Расчет многокорпусной выпарной установки

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

ЭА52.0546.0000 ПЗ

ФГОУ ВПО Башкирский государственный аграрный университет

 

 

 

Факультет: Энергетический

Кафедра: Теплотехники и

энергообеспечения п/п              

Специальность: Энергообеспечение п\п

Форма обучения: заочная  

Курс, группа: 3,1

 

 

 

 

 

 

Никулина Ксения Владимировна

Курсовая  работа

по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»

РАСЧЕТ МНОГОКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

(название  работы)

                                                                     

                                    

 

 

                                                          «К защите допускаю»:

                                                          Руководитель:к.т.н. доцент Юхин Д.П 

                                                                                                      ( ученая степень,звание ФИО)                                                                                                                                                                                                                                                                      

 

                                                                                   ___________________

                                                                  

                                                                                   «____» _______2013 г.

Оценка при защите:

____________________

____________________

                    (подпись)

 

«____» __________ 2013 г

 

 

 

 

Уфа 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                           4

1     ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТАНОВКИ               5

1.1 Принцип работы двухкорпусной выпарной установки                             6

2     ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ                                                                                       ВЫПАРНЫХ       АППАРАТОВ                                                                         7 2.1  Определение концентрации  упариваемого раствора                                 7 2.2  Определение температуры  кипения растворов                                           8 2.3  Определение полезной  разности температур                                             12 2.4 Определение тепловых нагрузок                                                                 13 2.5 Выбор конструкционного материала                                                          14 2.6  Расчет коэффициентов  теплопередачи                                                       14 2.7  Распределение полезной  разности температур                                          17

3     ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ                   18

4     РАСЧЕТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО  КОНДЕНСАТОРА                       19 4.1 Определение расхода охлаждающей  воды                                            19 4.2 Определение диаметра конденсатора                                                     20 4.3 Определение высоты барометрической  трубы                                       20 4.4 Расчет производительности вакуум-насоса                                           21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                              23

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК                                                          24

 

                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 NaNO₃.

Применяется как удобрение; в стекольной, металлообрабатывающей промышленности; для получения взрывчатых веществ, ракетного топлива и пиротехнических смесей для придания огню жёлтого цвета. Получается из природных залежей выщелачиванием горячей водой и кристаллизацией; абсорбцией раствором соды окислов азота; обменным разложением кальциевой или аммиачной селитры с сульфатом, хлоридом или карбонатом натрия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 двухкорпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной камерой).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Принцип работы двухкорпусной 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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ВЫПАРНЫХ       АППАРАТОВ

 

Поверхность теплопередачи каждого корпуса  выпарной установки определяется по основному уравнению теплопередачи:

F = Q/(K·Δt_п)                                                 (2.1)

где Q –  тепловая нагрузка, кВт;

      K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·K);

      Δt_п – полезная разность температур_, °С.

Для определения  тепловых нагрузок Q, коэффициентов  теплопередачи К и полезных разностей  температур Δt_п 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 = G_н(1 – x_н/x_к)                                               (2.2)

где G_н – производительность установки по исходному раствору, кг/с;

      x_н, x_к – массовые концентрации вещества в исходном и упаренном растворе соответственно, %.

W = 12,77·(1 – 6/46) = 11,11 кг/с.

 

2.1 Определение концентрации упариваемого  раствора

 

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:

w₁: w₂= 1,0: 1,1

 

Тогда,

w₁ = 1,0W/(1,0 + 1,1) = 11,11/2,1 = 4,37кг/с,

w₂ = 1,1W/(1,0 + 1,1) = 1,1∙11,11/2,1 = 5,29 кг/с,

Далее рассчитываются концентрации растворов в корпусах:

 x₁ = G_нx_н/(G_н - w₁) = 11,11∙6/(11,11-4,37) =9,9%,

x₂ = G_нx_н/(G_н - w₁ - w₂) =11,11∙6/(11,11-4,37-5,92) = 45,9%,

Концентрация  раствора в последнем корпусе x₂ соответствует заданной концентрации упаренного раствора x_к.

 

2.2 Определение температуры кипения  растворов

 

Общий перепад  давлений в установке равен:

ΔP_об = P_г1 – P_бк                                                                    (2.3)

где P_г1 – давление греющего пара, МПа;

      P_бк – абсолютное давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

ΔP_об =0,546-0,0546=0,4914 МПа.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров  в корпусах (в МПа) равны:

P_г1 = 0,546 МПа,

P_г2 = P_г1 - ΔP_об/2 = 0,546 – 0,4914/2 = 0,3003 МПа,

Давление  пара в барометрическом конденсаторе:

P_бк = P_г3 - ΔP_об/2 = 0,3003 – 0,4914 = 0,0546 МПа

что соответствует  заданному значению P_бк.

По давлениям  паров находим их температуры  и энтальпии [1]:

 

Таблица 2.1 Давление паров по температуре  и энтальпии

P, МПа	t, 0C	I, кДж/кг	i, кДж/кг
Pг1 =0,546	tг1 = 155,18	I1 = 2752	i1=654,66
Pг2 = 0,3003	tг2 = 133,56	I2 = 2724,9	i2=561,6
Pбк = 0,0546	tбк = 83,53	Iбк = 2648,9	iбк=349,75

 

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.

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 – 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ^/// = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ⁰C) равны:

t_вп1 = t_г2 + Δ₁^/// = 133,56+1=134,56,

t_вп2 = t_бк + Δ₂^/// =83,53+1=84,53.

Сумма гидродинамических  депрессий

ΣΔ^/// = Δ₁^/// + Δ₂^/// = 1+1 = 2 ⁰С.

По температурам вторичных паров определим их давление.

Таблица 2.2 Давление вторичных паров

Температура, °С	Давление, МПа
tвп1 =134,56	Pвп1 =0,309
tвп2 =84,53	Pвп2 = 0,057

 

Гидростатическая  депрессия обусловлена разностью  давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению:

Р_ср = P_вп + ρ·g·H (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.