Выпарная установка двухкорпусная для упаривания водного раствора хлорида магния

Техсхема.dwg

Установка выпарная двухкорпусная Технологическая схема
Конденсатор барометрический
Условное обозначение
Наименование среды в трубопроводе
Вода оборотная(подача)
Вода оборотная(возврат)

Курсовая.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ Т.Ф. ГОРБАЧЕВА
Кафедра энергоресурсосберегающих процессов в химической и нефтегазовой технологиях
«Процессы и аппараты природоохранных производств»
«Выпарная установка двухкорпусная для упаривания водного раствора хлорида магния»
Обоснование выбора базовой конструкции аппарата5
1. Описание конструкции аппарата 11
Описание технологической схемы14
Расчет основного аппарата15
1. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата15
1.1 Концентрации упариваемого раствора16
1.2. Температуры кипения растворов16
1.3. Полезная разность температур20
1.4. Определение тепловых нагрузок21
1.5. Выбор конструкционного материала23
1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи23
1.7. Распределение полезной разности температур28
1.8. Уточненный расчет поверхности теплопередачи30
1.9. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки32
Список использованной литературы36
Целью данной работы является проектирование 2-х корпусной выпарной установки для концентрирования раствора хлорида магния.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
Выбор базовой конструкции выпарного аппарата
Выбор технологической схемы производства
расчет основных конструкционных параметров аппарата
Выпариванием называется процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ который сопровождается испарением растворителя при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель частично удаляется из всего объема раствора. В большинстве случаев выпариванию подвергают водные растворы твердых веществ и удаляемый растворитель представляет собой водяной пар (вторичный пар). В химической промышленности выпариванию подвергают не только растворы щелочей солей и др. но и также растворы высококипящих жидкостей обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара (некоторые минеральные и органические кислота многоатомные спирты и др.). В ряде случаев выпаренный раствор подвергается последующей кристаллизацией
Концентрирование растворов методом выпаривания – одно из наиболее распространенных технологических процессов в химической пищевой металлургической и других отраслях промышленности. Концентрированные растворы и твердые вещества легче и дешевле перерабатывать хранить и транспортировать.
Выпаривание под атмосферным давлением проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки состоящие из нескольких выпарных аппаратов или корпусов в которых вторичный пар каждого предыдущего направляется в качестве греющего в последующий корпус. В таких установках первичным паром обогреваются только первый корпус. Следовательно в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности. [1]
В литературе описано множество конструкций выпарной аппаратов только небольшое число обусловлено индивидуальными особенностями выпариваемых растворов. Так как единой классификации выпарных аппаратов нет выбор осуществляется исходя из конструктивного оформления поверхности нагрева и свойствах используемого теплоносителя. Наибольшее распространение в промышленности получили выпарные аппараты обогреваемые конденсирующимся водяным паром реже – топочными газами и высококипящими органическими теплоносителями очень редко – электрическим током.
Рассматриваемый выпарной аппарат предназначен для концентрирования хлорида магния от концентрации 12 % (масс.) до 23 % (масс.) путем частичного удаления летучего растворителя испарением в процессе кипения раствора
Исходный раствор MgCl2 имеет желтоватый цвет и температуру кипения 102 0С в сухом виде следующие характеристики:
Теплоемкость 3230 Дж(К*кг);
Плотность 2316 кгм3;
Теплопроводность 0.497 Вт(м*град);
Температура плавления 713 0С
Растворимость в воде при 20 0С – 353% по массе.
Наиболее устойчив гидрат MgCl2 * 6H2O который встречается в природе в виде минерала бишофита. [2]
Обоснование выбора базовой конструкции аппарата
В области химической промышленности чаще используются выпарные установки непрерывного действия имеющие большую производительность из-за внушительной нагревающейся поверхности. Нагревательные камеры таких аппаратов могут быть непосредственно соосно соединены с сепараторами в единое устройство. Возможно и устройство состоящее из двух самостоятельных элементов: нагревательной камеры и сепаратора. Также есть выпарные установки периодического действия.
При непрерывном действии в аппарат непрерывно подают раствор получают нужную концентрацию а упаренный раствор также непрерывно из него выводят. При периодическом - выпаривание проводят с целью получения концентраций высокой степени при условии малой производительности оборудования. При этом в аппарат подают раствор затем выпаривают его до нужного состояния концентрации обязательно сливают и опять загружают новую дозу того же раствора.
