Двухкорпусная выпарная установка

УДtп = tп1 + tп2 = 22,7+72,28=94,980С.

Определение тепловых нагрузок

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:

Q1 = D*(Iг1 - i1) = 1,03*[Gн*cн*(tк1 - tн) + 1*(Iвп1 - cв*tк1) + Q1конц]; (1)

Q2 = 1*(Iг2 - i2) = 1,03*[(Gн - 1)*c1*(tк2 - tк1) + 2*(Iвп2 - cв*tк2) + Q2конц]; (2)

W = 1 + 2 (4)

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

сн,с1,с2 - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/ (кг*К) [6];

Q1конц, Q2конц, Q3конц - теплоты концентрирования по корпусам, кВт;

tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе;

tн = tвп1 + Д/н,

где Д/н - температурная депрессия для исходного раствора.

tн = 148,8 + 1 = 149,80С.

При решении уравнений (1) - (4) можно принять:

Iвп1 Iг2; Iвп2 Iг3; Iвп3 Iбк.

Получим систему уравнений:

Q1 = D*(2780-740) = 1,03*[1,11*3,5* (151,86-149,8) + щ1*(270-4,19*151,86)];

Q2 = щ1*(272750-622,64) = 1,03*[(1,11-щ1)*3,52*(75,54-15,186)+щ2*(2607-4,79*75,54)];

W = 1 + 2 + 3 = 1,11.

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 0,366 кг/с; Q1 = 746,64 кВт; Q2 = 713 кВт;

щ1 = 0,335 кг/с; щ2 = 0,392 кг/с.

Результаты расчета сведены в таблицу1.2

Таблица 1.2

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (щ1=0,34 кг/с, щ2=0,37 кг/с, щ3=0,4 кг/с) 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.

Рассчитаем концентрации растворов в корпусах:

x1 = Gнxн/(Gн - ?1) = 1,11*0,11/(1,11 - 0,335) = 0,158, или 16%;

x2 = Gнxн/(Gн - ?1 - ?2) = 1,11*0,11/(1,11 - 0,335 - 0,393) = 0,319, или 32%.

Расчет коэффициентов теплопередачи

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

К1 = 1 / (1/б1 + Уд/л + 1/б2)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки дст/лст и накипи дн/лн. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Уд/л = 0,002/25,5 + 0,0005/2 = 2,87*10-4 м2*К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке б1 равен:

б1 = 2,04*4v(r1*с2ж 1*л3ж 1) / (мж 1*Н*t1),

где r1 - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

сж 1,лж 1,мж 1 - соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки tпл = tг 1 - t1/2, где t1 - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет б1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем

tпл = 174,5 - 1 = 1175,5 град.

Тогда

б1 = 2,04*4v(2025,2*103*10952*0,5873)/(0,07*10-3*4*2) = 11101,61 Вт/ м2*К.

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q = б1*Дt1 = Дtст / (Уд/л) = б2*Дt2,

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

Дtст - перепад температур на стенке, град;

Дt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Дtст = б1*Дt1* Уд/л = 11101,61*2*2,87-4 = 8,26 град.

Тогда

Дt2 = Дtп 1 - Дtст - Дt = 22,7-8,24-2 = 16,46 град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных трубок при условии естественной циркуляции раствора равен:

б2 =Аq0.6 =780 q0.6 (л11.3*с10.5*сп10.06/у10,5*rв10,6*с10,66*c10,3*м10,3).

Подставив численные значения, получим:

б2 =780q0.6 (0,587 1.3*10950.5*2,9130.06/0,0780.5*(2145*103) 0.6*0,5790.66*34500.3*(0,07*103) 0.3) =6976,4

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q/ = б1*Дt1 = = 11101,61*2=222,322 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 6976,4*16,46 = 90483,91 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Для второго приближения примем Дt1 =5,0

б1 = 11101,61*4v2/5 = 8828,78 Вт/ м2*К.

Получим:

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

Дtст =9722,4*3,4*3,79*10-4 =11,38

Дt2 = 23,23-11,38-5=0,85 град.

