Выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева
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:
|
Корпус 1
|
Корпус 2
|
Корпус 3
|
Корпус 4
|
|
Распределенные в 1-м приближении значения ?tп град.
|
12,08
|
14,34
|
16,86
|
24,10
|
|
Предварительно рассчитанные значения ?tп град.
|
7,52
|
9,3
|
15,4
|
35,16
|
|
|
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:
Параметры
|
Корпус 1
|
Корпус 2
|
Корпус 3
|
Корпус 4
|
|
Производительность по испаряемой воде ? , кг/с
|
1,32
|
1,45
|
1,58
|
1,7
|
|
Концентрация растворов х , %
|
12
|
15,5
|
22,5
|
44
|
|
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг ,0 С
|
157,8
|
___
|
___
|
___
|
|
Полезная разность температур ?tп, град
|
12,08
|
14,34
|
16,86
|
24,10
|
|
Температура кипения раствора tк =tг - ?tп, 0 С
|
145,72
|
128
|
107
|
77,65
|
|
Температура вторичного пара ?tвп =tк - (?I + ?II), 0 С
|
143,34
|
124,85
|
102,75
|
60,61
|
|
Давление вторичного пара Pвп, МПа
|
0,3976
|
0,2415
|
0,1122
|
0,0207
|
|
Температура греющего пара ??tг = tвп - ?III,
0 С
|
___
|
142,34
|
123,85
|
101,75
|
|
|
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:
|
Корпус 1
|
Корпус 2
|
Корпус 3
|
Корпус 4
|
|
?tп во втором приближении, град.
|
12,53
|
14,01
|
16,33
|
24,31
|
|
?tп в первом приближении,град.
|
12,08
|
14,34
|
16,86
|
24,10
|
|
|
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:
Номинальная поверхность теплообмена Fн,, м2
|
160
|
|
Диаметр труб d, мм
|
38 х 2
|
|
Высота труб H, мм
|
4000
|
|
Диаметр греющей камеры D, мм
|
1200
|
|
Диаметр сепаратора D1, мм
|
2400
|
|
Диаметр циркуляционной трубы D2, мм
|
700
|
|
Общая высота аппарата Ha, мм
|
13500
|
|
Масса аппарата Ma, кг
|
12000
|
|
|
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.
Страницы: 1, 2, 3
|