Разнообразные конструкции выпарных аппаратом применяемые в промышленности можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки змеевики трубчатки различных видов) и по ее расположению в пространстве (аппараты с вертикальной горизонтальной иногда с наклонной нагревательной камерой) по роду теплоносителя (водяной пар высокотемпературные носители электрический ток и др.) а также в зависимости от того движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако наиболее существенным признаком классификации характеризующие интенсивность их действия следует считать вид и кратность циркуляции раствора.
Хорошая циркуляция раствора в аппарате способствует интенсификации теплообмена в первую очередь со стороны кипящей жидкости. Как известно увеличение скорости движения жидкости приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя снижению его термического сопротивления и повышению коэффициента теплоотдачи. Кроме того циркуляция раствора предотвращает быстрое отложение на стенках кипятильных труб твердой фазы (накипи). Появляется возможность осуществлять выпаривание кристаллизующихся и высоковязких растворов. [1]
1 Выпарной аппарат с естественной циркуляцией
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты по конструкции и применяются для выпаривания растворов с невысокой вязкостью не склонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с соосной и вынесенной греющей камерой (рисунок 1 а и б).
Рис. 1. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора. 1 -греющая камера; 2 — сепаратор; 3 — циркуляционная труба. а — с соосной греющей камерой; б — с вынесенной греющей камерой
Выпарной аппарат состоит из сепаратора греющей камеры и циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают различной конструкции отбойники. Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубного теплообменника в межтрубное пространство которого поступает греющий пар а в греющих трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.
Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе состоящей из не обогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость в трубах нагрета до кипения то в результате выпаривания части жидкости в этих трубах образуется парожидкостная смесь плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше чем в кипятильных трубах вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы — паровое пространство — циркуляционная труба — трубы и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.
Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции.
2 Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора
Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи.
На рисунке 2 показаны такие аппараты с соосной и вынесенной греющей камерой.
Рис. 2. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора. 1 — греющая капера; 2 — сепаратор; 3 — циркуляционная труба; 4 – насос а — с соосной греющей камерой; б — с вынесенной греющей камерой
Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений.
Давление внизу кипятильных труб больше чем вверху на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Ввиду этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси выходящей из кипятильных труб очень велико.
Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 15-35 мс. Скорость циркуляции жидкости определяется производительностью циркуляционного насоса поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3 — 5°С) и при выпаривании растворов с большой вязкостью.
Достоинствами аппаратов с принудительной циркуляцией являются высокие коэффициенты теплопередачи (в З-4 раза больше чем при естественной циркуляции) а следовательно и значительно меньше площади поверхности теплопередачи а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур.
Недостаток этих аппаратов — затраты энергии на работу насоса.
Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.
3 Пленочный выпарной аппарат
Пленочные выпарные аппараты применяются для концентрирования растворов чувствительных к высоким температурам. При необходимом времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается. Выпаривание в пленочных аппаратах происходит за один проход раствора через трубы.
Пленочные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой и падающей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой.
Пленочные аппараты как и описанные выше состоят из греющей камеры и сепаратора. В греющей камере расположены трубы длиной от 5 до 9 м которые обогреваются греющим парой.
На рисунке 3 а показан пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и соосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20 — 25% высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб а пар движется по оси трубы с большой скоростью увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.
На рисунке 3 б показан аппарат с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в греющую камеру а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора .
Рис. 3. Пленочные выпарные аппараты.1 — сепаратор; 2 — греющая камера; а — с восходящей пленкой и соосной греющей камерой; б — с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой
Недостатком пленочных аппаратов является неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора как в аппаратах с принудительной циркуляцией.
Таким образом исходя из сравнительной характеристики выпарных аппаратов и установок а также согласно заданию на курсовой проект выбирается двухкорпусная трубчатая выпарная установка корпуса которой представляют собой вертикальные трубчатые аппараты непрерывного действия с естественной циркуляцией соосной греющей камерой и солеотделением (Тип 1 исполнение 3). [1]
1. Описание конструкции аппарата
Многие соли магния хорошо растворимы в воде. Поэтому образование их осадков очень часто связанно с кристаллизацией из водных растворов. Естественная циркуляция в выпарных аппаратах позволяет осуществлять выпаривание кристаллизирующихся и высоковязких растворов а сборник с солеотделением позволяет выводить часть упаренных кристаллов с упаренным раствором.
Многокорпусные выпарные аппараты состоят из двух- трех- и более последовательно соединенных корпусов через которые последовательно движется раствор. Каждый последующий корпус обогревается вторичным паром образовавшимся в предыдущем корпусе; первичным паром обогревается лишь первый корпус. Достигается значительная экономия первичного пара следовательно уменьшаются экономические и энергетические затраты.