б2 = 17,21*(9722,4*5) 0,6 =10536,67

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q/ = б1*Дt1 = 9722,4*5 = 33056,16 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 8857,93*7,29 = 64574,31 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Так как расхождение между тепловыми нагрузками превышает 5%, продолжаем подбор

Тогда примем t1 = 4,3

Тогда

б1 = 2,04*4v2/4 = 9335,3 Вт/ м2*К.

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q = б1*Дt1 = Дtст / (Уд/л) = б2*Дt2,

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

Дtст - перепад температур на стенке, град;

Дt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Дtст = б1*Дt1* Уд/л = 9335,3*4*3,79*10-4 = 14,15град.

Тогда

Дt2 = Дtп 1 - Дtст - Дt = 23,23-4-14,15 = 5,08 град.

б2 = 17,21(9335,3*4) 0,6 =9530,02

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q/ = б1*Дt1 = 9335,3*4=37341,2 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 9530,02*5,08=48412,50 = 39282,63 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов б1 и

б2 на этом заканчивается. Находим К1:

К1 = 1/(1/9168,04 + 2,87*10-4 + 1/9845,27) = 1696 Вт/ м2*К.

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2.

К2=1 / (1/б1 + Уд/л + 1/б2)

Расчет б1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем

Дt1=5 град.

б1 = 2,04*4v(2084*103*12742*0,55923)/(0,21 *10-3*4*5) = 7027,52 Вт/ м2*К.

Дtст = 7027,52*5*2,87*10-4 = 13,32 град;

Дt2 =74,87-13,32-5= 56,55 град;

б2 =780q0.6 (0,5592 1.3*12740.5*0,24980.06/0,090.5*(2307*103) 0.6*0,5790.66*31800.3*

* (0,21*103) 0.3) =5269,63 Вт/ м2*К;

q/ = б1*Дt1 = 7027,52*5,0 = 35137,6 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 5269,63*56,55=297997,58 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Во втором приближении примем t1 =23,5 град.

Тогда

б1 = 7027,52v5/23,5 = 4772,85 Вт/ м2*К.

Дtст = 4772,85*23,5*2,87*10-4 =42,51 град;

Дt2 =74,87-42,51-23,5=8,86 град;

б2 = 10573,64 Вт/ м2*К;

q/ = б1*Дt1 = 4772,85*23,5=112161,975 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 10573,64*8,86= 93682,45Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Так как расхождение между тепловыми нагрузками превышает 5%, продолжаем подбор

Тогда примем t1 = 23

б1 = 7027,52*4v5/23 = 4798,58 Вт/ м2*К.

Дtст =4798,58*232,87*10-4 = 41,83 град;

Дt2 = 74,87-41,83-23=10,04 град;

б2 = 10471,8 Вт/ м2*К;

q/ = б1*Дt1 = 4798,58*23 = 110367,34 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 10471,8*10,04=105136,87 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q// расхождение между тепловыми нагрузками превышает 5%, продолжаем подбор

Тогда примем t1 = 22,8.

б1 = 7027,52*4v5/22,8 = 4809,07 Вт/ м2*К.

Дtст =4809,07*22,8*2,87*10-4 = 41,56 град;

Дt2 = 74,87-41,56-22,8=10,51 град;

б2 = 10430,43 Вт/ м2*К;

q/ = б1*Дt1 =4809,07 * 22,8=109646,796 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 10430,73*10,51=109626,97 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q// расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 5%.заканчиваем расчет коэффициентов б1 и б2. находим К2

К2 = 1/(1/4809,07 + 2,87*10-4 + 1/10430,73) = 1464,13 Вт/ м2*К.

