Рассчет выпарной установки упаривания раствора водного хлористого кальция

KURSOVOJ_PAKhT_VYPARKA.docx

Определение поверхности теплообмена выпарных аппаратов
1.Концентрации упариваемого раствора
2.Температуры кипения растворов
3.Полезная разность температур
4.Определение тепловых нагрузок
5.Выбор конструкционного материала
6.Расчет коэффициентов теплопередачи
7.Распределение полезной разности температур
8.Уточненный расчет поверхности теплопередачи
Определение толщины тепловой изоляции
Расчет барометрического конденсатора
1.Расход охлаждающей воды
2.Диаметр конденсатора
3.Высота барометрической трубы
4.Расчет производительности вакуум насоса
В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси концентрирование которых осуществляется выпариванием отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость плотность температура 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 протнвоточные одно- н 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 в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.
В приведенном ниже типовом примере расчета трехкорпусной установки состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной камерой) и кипением раствора в трубах даны также рекомендации по расчету выпарных аппаратов некоторых других типов: с принудительной циркуляцией вынесенной зоной кипения пленочных.
Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки показана на рис. 1. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры близкой к температуре кипения) а затем — в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.
Рис.1. Принципиальная схема выпарной установки:
– ёмкость для исходной смеси; 2 10 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4-6 – выпарные аппараты; 7 – бараметрический конденсатор; 8 – вакуум-насос; 9 – гидрозатвор; 11 – ёмкость упаренного раствора; 12 – конденсатоотводчик.
Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора поступившего из второго 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 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконден-сирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.
Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.
Задание на проектирование. Спроектировать трехкорпусную выпарную установку упаривания Gн=417 кгс (согласно техническому заданию Gн=15000 кгч) раствора водного раствора хлорида кальция от начальной концентрации xн=8 % (масс.) до конечной xк =30 % (масс) при следующих условиях:
) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Рг1 = 4 атм (0392 МПа);
) давление в барометрическом конденсаторе Рбк = 02 атм (00196 МПа);
) число корпусов – 2;
) взаимное направление пара и раствора – прямоток;
) начальная температура раствора 20ºС.
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:
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:
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 .
Далее расчитывают концентрации растворов в корпусах
Концентрация раствора в последнем корпусе x2 соответствует заданной концентрации упаренного раствора хк.
Общий перепад давлений в установке равен (в МПа):
В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:
Давление пара в барометрическом конденсаторе
что соответствует заданному значению .
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1]:
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 от температурной () гидростатической () и гидродинамической () депрессий (=++).
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара yа преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают =10-15 град на корпус. Примем для каждого корпуса =1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ºC) равны:
Сумма гидродинамических депрессий
По температурам вторичных паров определим их давления [1]. Они равны соответственно (в МПа): .
Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению
где Н – высота кипятильных труб в аппарате м; ρ – плотность кипящего раствора кгм3; – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе) м3м3.
Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000 Втм2 аппаратов с принудитель-ной циркуляцией q=40000-80000 Втм2. Примем q =40000 Втм2. Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:
где – теплота парообразования вторичного пара Джкг [1].
По ГОСТ 11987–81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1 исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре dн=38 мм и толщине стеики ст=2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.
При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет =04–06. Примем =05. Плотность водных растворов в том числе раствора хлорида кальция при температуре 20 ºC и соответствующих концентрациях в корпусах равна:
ρ1= 1050 кгм3 ρ2=1210 кгм3
При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 ºC до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения .
Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:
Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ºC):
Сумма гидростатических депрессий
Температурную депрессию определим по уравнению
где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб К; – температурная депрессия при атмосферном давлении. Находим значение по корпусам (в ºC):
Сумма температурных депрессий
Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ºC):
Общая полезная разность температур равна:
Полезные разности температур по корпусам (в ºC) равны:
Тогда общая полезная разность температур
Проверим общую полезную разность температур:
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; – теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах кДж(кг·К) [3] ; – теплоты концентрирования по корпусам кВт; – температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; ºC (где – температурная депрессия для исходного раствора); при решении уравнений можно принять
Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры [5] показал что она наибольшая для последнего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 2-го корпуса:
где – производительность аппаратов по сухому хлорида кальция кгс; – разность интегральных теплот растворения при концентрациях х1 и х2 Джкг [3]. Тогда
Сравним с ориентировочной тепловой нагрузкой для 2-го корпуса :
Поскольку составляет значительно меньше 3% от в урав-нениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной . Получим систему уравнений:
Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:
Результаты расчета сведены в таблицу:
Производительность по испаряемой воде кг с
Концентрация растворов х %
Давление греющих паров Рг МПа
Температура греющих паров tг ºС
Температурные потери град
Температура кипения раствора tк ºС
Полезная разность температур Δtп град
Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно не превышает 3 % поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.
Выбираем конструкционный материал стойкий в среде кипящего раствора водного хлористого кальция в интервале изменения концентраций от 8 до 30 % [6]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 01 ммгод коэффициент теплопроводности λст= 251 Вт(м·К).
Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
Примем что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен [1]:
где – теплота конденсации греющего пара Джкг; –соответственно плотность (кгм3) теплопроводность Вт(м·К) вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки где – разность температур конденсации пара и стенки град.
Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем =20 град. Тогда
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение
где – удельная тепловая нагрузка Втм2; – перепад температур на стенке град; – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора град. Отсюда
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен
Подставив численные значения получим:
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
Для второго приближения примем = 30 град.
Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры рассчитаем по соотношению
Поведем аналогичный расчет для второго корпуса получим
Вт(м2·К); град; град; Вт(м2·К) ;
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:
где – соответственно полезная разность температур тепловая нагрузка коэффициент теплопередачи для j-го корпуса. Подставив численные значения получим:
Проверим общую полезную разность температур установки:
Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле
Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты диаметра и числа труб).
Как видно 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 и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны) во втором приближении принимаем такие же значения и для каждого корпуса как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:
Производительность по испаряемой воде кгс
Концентрация растворов %
Температура греющего пара в 1-м корпусе °С
Полезная разность температур град
Температура кипения раствора °С
Температура вторичного пара °С
Давление вторичного пара МПа
Температура греющего пара °С
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 приведено ниже:
Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышают 5 %.
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:
где – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду Вт(м2·К) [7]; –температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов работающих в закрытом помещении – выбирают в интервале 35-45ºС а для аппаратов работающих на открытом воздухе в зимнее время — в интервале 0-10 ºС; – температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции принимают равной температуре греющего пара ; – температура окружающей среды (воздуха) °С; – коэффициент теплопроводности изоляционного материала Вт(м·К).
Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:
В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85 % магнезии + 15% асбеста) [11] имеющий коэффициент теплопроводности = 009 Вт(м·К). Тогда получим
Принимаем толщину тепловой изоляции 005 м и для других корпусов.
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 °С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.
Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы производительность вакуум-насоса.
Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора
где – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе Джкг; –начальная температура охлаждающей воды °С; – конечная температура смеси воды и конденсата °С.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конден-сатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды на выходе нз конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:
Диаметр барометрического конденсатора определяют из уравнения расхода:
где ρ — плотность паров кгм3; — скорость паров мс.
При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров = 15-25 мс. Тогда
По нормалям НИИХИММАШа [12] подбираем конденсатор диаметром равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром =1600 мм.
В соответствии с нормалями [12] внутренний диаметр барометри-ческой трубы равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе
Высота барометрической трубы
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе Па; – сумма коэффициентов местных сопротивлений; λ – коэффициент трения в барометрической трубе; 05 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления м.
где – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее. Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:
Для гладких труб λ= 0013 [1].
Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа (воздуха) который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
где – количество газа выделяющегося из 1 кг воды; 001 – количество газа подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.
Объемная производительность вакуум-насоса равна:
где R – универсальная газовая постоянная Дж(кмоль·К); –молекулярная масса воздуха кгкмоль; – температура воздуха °С; – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению
Давление воздуха равно:
где – давление сухого насыщенного пара (Па) при °С. Подставив получим
Зная объемную производительность и остаточное давление по каталогу [13] подбираем вакуум-насос типа ВВН-6 мощностью на валу N = 125 кВт.
Механические расчеты
1.Расчет толщины обечаек и днища
Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки нагруженной внешним давлением рассчитываем по формуле:
где pн – наружное давление равное разности атмосферного и данного.
[] – напряжение на растяжение для материала обечайки.
Для стали Х17 []=134 мНм2
Тогда расчет ведем по формуле:
С – прибавка к расчётным толщинам.
где П – скорость коррозии или эрозии П = 01 ммгод
– срок службы аппарата принимаем = 20 лет.
Для обечаек с диаметром больше 200мм должно соблюдаться условие:
(6–2) 1000 = 0004 01 – условие выполняется.
Толщину крышки и днища принимаем такой же т.е. 6 мм
Расчёт штуцеров сводится к определению диаметра штуцера по уравнению:
где w - скорость для жидкости принимаем 15 мс для пара – 15 мс.
)Штуцер для ввода исходной смеси.
V= 4171050 = 3974 10-4 м3с.
По ОН 26-01-34-66 примем штуцер с наружным диаметром 64 мм с условным проходом Dу=50 мм.
)Штуцер для вывода упаренной смеси.
V = (417-141)1230 = 2203 10-4 м3с.
)Штуцер для вывода вторичного пара.
По ОН 26-01-34-66 примем штуцер с условным проходом Dу=500 мм.
)Штуцер для входа греющего пара.
V = 145151 =096 м3с.
По ОН 26-01-34-66 примем штуцер с условным проходом Dу=300 мм.
В процессе проделанной работы была рассчитана выпарная установка упаривания раствора водного хлористого кальция.
По ГОСТ 11987-81 [2] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:
Номинальная поверхность теплообмена
Диаметр греющей камеры
Диаметр циркуляционной трубы
Общая высота аппарата На
Рассчитали материальный баланс установки построили графики и таблицы.
Список используемой литературы
Павлов К.Ф. Романков П.Т. Косков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -Л.: Химия1987.
Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского. -М.: Химия1987.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия 1971.
Справочник химика. М. – Л. Химия. Т. III. 1962.
ОСТ 23716-73 Барометрические конденсаторы.
ГОСТ 11987-81 Аппараты выпарные трубчатые.