Наиболее эффективным агрегатом для выпаривания раствора MgCl2 является двухкорпусная выпарная трубчатая установка с естественной циркуляцией с соосной греющей камерой и солеотделением. Схема представлена на рисунке 4.
I – вход греющего пара
II – выход вторичного пара
V – выход конденсата
Рис.4. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией соосной греющей камерой и солеотделением.
Выпарной аппарат с естественной циркуляцией соосной греющей камерой вынесенной зоной кипения и солеотделением (тип I) состоит из греющей камеры 1 сепаратора с трубой вскипания 2 циркуляционной трубы 3 и солеотделителя 4. Греющая камера 1 представляет собой одноходовой кожухотрубчатый теплообменник сепаратор - цилиндрическийсосуд с верхним эллиптическим и нижним коническим днищами. Внутри сепаратора установлен первичный каплеотбойник а в верхней части закреплен брызгоотделитель.
Раствор подлежащий упариванию подается в аппарат через один из штуцеров III. При работе аппарата уровень раствора должен поддерживаться по верхней кромке трубы вскипания. Снижение уровня приводит к уменьшению производительности а повышение - вызывает гидравлические удары и повышенный унос раствора вторичным паром.
Циркуляция раствора в аппарате осуществляется по замкнутому контуру сепаратор - циркуляционная труба - солеотделитель - греющая камера - сепаратор. Образовавшаяся при упаривании часть кристаллов осаждается в солеотделителе и выводится с упаренным раствором через нижний штуцер IV. Греющий пар I подается в межтрубное пространство греющей камеры. В аппаратах этого исполнения кипение раствора происходит в трубе вскипания ввиду чего отложение кристаллов на внутренней поверхности греющих труб уменьшается а работа аппарата улучшается.
Установка химического аппарата на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор. Так как выпарной аппарат расположен вертикально он устанавливается на опоры-лапы
Описание технологической схемы
Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки приведена в приложении 1. Исходный разбавленный раствор центробежным насосом Н1 подается в теплообменник Т (где подогревается до температуры близкой к температуре кипения) а затем – в первый корпус АВ1 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате АВ1.
Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе направляется в качестве греющего во второй корпус ВА2. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса.
Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара во второй корпус возможен благодаря общему перепаду давлений возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара этого корпуса в барометрическом конденсаторе смешения БК. Смесь охлаждающей 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 и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков [1].
Задание: выпарная установка 2-х корпусная для упаривания водного раствора MgCl2 производительностью 10 тч (278 кгс). Раствор поступает на выпарку с температурой 102 0С и упаривается от 12% (масс.) до 23% (масс.).
Расчет основного аппарата
1. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:
гдеF - поверхность теплопередачи м2;
Q - тепловая нагрузка кВт;
К - коэффициент теплопередачи кВт(м2*К);
tп - полезная разность температур 0С
Для определения тепловых нагрузок Q коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δtп необходимо знать распределение упариваемой воды концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.
Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:
гдехн- концентрация исходного раствора % (масс.);
хк- концентрация упаренного раствора % (масс.);
Gн- расход исходного раствора кгс;
W- Производительность установки по выпариваемой воде.
1.1 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 соответствии с соотношением:
Тогда по рекомендованной формуле [1 стр. 167]
Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах [1 стр. 167]:
Концентрация раствора в последнем корпусе хз соответствует заданной концентрации упаренного раствора хк.
1.2. Температуры кипения растворов
Общий перепад давлений в установке равен [1 стр. 167]:
Принимаем Рбк=00147 МПа
В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны [1 стр. 167]:
РГ2- давление греющего пара во втором корпусе МПа
Давление пара в барометрическом конденсаторе
что соответствует заданному значению.
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [2]:
При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентрации 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.
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 от температурной () гидростатической () и гидродинамической () депрессий ().
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара иа преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус.
Примем для каждого корпуса = 15 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в оС) равны[1 стр. 167]:
Сумма гидродинамических депрессий [1 стр. 168]
По температурам вторичных паров определим их давления.
Они равны соответственно (в МПа):
Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в ср·едием слое кипящего раствора Рср каждого корпуса определяется по уравнению [1 стр. 168]
где Н- высота кипятильных труб в аппарате м;
р - плотность кипящего раствора кгм3;
- паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе) м3 м3.
Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fop· При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000 - 50 000 Втм2 аппаратов с принудительной циркуляцией q=40 000-80 000 Втм2. Примем q=10 000 Втм2. Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна [1 стр. 167]:
где r1 -теплота парообразования вторичного пара Джкг.
