Расчет выпарного аппарата

1. Материальный баланс

Исходные данные:

·        раствор - Хлори́д ма́гния МgCI_2;

·        начальная концентрация раствора: b₀=3%;

·        конечная концентрация раствора: b_к=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,

где -теплоемкость 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 120^oC, а во 2-ом - 80^оС.

Таблица 2.1. Параметры воды и раствора

Физико-химические температурные депрессии определяем по рис. 4.1 [1] с соответствующей поправкой на давление; оцениваем гидростатические и гидравлические депрессии; все данные сводим в табл. 2.2:

Таблица 2.2. Величины депрессий

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.

ε=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 t_s=159 - температура греющего пара при Р=0,6 МПа;

Q₂=74^оС - 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: Dt=Dt₁+Dt₂=75.6^oC, то:

^оС,

^оС.

Температура кипения раствора в 1-ом корпусе:

t₁=t_s-Dt₁=129-27.2=101.8 ^oC.

Температура вторичного пара в 1-ом корпусе:

q₁=t₁-D₁=101.8-4.2=97.6 ^oC.

Температура кипения раствора во 2-ом корпусе:

t₂=t`_s+D=74+9.4=83.4 ^oC,

где    t`_s=74^oC - температура пара при Р=0,6 ата.

Температура греющего пара во 2-ом корпусе:

q`1=t₂+Dt₂=83.4+48.3=131.7^oC.

Температура вторичного пара во 2-ом корпусе:

q₂=t₂-D₂=83.4-5.2=78.2^oC.

На основе полученных результатов и данных, взятых из таблиц водяного пара, составляем табл. 2.3.

Таблица 2.3. Температуры и энтальпии пара и жидкости

2.2 Расчёт теплообмена

Коэффициент теплообмена между конденсирующимся паром и стенкой для 1-го корпуса:

Вт/(м²·К),

где B`=5700+56·t_s-0.09·t_s²=5700+56·151.9-0.09·151.9²=1.2·10⁴ - полином; принимаю Dt=2.2^оС - 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 v=1,5 - скорость раствора в трубках;

d=32 мм - диаметр трубок.

Коэффициент теплопередачи для 1-го корпуса:

,

где d_ст и l_ст - параметры материала стенки;

d_Н и l_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 d_ст и l_ст - параметры материала стенки;

d_Н и l_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 [1].

Приняв b₁=0, поскольку t_o=t₁ и s₂=0 (по условию), найдём:

,

X₂=2-b₂=2-0.01=1.99, Y₂=2·b₁+b₂=b₂=0.01, Z₂=1.

При этом расход пара в 1-ом корпусе на 1 кг раствора составит:

Полный расход пара:

D=G_o·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 11987-81 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 w 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=(1.3¸1.5)·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`+d_нар+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 w 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=(1.3¸1.5)·d=50 мм. По табл. 3-1 [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`+d_нар+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.

где z₁ - коэффициент сопротивления крепёжной муфты;

z₂ - коэффициент сопротивления внезапного расширения;

z₃ - коэффициент сопротивления входа в решётку;

z₄ - коэффициент сопротивления выхода из решётки;

z₅ - коэффициент сопротивления сужения тракта.

Сопротивление движению по трубкам:

Па,

где

Полное сопротивление 1-го корпуса:

Dh₁=Dh_m1+Dh_тр1=12721+139=12860 Па.

Для 2-го корпуса:

где z₁ - коэффициент сопротивления крепёжной муфты;

z₂ - коэффициент сопротивления внезапного расширения;

z₃ - коэффициент сопротивления входа в решётку;

z₄ - коэффициент сопротивления выхода из решётки;

z₅ - коэффициент сопротивления сужения тракта.

Сопротивление движению по трубкам:

Па,

где

Полное сопротивление 2-го корпуса:

Dh₂=Dh_m2+Dh_тр2=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

Dh`<sub>1</sub>=Dh`_тр1+Dh`_м1=191+580=771 Па.

Второй участок:

Па,

где

Dh`<sub>2</sub>=Dh`_тр2+Dh`_м2=150+909=1059 Па.

Третий участок:

Па,

где

Dh`<sub>3</sub>=Dh`_тр3+Dh`_м3=42+127=169 Па.

Тогда полное сопротивление тракта равняется:

Dp=Dh₁+Dh₂+Dh`<sub>1</sub>+Dh`₂+Dh`₃=12860+3900+771+1059+169=18759 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.

.        Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. Химия, 1991.

.        Несенчук А.Н. Промышленные теплотехнологии. Ч. 2 Минск: Высш. шк. 1995.