ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»
Факультет: Энергетический
Кафедра: Теплотехники и
энергообеспечения п/п
Специальность: Энергообеспечение п\п
Форма обучения: очная
Курс, группа: 3,1
Иванов Игорь Михайлович
Расчет двухкорпусной выпарной установки
Курсовой проект
«К защите допускаю»:
Руководитель: ст.преп. Юхин Д.П
( ученая степень,звание ФИО)
___________________
«____» _______2011 г.
Оценка при защите:
____________________
____________________
(подпись)
«____» __________ 2011 г.
Уфа 2011
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТАНОВКИ
1.1 Принцип работы двух корпусной выпарной установки
2 РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА
3 Расчёт и выбор вспомогательного оборудования
3.1 Расчёт изоляции
3.2 Расчёт барометрического конденсатора
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
ВВЕДЕНИЕ
Выпарные аппараты предназначены для концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.
Процесс выпаривания - энергоемкий процесс, особенно если теплота испарения. Как например у воды. Поэтому составляющая на энергозатраты при выпаривании может быть весьма существенной составляющей в себестоимости производства того или иного продукта. Одним из наиболее эффективных способов снижения энергопотребления является применение выпарных батарей- многокорпусных выпарных установок.
Веществом, подлежащим концентрированию в водном растворе, является К2СО3. Его основные физико-химические свойства приведены в таблице 1.1:
Таблица 1.1 Физико-химические свойства К2СО3.
Название
вещества
Химическая
формула
Форма и цвет
Молекулярный
вес
температура
плавления, 0С
Теплота растворения при 18°в 400моля воды, ккал/кг-мол
Плотность, г/см3
Температура кипения 50% р-ра, °С
Углекислый
калий
К2СО3
Белые
кристаллы
58,44
891± 0,5
2,13
113,1
Пошат используют в производстве стекла. Значительное количество пошата употребляют для производства некоторых солей, фармацевтических препаратов, жидкого калийного мыла. Для получения жидкой и твердой двуокиси углерода, при крашение и отбелки тканей, для изготовления печатных красок и т.д. разработан способ кладки бетона в зимнее время с применением раствора пошата. В препаративной химии в качестве водоотталкивающего средства.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Зачетная книжка № 281110
1. Производительность – Gн=10 т/ч = 2,77 кг/с
2. Вид раствора - К2СО3
3. Начальная концентрация раствора - хн=0,5%
4. Конечная концентрация раствора - хк=10%
5. Давление греющего пара – рг1=1.110 МПа
6. Давление в барометрическом конденсате – рбк=0.0110 МПа
7. Число корпусов – 3 корпуса
8. Взаимное направление пара и раствора – противоток
9. Температура поступательного раствора в выпарном аппарате равен с температурой кипения расствора
10. Вид циркуляции – принудительная
11. Тип аппарата – 1 тип
12. Исполнение аппарата – 1 исполнение
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТАНОВКИ
В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температуря 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 к конструкциям выпарных аппаратов.
Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней к многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.
Ниже приведен типовой расчет двух корпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной камерой).
принцип работы двух корпусной выпарной установки
Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается в теплообменник, где прогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем – в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.
Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
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, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом. Смесь охлаждающейся воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость упаренного раствора.
Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
2 РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяется по основному уравнению теплопередачи:
F = Q/(KΔtп) (2.1)
где Q – тепловая нагрузка, кВт;
K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*K);
Δtп – полезная разность температур, град.
Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δtп необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находятся методом последовательных приближений.
Производительность установки по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса:
W = Gн(1 – xн/xк) (2.2)
где Gн – производительность установки по исходному раствору, кг/с;
xн, xк – массовые концентрации вещества в исходном и упаренном растворе соответственно, %.
W = 2,77*(1 – 0,5/10) = 2,6315 кг/с
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 соотношении:
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1]:
P, МПа t, 0C I, кДж/кг i, кДж/кг
Pг1 = 1,110 tг1 = 183,4 I1 = 2787,36 i1=778,9
Pг2 = 0,744 tг2 = 166,4 I2 = 2771,39 i2=696,137
Pг3= 0,377 tг3 = 140,77 I3= 2741,075 i3= 592,85
Pбк = 0,011 tбк = 47,18 Iбк = 2584,04 i1=197,72
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.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
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 ΣΔ от температурной (Δ/), гидростатической (Δ//) и гидродинамической (Δ///) депрессий (ΣΔ = Δ/ +Δ// +Δ///).