По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией соосной греющей камерой и солеотделением (тип 1 исполнение 3) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 6 м при диаметре dн=38 мм и толщине стенки ст =2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н= 25.
При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет = 04-06. Примем. =04. Плотность водных растворов в том числе раствора MgCl2 при температуре 20 оС и соответствующих концентрациях в корпусах равна [1 стр. 168]:
ρ1 = 11198 кгм3 ρ2= 12353 кгм3.
При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 оС до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения . Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны [1 стр. 168]:
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [4]:
Определим гидростатическую депрессию по корпусам в оС [1 стр. 168]:
Сумма гидростатических депрессий [1 стр. 169]:
Температурную депрессию определим по уравнению
где Т - температура паров в среднем слое кипятильных труб К;
-температурная депрессия при атмосферном давлении 0С;
rвп- удельная теплота парообразования вторичного пара Джкг.
Находим значение по корпусам (в оС):
Сумма температурных депрессий
Температуры кипения растворов в корпусах равны в оС [1 стр. 169]:
1.3. Полезная разность температур
Общая полезная разность температур равна [1 стр. 170]:
Полезные разности температур по корпусам (в оС) равны [1 стр. 170]::
Тогда общая полезная разность температур
Проверим общую полезную разность температур [1 стр. 170]:
1.4. Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в 1-й корпус производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:
где 103- коэффициент учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;
с с1 - теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах кДж (кг· К)
Qконц Q2конц - теплоты концентрирования по корпусам кВт;
tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе [1 стр. 170];
(где - температурная депрессия для исходного раствора).
При решении уравнений можно принять:
Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал что она наибольшая для второго корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 2-го корпуса:
где - производительность аппаратов по сухому MgC
- разность интегральных теплот растворения при концентрациях х1 кДжкг.
Сравним Q2конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 2-го корпуса
Поскольку составляет значительно меньше 3% от в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной .
Получим систему уравнений:
Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:
D= 064 кгс = 0614 кгс = 0716 кгс
Результаты расчета сведены в таблицу 1.
Производительность по испаряемой воде кгс
Концентрация растворов x %
Давление греющих паров P Мпа
Температура греющих паров tr °C
Температурные потери град
Температура кипения раствора tk °C
Полезная разность температур tп град
Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых(1=0.614 кгс; 2=0.716 кгс) не превышает 3 % поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения раствора по корпусам.
1.5. Выбор конструкционного материала
Выбираем конструкционный материал стойкий в среде кипящего раствора KOH в интервале изменения концентраций от 12 % до 23%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки X17. Скорость коррозии её не менее 0.1 ммгод коэффициент теплопроводности ст=25.1 Вт(м*К) [1 стр. 171]:.
1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
Примем что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки стλст и накипи нλн. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.
Получим [1 стр. 172]:
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен:
где -теплота конденсации греющего пара Джкг;
-соответственно плотность (кгм3) теплопроводность Вт(м*К) вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки tnл =tr1- Δt12
где Δt1 - разность температур конденсации пара и стенки град.
Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Δt1 =20 град.
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение [1 стр. 172]:
где q - удельная тепловая нагрузка Втм2;
- перепад температур на стенке град;
- разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора град.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен
Подставив численные значения получим:
Физические свойства кипящих растворов MgCl2 и их паров приведены ниже:
Теплопроводность раствора λ Вт (м· К)
Плотность раствора ρ кгм3
Теплоемкость раствора с Дж (кг· К)
Вязкость раствора Па ·с
Поверхностное натяжение Нм
Теплота парообразования rв Джкг
Плотность пара ρн кгм3
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок [1 стр. 173]:
Рис. 5. Распределение температур в процессе теплопередачи от пара к кипящему раствору через многослойную стенку: 1 – пар; 2- конденсат; 3 – стенка; 4 – накипь; 5 – кипящий раствор
Для второго приближения примем Δt1 = 30 град. Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на l0 град рассчитаем по
Соотношению [1 стр. 173]:
Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем Δt1 = 25 град
Рис.6. Зависимость удельной тепловой нагрузки
Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2. Для этого найдем:
1.7. Распределение полезной разности температур
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи (4.20):
где- соответственно полезная разность температур тепловая нагрузка коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.
Проверим общую полезную разность температур установки [1 стр. 175]
Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (4.1):
Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fop· Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты диаметра н числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур представлено ниже:
Распределенные в 1-м приближении значения град
Предварительно рассчитанные значения град.