Распределение полезной разности температур

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

Дtпj = УДtп*(Qj/Kj)/УQ/K,

где Дtпj,Qj,Kj - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

Дtп1 =94,98 *(746,64/1696,35) / (746,64/1696,35 + 713/1464,13) = 44,76 град,

Дtп2 = 94,98*(713/1464,13) / (746,64/1696,35 + 713/1464,13) = 50,22 град,

Проверим общую полезную разность температур установки:

УДtп = Дtп1 + Дtп2 = 45,76+49,19=94,98град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

F= Q/(K Дtп)

F1 = 746,64 *103/ (1696,35*45,76) = 12,3м2,

F2 = (713*103) / (1464,13*49,76) = 12,3 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 Дtп представлено ниже:

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.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же

значения Д/,Д// и Д/// для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q1 = 1,03*[1,11*3,68*(131,06-129,06)+0,435*(2726,78-4,19*131,06)] = 1026,957;

Q2 = 1,03*[(1,11-0,335)*3,45*(99,83-131,06)+0,52*(2648,97-4,19*82,76)] = 1121,06;

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный выше описанным методом, приводит к следующим результатам: К1 = 1767 м2*К/Вт; К2 = 1512 м2*К/Вт.

Распределение полезной разности температур:

Дtп1 =94,98 *(981,79/1767) / (981,79/1767 +1211/1512) = 41,85 град,

Дtп2 =94,98*(1211/1512) /(981,79/1767 +1211/1512)=53,13 град,

Проверим общую полезную разность температур установки:

УДtп = Дtп1 + Дtп2 =41,85+53,13=94,98град.

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

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F1 = (978,545*103) / (1767*41,97) = 13,2 м2,

F2 = (112,06*103) / (15612*56,13) = 13,2 м2.

По ГОСТу11987-81 выбирем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена Fн 16 м2

Диаметр труб d 38*2 ммІ

Высота труб H 4000 ммІ

Диаметр греющей камеры dк 400 мм

Диаметр сепаратора dс 800 мм

Диаметр циркуляционной трубы dц 250мм

Масса аппарата Mа 14500кг

Определение толщены тепловой изоляции

Толщенную тепловой изоляции д находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

б в (t ст2- t в)= (ли /ди)(t ст1 - tст2)

где б в =9,3+0,058 t ст2- коэффициент тепло отдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду,Вт/мІ К;

t ст2-температура изоляции со стороны окружающей среды, С°;

t ст1 - температура изоляции со стороны аппарата t ст1 = t г1, С°;

t в - температура окружающей среды,С°

ли -коэффициент теплопроводности изоляционного материала Вт/м К.

б в = 9,3 + 0,058*40 =11,62 Вт

в качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии = 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности ли =0,09 Вт/м К.

Тогда получим

ди =0,09(179,8-40)/11,62(40-60)=0,054 м

Расчет на прочность

Эллиптическое днище.

Коническое днище.

Расчет толщины обечаек.

,

.

Условие выполняется, следовательно толщина обечайки выбрана правильно.

Заключение

В курсовой работе рассмотрена двухкорпусная выпарная установка, произведены основные расчеты по определению поверхности теплоотдачи выпарного аппарата, концентрации упариваемого раствора К2СО3. Исходя из свойств соли был выбран аппарат первого типа с третьим исполнением, выпарной трубчатый аппарат с естественной циркуляцией, с сосной греющей камерой и солеотделением. Упариванием раствора, выделяющиеся кристаллы, удаляются промывкой.

Список использованной литературы

1 Реми Г. Курс неорганической химии/-М.: Мир 1989.-823с.

2 Колчан Т.А. Выпарные станции/Т.А. Колчан, Д.В. Радун-.М.:Машгиз,1963.-398с.

3 Основные процессы и аппараты химической технологии/Под ред. ЮЙ Дыднерского.-М:. Химия, 1991.-494с.

4 Павлов К.Ф примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А Носков.- Л.: Химия,1987.-576 с.

5 Справочник химика / Под редакцией Б.Н. Николенского. Т. 1-6.-М.;Л.:химия, 1966.

6 Аппараты выпарные трубчатые вертикальные общего назначения:Каталог.- М.:ЦИНТИхимнефтемаш,1979.-272с.

Страницы: 1, 2