Расчет выпарного аппарата
Где оС — среднелогарифмическая разность температур; k — к-т теплопередачи для подогревателя (принимаем по опытным значениям). Принимаем толщину трубок 1 мм, значение шага s=(1.31.5)· d=50 мм. При ромбическом расположении трубок для n=300 принимаем D`/s=36. По ГОСТ 11 987;81 выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 1, исполнение 2). Температура кипения… Читать ещё >
Расчет выпарного аппарата (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
1. Материальный баланс
Исходные данные:
· раствор — Хлоримд мамгния МgCI2;
· начальная концентрация раствора: b0=3%;
· конечная концентрация раствора: bк=20%;
· давление во 2 корпусе: P2=0,05 MПа;
· отбор экстрапара: E=0,05 кг/кг;
· производительность: D=2000 т/ч;
· давление первичного пара: P=0,6 МПа.
Определяем количество раствора, поступающего на выпарку:
кг/ч.
Относительное количество выпаренной воды:
кг/кг.
Теплоёмкость раствора при начальной концентрации:
кДж/кг, гдетеплоемкость сухого раствора, кДж/кг К.
Количество выпаренной воды во 2-ом корпусе:
кг/кг.
Количество выпаренной воды в 1-ом корпусе:
кг/кг.
Концентрация раствора в 1-ом корпусе:
%.
Концентрация раствора во 2-ом корпусе:
%.
Давление в корпусах определяется следующим образом:
находим перепад давлений приходящийся на один корпус:
где — давл. греющего пара
— давл. в последнем корпусе
— число корпусов Тогда давление в первом и втором корпусах будет:
.
2. Тепловой баланс
2.1 Распределение полезной разности температур. Температурные потери
Определяем физические параметры раствора в корпусах.
Теплоёмкость раствора в 1-ом корпусе:
кДж/кг.
Теплоёмкость раствора в 2-ом корпусе:
кДж/кг.
Физические константы раствора и воды, найденные по рис. 4.1−4.3 [1], сводим в таблицу, причём предварительно принимаем, что температура кипения раствора в 1-ом корпусе равна 120oC, а во 2-ом — 80оС.
Таблица 2.1. Параметры воды и раствора
Наименование физических констант | Первый корпус | Второй корпус | |||
Вода | Раствор | Вода | Раствор | ||
Плотность, кг/м3 | |||||
Теплоёмкость С, кДж/кг | 4,25 | 4,19 | 3,5 | ||
Вязкость, м2/сек· 10-6 | 0,226 | 0,336 | 0,366 | 0,454 | |
Теплопроводность, кДж/(кг· К) | 0,686 | 0,58 | 0,686 | 0,56 | |
Физико-химические температурные депрессии определяем по рис. 4.1 с соответствующей поправкой на давление; оцениваем гидростатические и гидравлические депрессии; все данные сводим в табл. 2.2:
Таблица 2.2. Величины депрессий
Род депрессии | Корпус | ||
I | II | ||
Физико-химическая 1 | 1,2 | 4.4 | |
Гидростатическая 2 | 0.3 | ||
Гидравлическая 3 | 0.5 | ||
Суммарная | 4.2 | 5.2 | |
Находим значения температурных депрессий.
Температурные депрессии при атмосферном давлении
?'1н=1,2 С
?"1н=4,4С, в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно.
Температурные депрессии:
в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно.
Гидростатическая депрессия.
Температура насыщения в корпусах:
в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно Температура кипения раствора:
в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно.
Давление в среднем слое кипятильных труб:
где Н=4 м — ориентировочная высота трубок выпарного аппарата.
е=0,6 м3/м3 — объемная доля пара в кипящем растворе.
Температура кипения раствора в среднем слое кипятильных труб Температура кипения раствора на нижнем слое:
Гидростатическая дипрессия:
Гидравлическая дипрессия изменяется в пределах 0,5…10С.
Полная (располагаемая) разность температуры установке:
оС, где ts=159 — температура греющего пара при Р=0,6 МПа;
2=74оС — температура вторичного пара во 2-ом корпусе.
Полезная разность температур:
оС.
Согласно заданию оба корпуса должны иметь одинаковые поверхности нагрева. В соответствии с этим полезная разность температур распределяется между корпусами прямо пропорционально их тепловым нагрузкам и обратно пропорционально коэффициентам теплопередачи, т. е.:
.
Тепловые нагрузки корпусов могут быть приняты пропорциональными количествам выпариваемой в них воды с поправкой в дальнейшем на явление самоиспарения и увеличение скрытой теплоты парообразования во втором корпусе. Таким образом:
.