Как видно полезные разности температур рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-ом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры(давления) между корпусами установки. В основе этого перераспределения температур(давлений) должны быть положены полезные разности температур найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.
1.8. Уточненный расчет поверхности теплопередачи
В связи с тем что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны) во втором приближении принимаем такие же значения для каждого корпуса как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:
Производительность по испаряемой воде w кгс
Концентрация растворов
Температура греющего пара в 1-м корпусе tr1 ОС
Полезная разность температур град
Температура кипения раствора ОС
Температура вторичного пара
Давление вторичного пара Рвп
Температура греющего пара
Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):
Расчет коэффициентов теплопередачи выполненный описанным выше методом приводит к следующим результатам [в Вт(м2 ·К)]:
Распределение полезной разности температур:
Проверка суммарной полезной разности температур:
Сравнение полезных разностей температур полученных во 2-м и 1-м приближениях
во 2-м приближении град
в 1-м приближении. град
Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышают 5 %.
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
По ГОСТ 11987-81 [7] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:
Характеристики выпарного аппарата
Номинальная поверхность теплообмена Fн
Диаметр греющей камеры dк
Диаметр сепаратора dc
Диаметр циркуляционной трубы dц
Общая высота аппарата На
1.9. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки
Расчетная температура стенки [1 с. 150]
Где tc - наибольшая температура среды.
Ри - пробное давление гидравлических испытаний [1 с.150]:
Для сосудов высотой менее 8 м расчетное давление принимаем без учета гидростатического давления т.е. Ри определяется по [1 таб. 2.1]:
Толщина стенки цилиндрической обечайки [1 с.144]:
Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки:
Исполнительная толщина стенки [1 с.144]:
В курсовой работе была рассмотрена двухкорпусная выпарная установка и ее технологическая схема.
Были произведены основные расчеты по определению поверхности теплоотдачи выпарного аппарата концентрации упариваемого раствора хлорида магния. Исходя из свойств соли был выбран аппарат первого типа третьего исполнения выпарной трубчатый аппарат с естественной циркуляцией соосной греющей камерой и солеотделением.
В таблице 7 содержатся основные конструкционные параметры выпарного аппарата.
Основные конструкционные параметры выпарного аппарата
Номинальная поверхность теплообмена FH м2
Диаметр греющей камеры dк мм
Диаметр сепаратора dс мм
Диаметр циркуляционной трубы dц мм
Общая высота аппарата На мм
Список использованной литературы
Справочник химика. М.Л.: Химия Т 3 1962 1008 с.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия 1973. 750 с.
Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии К.Ф. Павлов П.Г. Романков А.А. Носков. Л.: химия 1987. 576 с.
Воробьёва Г.Я. Коррозионная стойкость металлов в агрессивных средах химических производств: Справочник. М.: Химия1975. 861 с.
Каталог УКРНИИХИММАШа. Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ 1979. 328 с.
ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые

Аппарат.cdw

Труба циркуляционная
Выход вторичного пара
Для термометра сопротивления
Для термомерта ртутного
Для манометра или мановакуумметра
Промывка смотрового окна
Для указателя уровня
Для выравнивания давления
Аппарат предназначен для упаривания водного раствора MaCl
начальной концентрации 12% масс. до конечной 23% масс.
Производительность 2
кгс (по исходному раствору).
Поверхность теплообмена 63м
Абсолютное давление в аппарате от 1
Максимальная температура в трубном пространстве 112
межтрубном пространстве - 158
Среда в аппарате и трубном пространстве - водный раствор MaCl
в межтрубном пространстве - насыщенный водяной пар и его конденсат
Аппарат выпарной с естественной
греющей камерой и солеотделением.
При изготовлении аппарата руководстововаться ОСТ 26-01-112-79
Корпус аппарата и соприкосающиеся с упариваемым раствором детали изготовить из стали Х17 ГОСТ 5632-72
стали Ст 3 сп. ГОСТ 380-71.
Аппарат испытать на прочность и плотность в горизонтальном положении пробным гидравлическим давлением 0
Аппарат подлежит приемке согласно правилам приемки Госгортехнадзора.
Сварные соединения контролировать рентгенопросвечиванием в объеме 100% по ОСТ 26-291-71. Сварные соединения
нержавеющих сталей контролировать на стойкость против межкристаллитной коррозии по ГОСТ 6032-84.
Неуказанный вылет штуцеров-120 мм.
Действительное расположение штуцеров
смотровых окон см. на виде А.
Размеры для справок.
Технические требования
Техническая характеристика