0 С. Греющий пар под давлением 0,8 МПа , t1конд = 157,8 0 С.

Тепловая нагрузка аппарата:

Q = G2C2(t2к - t2н) = 7,783754,2(145,72-20) =3,994 МВт.

Расход пара определим из теплового баланса:

G1 = Q/r1 = (1,053,994106 / 2085103)0,95 = 2,12 кг/с.

Средняя разность температур:

tб = 157,8 - 20 = 137,8 0 C

tм = 157,8- 145,72 = 12,08 0 C

tср = (tб - tм) / ln(tб/tм) = (137,8 - 12,08) / ln(137,8/12,08) = 55,7 град.

В соответствии с табл. 2.1 [1] примем Кор = 1200 Вт/(м2К)

Ориентировочное значение поверхности:

Fор = Q/ Корtср =3,994106 / (120055,7) = 59,75 м2

Принимаем теплообменник с поверхностью теплообмена F=60 м2;

Диаметр кожуха D=600 мм;

Диаметр труб d=25?2 мм;

Длина труб L=3000 мм;

Число ходов - 6;

Общее число труб - 316 шт.

7. Мероприятия по технике безопасности

К аппаратам предъявляются общие требования безопасности, соблюдение которых при конструировании обеспечивает безопасность его эксплуатации. Эти требования сформулированы в ГОСТ 12.2.003-74.

Производственное оборудование в процессе эксплуатации не должно загрязнять окружающую среду выбросами вредных веществ. Не должно быть пожаро- и взрывоопасным. Не должно создавать опасности в результате воздействия влажности, солнечной радиации, механических колебаний, высоких и низких давлений и температур, агрессивных сред и др.

Техника безопасности предъявляется к оборудованию в течении всего срока службы. Безопасность производственного оборудования должны обеспечить следующими мерами:

- правильным выбором принципов действия, конструкторских схем, безопасность конструкции, материалов;

- применение в конструкции средств механизации, автоматизации и дистанционного управления;

- применением средств защиты;

- выполнением эргономических требований;

- включением техники безопасности в техническую документацию на монтаж, эксплуатацию и ремонт.

Список литературы

1. Дытнерский Ю.И., Борисов Г.С., Брыков В.П. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. - 496 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия,1973. - 750 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии./Под ред. П.Г. Романкова, 9-е изд., перераб. и дополн. Л.: Химия, 1981. - 560 с., ил.

4. Справочник химика. М. - Л.: Химия, Т. III, 1962. 1006 с. Т. V, 1966. 974 с.

5. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975. 816 с.