Отношение коэффициентов теплопередачи по корпусам принимаем предварительно (по опытным данным) k1/k2=2. Подставив эти значения, получим:
.
Так как полезная разность температур: t=t1+t2=75.6oC, то:
оС,
оС.
Температура кипения раствора в 1-ом корпусе:
t1=ts-t1=129−27.2=101.8 oC.
Температура вторичного пара в 1-ом корпусе:
1=t1-1=101.8−4.2=97.6 oC.
Температура кипения раствора во 2-ом корпусе:
t2=t`s+=74+9.4=83.4 oC,
где t`s=74oC — температура пара при Р=0,6 ата.
Температура греющего пара во 2-ом корпусе:
`1=t2+t2=83.4+48.3=131.7oC.
Температура вторичного пара во 2-ом корпусе:
2=t2-2=83.4−5.2=78.2oC.
На основе полученных результатов и данных, взятых из таблиц водяного пара, составляем табл. 2.3.
Таблица 2.3. Температуры и энтальпии пара и жидкости
Наименование параметров | Первый корпус | Второй корпус | |||
Обозначение | I | Обозначение | II | ||
Температура греющего пара, оС | ts | `1 | 131.7 | ||
Температура кипения раствора, оС | t1 | 101.8 | t2 | 83.4 | |
Температура вторичного пара, оС | 97.6 | 78.2 | |||
Температура конденсата, оС | 151.9 | 123.35 | |||
Энтальпия греющего пара, кДж/кг | i`1 | i`2 | |||
Энтальпия вторичного пара, кДж/кг | i``1 | i``2 | |||
Теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг | r1 | r2 | |||
2.2 Расчёт теплообмена
Коэффициент теплообмена между конденсирующимся паром и стенкой для 1-го корпуса:
Вт/(м2· К),
где B`=5700+56· ts-0.09·ts2=5700+56·151.9−0.09·151.92=1.2·104 — полином; принимаю t=2.2оС — разность температур вблизи стенки; Н — длина трубки (принимаем 4).
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для первого корпуса определяем из формулы:
.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для 1-го корпуса определяем следующим образом:
где =1,5 — скорость раствора в трубках;
d=32 мм — диаметр трубок.
Коэффициент теплопередачи для 1-го корпуса:
где ст и ст — параметры материала стенки;
Н и Н — параметры накипи стенок.
Проверяем принятую в расчёте разность температур:
что незначительно отличается от принятого значения 2,2.
Коэффициент теплообмена между конденсирующимся паром и стенкой для 2-го корпуса:
Вт/(м2· К).
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для 2-го корпуса определяем следующим образом:
Коэффициент теплопередачи для 2-го корпуса:
Вт/(м2· К),
где ст и ст — параметры материала стенки;
Н и Н — параметры накипи стенок.
Проверяем принятую в расчёте разность температур:
что незначительно отличается от принятого значения 2,2.
Расход греющего пара в 1-ом корпусе на 1 кг неконцентрированного раствора определяем по формуле (4−27) [1], а коэффициенты X2, Y2 и Z2 вычисляем по табл. 4−3а и 4−3б.
Приняв 1=0, поскольку to=t1 и 2=0 (по условию), найдём:
и получаем:
X2=2-2=2−0.01=1.99, Y2=2· 1+2=2=0.01, Z2=1.
При этом расход пара в 1-ом корпусе на 1 кг раствора составит:
Полный расход пара:
D=Go· d1=2000·0.43=860 кг/ч.
Уточняем количества выпаренной воды. Количество воды, выпаренной в 1-ом корпусе на 1 кг раствора:
т.к., то и количество выпаренной воды:
Количество воды, выпаренной во 2-ом корпусе на 1 кг раствора:
.
Количество воды, выпаренной во всей установке:
.
Расхождение с предварительно найденным количеством воды составляет менее 1%.
Проверяем количества теплоты, переданные в отдельных корпусах:
.
Отношение полученных количеств теплоты: q2/q1=0.935, что немногим отличается от ранее найденного 0,85.
Проверяем полученные концентрации растворов в корпусах:
.
Так как расхождение полученных величин с ранее принятыми незначительно, то повторного расчёта не делаем.
Поверхности нагрева выпарных аппаратов:
м2,
м2.
Поверхности нагрева обоих аппаратов согласно условию расчёта оказались почти одинаковыми.
По ГОСТ 11 987;81 выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 1, исполнение 2).
Технические характеристики:
поверхность теплообмена, при диаметре труб 382 и длине — 112 м2
· диаметр греющей камеры ,
· диаметр сепаратора ,
· диаметр циркуляционной трубы ,
· высота аппарата ,
· масса аппарата .