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Δ/// = 1,0 – 1,5град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ/// = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в 0C) равны:
tвп1 = tг2 + Δ1/// = 166,4 + 1,0 = 167,4;
tвп2 = tr3 + Δ2/// =140.77 + 1,0 = 141.77.
tвп3 = tбк + Δ3/// =47,18+ 1,0 = 48,18.
Сумма гидродинамических депрессий
ΣΔ/// = Δ1/// +Δ2/// =1 + 1+1 = 3 0С.
По температурам вторичных паров определим их давление. Они равны соответственно (в МПа):
Pвп1 =0,762; Pвп2 = 0,387; Pвп3=0,0125;
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 = Pвп + ρgH (1- ε)/2, (2.4)
где
Н- высота кипятильных труб в аппарате, м;
ρ – плотность кипящего раствора, кг/м3;
ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3/м3.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000 – 50000 Вт/м2. Примем q = 40000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна:
Fор = Q/q = ω1*r1/q, (2.5)
где r1 – теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.
По ГОСТ 11987 – 81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и cоосной греющей камерой состоят из кипятильных труб, высотой 3 и 4 м при диаметре dн = 38 мм и толщине стенки δст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 3 м.
При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение ε = 0,4 – 0,6.Примем ε = 0,5.
Плотность водных растворов, в том числе K2CO3, при температуре 20 0С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:
При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 0С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε.
Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:
Температуры кипения растворов в корпусах равны (в 0C)
tк = tг + Δ/ +Δ//+Δ///(2.7)
В аппаратах с вынесенной зоной кипения 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 Δ//.
Перегрев раствора Dtпер может быть найден из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Уравнение теплового баланса для j-го корпуса записывается в следующем виде:
где М – производительность циркуляционного насоса (в кг/с),тип которого определяют по каталогу для выпарного аппарата с поверхностью теплопередачи Fор.
Для первого корпуса tкj-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 = 0,7 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:
M = u*S*ρ, (2.9)
где S- сечение потока в аппарате (м2), рассчитываемая по формуле:
S = Fор*dвн/4*H, (2.10)
где dвн – внутренний диаметр труб, м;
Н – принятая высота труб, м.
Таким образом, перегрев раствора в j-м аппарате Dtперj равен:
Полезную разность температур (в 0С) в каждом корпусе можно рассчитать по уравнению:
Dtп1 = tг1 – tк1 = 183,39-167,89=15,5;
Dtп2 = tг2 – tк2 = 166,39-142,43=23,895;
Dtп3 = tг3 – tк3 = 140,77-60,794=79,976;
Анализ этого уравнения показывает, что величина Dtпер / 2 – не что иное как дополнительная температурная потеря. В связи с этим общую полезную разность температур выпарных установок с аппаратами с вынесенной зоной кипения нужно определять по выражению:
Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:
Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (ω1=0,796 кг/с, ω2=0,881 кг/с, ω3=0,958 кг/с) не превышает 5%, необходимо заново пересчитать концентрации, температурные депрессии и температуры кипения растворов, положив в основу расчета новое, полученное из решения балансовых уравнений, распределение нагрузок по испаряемой воде.
Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
К1 = 1 / (1/α1 + Σδ/λ + 1/α2) (2.17)
Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δст/λст и накипи δн/λн. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:
Σδ/λ = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 2,87*10-4 м2*К/Вт.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке α1 равен:
где r1 – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;
ρж 1,λж 1,μж 1 – соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки tпл = tг1 - Dt1/2, где Dt1 – разность температур конденсации пара и стенки, град.
Расчет α1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных трубок при условии естественной циркуляции раствора равен:
Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле: F= Q/(K Δtп)
F1 = 1256*103/ (1780,65*17,255) = 40,88м2,
F2 = 1654*103 / (1704,03*23,74) = 40,88 м2,
F3 = 4998*103 / (1558,88*78,43) = 40,88 м2,
Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Δtп представлено ниже:
Корпус
Распределенные в 1-м приближении значения Δtп, град
15,5
23,895
79,978
Предварительно рассчитанные значения Δtп, град
17,25
23,74
78,43
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
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 не различаются. Поэтому необходимости заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки нет.
По ГОСТ 11987-81 выбирем выпарной аппарат со следующими характеристиками: