Расчет и проектирование выпарной установки для выпаривания раствора гидроксида натрия

Получаем

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи  от стенки к раствору равен:

 \* MERGEFORMAT (.)

Относительная тепловая нагрузка со стороны греющего пара согласно [3], форула (11):

 \* MERGEFORMAT (.)

Определим температуру  стенки со стороны раствора. При  этом примем, что относительная тепловая нагрузка для стенки q₁=q_c. Тогда, если считать стенку плоской по [1] с.162:

 \* MERGEFORMAT (.)

Тогда температурный  напор Δt_c2:

 \* MERGEFORMAT (.)

Относительная тепловая нагрузка со стороны раствора [3] (15):

 \* MERGEFORMAT (.)

Откуда

Из расчета  видно, что q₁ и q₂ не равны.

Приближение 2.

Примем температурный  напор со стороны греющего пара

Пересчитаем α₁:

Относительная тепловая нагрузка со стороны греющего пара согласно (4.19):

Тогда по (4.20):

Тогда температурный  напор Δt_c2 по формуле (4.21):

Откуда

Из расчета  видно, что q₁ и q₂ не равны.

Для расчета  в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рисунок 4.1).

 

Δt_c1

Δt_c1, °C

q, Вт/м²

Рисунок 4.1 –  Температурная зависимость q=f(Δt_c1)

 

По пересечению  графиков на рисунке 4.1 получим значение Δt₁=2,24°C. Получим

Различие  в значениях q₁ и q₂ составит:

Т.к. отличие  меньше чем на 5%, расчет коэффициентов  теплоотдачи можно не продолжать.

Подставив в (4.23) полученные значения, получим:

Аналогично  рассчитаем коэффициенты теплоотдачи  для второго и третьего корпусов. В результате расчета получили ‒ К₂=2109,4 Вт/(м²∙К); К₃=1850,5 Вт/(м²∙К).

4.7 Распределение  полезной разности температур

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

 \* MERGEFORMAT (.)

где Q_i – тепловая нагрузка i-ого аппарата, Вт;

K_i – коэффициент теплопередачи в i-ом аппарате, Вт/(м²∙К).

Подставим в (4.31) рассчитанные в подразделе 4.3 значения тепловых нагрузок и коэффициентов теплопередачи  и определим значения полезных разностей  температур.

 

 

Общая полезная разность температур по формуле (4.18) равна:

 

Теперь рассчитаем поверхность  теплопередачи выпарных аппаратов  по формуле (4.1):

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее  поверхности F_op. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб).

4.8 Уточненный  расчет поверхности теплопередачи

Второе приближение

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.

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению  с рассчитанным в первом приближении  происходит только в 1-м корпусе (где  суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения Δ', Δ" и Δ'" для каждого корпуса, как в первом приближении.

Рассчитаем температуру  кипения раствора в первом корпусе:

Тогда температура вторичного пара в первом корпусе:

Определим температуру греющего пара для второго корпуса:

Температура кипения раствора во втором корпусе:

Температура вторичного пара во втором корпусе:

Определим температуру греющего пара для третьего корпуса:

Температура кипения раствора в третьем корпусе:

Температура вторичного пара в третьем корпусе:

Рассчитаем тепловые нагрузки:

Расчет коэффициентов  теплопередачи, выполненный описанным  выше методом, приводит к следующим  результатам [в Вт/(м²∙К)]: K₁=1520,3; К₂=1897,1; К₃=1681,1.

Распределение полезной разности температур по формуле (4.31):

 

 

Суммарная полезная разность температур:

Сравнение полезных разностей  температур Δt_п полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено в таблице 4.7.

Таблица 4.7 – Сравнение полезных разностей температур

	Корпус
	1	2	3
Δtп в 1-м приближении, град	6,221	11,955	46,662
Δtп во 2-м приближении, град	23,279	17,336	24,223

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

Теперь рассчитаем поверхность  теплопередачи выпарных аппаратов  по формуле (4.1):

По ГОСТ 11987 выбираем выпарной аппарат с характеристиками приведенными в таблице 4.7.

Таблица 4.7 – Характеристики выпарного аппарата

Номинальная поверхность теплообмена F	25 м2
Диаметр труб d	38×2 мм
Высота труб H	4000 мм
Диаметр греющей камеры dK	1200 мм
Диаметр сепаратора dc	2400 мм
Диаметр циркуляционной трубы dТ	700 мм
Общая высота аппарата Нобщ	13500 мм

4.9 Определение  толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции δ_и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду по [1], уравнение (4.21):

 \* MERGEFORMAT (.)

где α_в – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²∙К);

t_ст2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), °C;

t_ст1 – температура изоляции со стороны аппарата, °С;

λ_и – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м∙К).

 Для аппаратов, работающих  в закрытом помещении, t_ст2 выбирают в интервале 35-45°С [1]. Примем t_ст2=40°С. Ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции, t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t_г1. В качестве изоляционного материала выберем совелит (85% магнезии+15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности λ_и=0,09 Вт/(м∙К).

Коэффициент теплоотдачи  от внешней поверхности изоляционного  материала в окружающую среду  определим по формуле:

 \* MERGEFORMAT (.)

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,04 м и для других корпусов.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

КП 000000 05 ПЗ

Разраб.

Кажарнович О.Ю.

Провер.

Вилькоцкий А.А.

 

 Реценз.

 

Н. Контр.

 

Утверд.

Вилькоцкий А.А.

 

 

Подбор вспомогательного оборудования

Лит.

Листов

9

БГТУ

7140613

5 Подбор вспомогательного оборудования

5.1 Подбор подогревателя исходной смеси

Согласно заданию на проектирование исходный раствор поступает на выпаривание  с начальной температурой t_н2=17°C, а температура его кипения равна t_к2=120,3°С (рассчитана в разделе 4). Исходный раствор необходимо подогреть до температуры кипения. Для этого используем горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник, в котором обогрев будет осуществлятся греющим паром. Примем греющий пар с давлением р_гп=0,4 кгс/см², его температура – t_н1=143,0°С, удельная теплота конденсации – r₁=2132140 Дж/кг.

Подогреваемый раствор пустим по трубному пространству, т.к. оно более  доступно для чистки и имеет меньшее  гидравлическое сопротивление. Греющий  пар пустим по межтрубному пространству.

5.1.1 Определение температурных условий процесса

Примем, что конденсат  отводится при температуре конденсации, т.е. t_к1=143,0°С. Температурная схема процесса представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Температурная схема  процесса

Из рисунка 4.1 видно, что  большая движущая сила процесса теплопередачи  равна Δt_б=126 К, меньшая – Δt_м=22,7 К. Отношение Δt_б/ Δt_м больше 2, поэтому средняя движущая сила процесса рассчитывается по [2] формула (6):

 \* MERGEFORMAT (.)

 

Средняя температура раствора:

5.1.2 Расчет тепловой нагрузки

Т.к. при протекании процесса теплообмена агрегатное состояние  раствора не изменяется, тепловую нагрузку рассчитаем по [2] формула (1):

 \* MERGEFORMAT (.)

где  G₂ – расход подогреваемого раствора, кг/с;

с₂ – теплоемкость исходного раствора, Дж/(кг∙К);

t_н2 – начальная температура раствора, К;

t_к2  - конечная температура раствора, К.

Расход подогреваемого раствора рассчитан в разделе 4 и равен G₂=4150 кг/ч = 1,153 кг/с. Начальная теплоемкость раствора равна c₂=3722 Дж/(кг∙К) [5]. Начальная температура раствора t_н2=17°C (по заданию), конечная – t_к2=120,3°C (рассчитана в разделе 4). Подставив численные значения в (4.1), получим:

5.1.3 Расчет расхода греющего пара

Расход греющего пара определим  из уравнения теплового баланса. Пренебрегая потерями тепла, получим:

 \* MERGEFORMAT (.)

Отсюда

 \* MERGEFORMAT (.)

где r₁ – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/(кг∙К);

φ – степень сухости греющего пара.

Степень сухости греющего пара обычно принимают равной φ=0,95 [2].

5.1.4 Ориентировочный выбор теплообменника

Для того, чтобы выбрать  теплообменник, определим ориентировочную  поверхность теплообмена. Для этого  воспользуемся [2] формула (6):

 \* MERGEFORMAT (.)

где К_п – ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м²∙К).

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от жидкости к жидкости с учетом того, что теплопередача  осуществляется от конденсирующегося  пара к водному раствору при вынужденном движении, можно принять равным К_п=300 Вт/(м²∙К).

С учетом рассчитанного значения F_п по [1] таблицы 2.3, 2.6 и 2.7 подберем нормализованный кожухотрубчатый теплообменник с температурным компенсатором на корпусе. Параметры теплообменника представлены  в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Параметры теплообменника по ГОСТ 15118

Параметр	Значение
Поверхность теплообмена F, м2	25
Диаметр кожуха D, м	325
Диаметр труб d, мм	20×2
Число ходов z	1
Общее число труб n	100
Длина труб L, м	4
Площадь сечения потока в вырезе перегородок Sмтр, м2	0,011
Площадь одного хода по трубам Sтр, м2	0,020
Число сегментных перегородок x	18
Диаметр условного прохода штуцеров
для трубного пространства dтр.ш., мм	150
для межтрубного пространства dмтр.ш., мм	150

 

Запас поверхности  теплообмена составляет

Запас достаточен.

5.1.5 Гидравлическое сопротивление трубного пространства

Гидравлическое сопротивление  трубного пространства теплообменника определим по [1] формула (2.35):

 \* MERGEFORMAT (.)

где   λ – коэффициент трения;

z – число ходов;

ρ₂ – плотность перекачиваемой среды в трубах, кг/м³;

ω₂ – скорость движения среды в трубах, м/с;

ω_ш2 – скорость движения среды в штуцерах на входе и выходе, м/с.

Скорость раствора в трубном  пространстве будет равна:

 \* MERGEFORMAT (.)

где ρ₂ – плотность раствора, поступающего на выпаривание, кг/м³.

Согласно [5] исходный раствор  имеет плотность ρ₂=1132,3 кг/м³