3. Тепловой расчёт подогревателя экстрапара
Определяем количество переданной теплоты в подогревателе:
Q=D1· r1=860·2194=2.5·106 кДж.
Определяем поверхность теплообмена:
м2,
где оС — среднелогарифмическая разность температур; k — к-т теплопередачи для подогревателя (принимаем по опытным значениям).
Зная скорость теплоносителя в трубках м/сек, его расход G кг/ч и выбрав величину внутреннего диаметра трубок d м, определяем их число:
.
Принимаем толщину трубок 1 мм, значение шага s=(1.31.5)· d=50 мм. При ромбическом расположении трубок для n=300 принимаем D`/s=36.
Отсюда:
D`=36· s=36·50=1800 мм.
Длина трубок выражается формулой:
м,
где z — число ходов (приняли одноходовую).
Определяем внутренний диаметр корпуса D:
D=D`+dнар+2· k=1800+34+2·6=1846 мм.
4. Тепловой расчёт подогревателя острого пара
Определяем количество переданной теплоты в подогревателе:
Q=D2· r2=1780·2322=4.1·106 кДж.
Определяем поверхность теплообмена:
м2,
где оС — среднелогарифмическая разность температур; k — к-т теплопередачи для подогревателя.
Зная скорость теплоносителя в трубках м/сек, его расход G кг/ч и выбрав величину внутреннего диаметра трубок d м, определяем их число:
.
Принимаем толщину трубок 1 мм, значение шага s=(1.31.5)· d=50 мм. По табл. 3−1 при ромбическом расположении трубок для n=421 принимаем D`/s=24.
Отсюда:
D`=24· s=24·50=1200 мм.
Длина трубок выражается формулой:
м,
где z — число ходов (приняли двухходовую).
Определяем внутренний диаметр корпуса D:
D=D`+dнар+2· k=1200+34+2·7=1346 мм.
5. Аэродинамический расчёт тракта подачи исходного раствора
Суммарное сопротивление будет складываться из потерь по длине и местных сопротивлений.
Рассчитаем потери в корпусах по ходу движения раствора. Для 1-го корпуса:
где 1 — коэффициент сопротивления крепёжной муфты;
2 — коэффициент сопротивления внезапного расширения;
3 — коэффициент сопротивления входа в решётку;
4 — коэффициент сопротивления выхода из решётки;
5 — коэффициент сопротивления сужения тракта.
Сопротивление движению по трубкам:
Па,
где
Полное сопротивление 1-го корпуса:
h1=hm1+hтр1=12 721+139=12 860 Па.
Для 2-го корпуса:
где 1 — коэффициент сопротивления крепёжной муфты;
2 — коэффициент сопротивления внезапного расширения;
3 — коэффициент сопротивления входа в решётку;
4 — коэффициент сопротивления выхода из решётки;
5 — коэффициент сопротивления сужения тракта.
Сопротивление движению по трубкам:
Па,
где
Полное сопротивление 2-го корпуса:
h2=hm2+hтр2=3417+483=3900 Па.
Сам тракт представляет собой три участка с длиной 3 м (для технологических и монтажных потребностей) по которым раствор движется с разными параметрами. Произведём расчёт участков между теплообменниками.
Первый участок:
Па,
где
h`1=h`тр1+h`м1=191+580=771 Па.
Второй участок:
Па,
где
h`2=h`тр2+h`м2=150+909=1059 Па.
Третий участок:
Па,
где
h`3=h`тр3+h`м3=42+127=169 Па.
Тогда полное сопротивление тракта равняется:
p=h1+h2+h`1+h`2+h`3=12 860+3900+771+1059+169=18 759 Па.
6. Выбор вспомогательного оборудования
Расчет производительности вакуум-насоса.
Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
Определение расхода охлаждающей воды.
Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:
где — количество воды, выпаренной во 2-ом корпусе на 1 кг раствора.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3−5 град. Поэтому конечную температуру воды на выходе из конденсатора принимают на 3−5 град ниже температуры конденсации паров:
.
Тогда
.
Объемная производительность вакуум-насоса равна:
.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению
.
Давление воздуха равно:
где .
.
По ГОСТ 1867–57 подбираем вакуум-насос типа ВВН — 0,75, мощность на валу 1,3 кВт.
Литературный обзор
выпарной температура экстрапар раствор
1. Лебедев П. Д. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. М.: Энергия. 1966.
2. Лебедев П. Д. Теплообменные сушильные и холодильные установки. М. Энергия. 1966.
3. Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. Химия, 1991.
4. Несенчук А. Н. Промышленные теплотехнологии. Ч. 2 Минск: Высш. шк. 1995.