Содержание
Введение
1.1 Литературный обзор по теории и технологии процесса выпарки
1.2 Обоснование выбора и описание технологической схемы
1.3 Выбор конструкционных материалов аппаратов
2.1 Материальный баланс установки
2.2 Тепловой расчёт установки
2.3 Определение расхода греющего пара
2.4 Определениеповерхности теплопередачи, выбор типа выпарного аппарата
2.5 Расчёт и выборвспомогательного оборудования (насос, конденсатоотводчик, барометрическийконденсатор)
2.6 Расчёт диаметровтрубопроводов и штуцеров
2.7 Расчёт толщинытеплоизоляционных покрытий
2.8 Расчёт и выбортеплообменника исходной смеси
3. Основныетребования техники безопасности при эксплуатации выпарных установок
Список используемой литературы
Введение
Выпаривание — термический процессконцентрирования растворов твердых веществ, при кипении и частичном удалениижидкого растворителя в виде пара. В химической и смежной с ней отрасляхпромышленности 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, нетермостойкиерастворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиямпроведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многостадийныемногокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.В технике процесс выпаривания (упаривания) получил широкое распространение, таккак многие вещества (сахар, поваренная соль, щелочные металлы, аммиачнаяселитра и многие другие) получают в виде слабых водных растворов, а в готовомдля потребления, хранения или транспорта виде они должны быть полностью иличастично обезвожены. Такимобразом, выпарная установка является важным элементом оборудования многихпредприятий химической, пищевой и других отраслей промышленности. Отправильного её расчёта и конструирования нередко зависит нормальная работа цехаили завода в целом. В общем случае выбор схемы выпарной установки являетсязадачей оптимального поиска и выполнятся технико-экономическим сравнениемразличных вариантов с использованием ЭВМ. Впервые выпаривание, как технологический процесс получилоприменение в производстве сахара. В России в 1802 г. был построен первыйсахарный завод с применением упаривания сахарного сиропа. Глубокое научное обоснованиеи анализ процессов выпарки дан в 1915 г. русским ученым И. А. Тищенко вмонографии «Современные выпарные аппараты и их расчёт».
1.1.Литературный обзорпо теории и технологии процесса выпарки
Выпаривание – термическийпроцесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ при кипении иудалении жидкого нелетучего растворителя в виде паров. Выпаривание применяютдля концентрирования растворов в производстве минеральных солей, органическихполупродуктов и удобрений, белково-витаминных концентратов, кормовых дрожжей идругих продуктов, а также для регенерации различных растворов (с целью возвратаих в технологический цикл) и термического обезвреживания промышленных стоков.
Растворитель можетпревращаться в пар при кипении жидкости или при поверхностном её испарении. Ввыпарных аппаратах применяется более интенсивный из этих способов превращения растворителяв пар, а именно кипение. Впервые выпаривание получило промышленное применение впроизводстве сахара, а в дальнейшем и в химической промышленности. Приконцентрировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса.
В элементарном видепроцесс выпаривания можно осуществить в простом открытом или закрытом сосуде,наполненном раствором, при подводе к нему тепла для кипения и отводеобразующихся паров в атмосферу или в конденсирующее устройство.
Выпарные аппараты попринципу работы и конструктивному оформлению имеют много общего с испарителями,применяемыми на электростанциях. Но процесс выпарки водных растворов в выпарныхаппаратах имеет принципиальное отличие от процесса кипения чистой воды виспарителях.
Понижение температурыобразующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипенияраствора называют физико-химической температурной депрессией. Обозначив еёчерез ∆1, можем написать
∆1 = tр – υ
где tр – температура кипения раствора, 0С;
υ – температураобразующихся паров воды, 0С.
Физико-химическаятемпературная депрессия различна для разных растворов. Она больше у раствороввеществ с малым молекулярным весом. Для раствора одного и того же веществафизико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением егоконцентрации.
Под концентрациейраствора понимают отношение массы сухого вещества в растворе к общей массераствора в процентах
/>
где b – массовая концентрация раствора, %;
W – количество растворителя или воды врастворе, кг;
Gсух. – количество растворённого илисухого вещества в растворе, кг.
При выпарке вес сухоговещества в растворе остаётся постоянным, а количество растворителя (воды)уменьшается, а концентрация раствора увеличивается
На практике выпариваниечасто ведут и под вакуумом и под давлением. В таких случаях физико-химическаятемпературная депрессия может быть вычислена по приближённой формуле И.А.Тищенко
/>
где ∆1 –искомая физико-химическая температурная депрессия при давлении выпаривания;
∆’1 –депрессия, взятая из таблиц, при атмосферном давлении;
Т – температура кипениячистого растворителя, 0К;
r – скрытая теплота парообразованиядля воды при давлении выпаривания, кДж/кг.
Наличие физико-химическойтемпературной депрессии понижает полезную разность температур между первичным ивторичным паром в выпарном аппарате.
С повышением концентрациираствора увеличиваются его вязкость, плотность и температурная депрессия ипонижаются теплоёмкость и теплопроводность.
Удельную теплоёмкостьраствора определяют по формуле, кДж/(кг*0С)
/>
где ссух. –удельная теплоёмкость безводного нелетучего вещества, раствор котороговыпаривается (определяется по справочнику), кДж/(кг*0С);
св –теплоёмкость воды, св = 4,19 кДж/(кг*0С);
b – процентное содержание вещества врастворе.
Вследствие увеличениявязкости растворов и понижения их теплопроводности и теплоёмкости уменьшается икоэффициент теплоотдачи αр от греющей стенки к кипящемураствору.
1.2 Обоснование выбораи описание технологической схемы производства
В промышленности применяютсямногокорпусные выпарные установки, обеспечивающие экономию греющего пара. Сувеличением числа корпусов уменьшается удельный расход пара, но увеличиваетсястоимость установки.
Выбор числа ступенейвыпарной станции производится на основе технико-экономических расчётов.
Выпарная станция можеткомпоноваться из одной, двух и более параллельно действующих выпарныхустановок.
Различают следующие схемывыпарных установок:
1. по давлению вторичного пара впоследней ступени: а) работающие под разрежением; б) под давлением; в) приухудшенном вакуумом.
2. в зависимости от технологии обработкираствора при выпарке: а) одностадийные; б) многостадийные. В многостадийныхустановках сгущённый раствор отбирается из выпарной установки и направляетсядля дополнительной обработки (отстаивание, фильтрация), а затем вновь поступаетв выпарные аппараты для дальнейшего сгущения.
3. по взаимному направлению потоковгреющего пара и выпариваемого раствора: а) прямоточные; б) противоточные; в) спараллельным питанием раствора; г) со смешанным током.
По принципу работывыпарные установки разделяются на непрерывно и периодически действующие.
В установках непрерывногодействия неконцентрированный (слабый) раствор непрерывно подаётся в аппарат, аупаренный (крепкий) раствор непрерывно отводится из него.
В аппаратахпериодического действия жидкость подаётся в аппарат, выпаривается донеобходимой, более высокой концентрации, затем упаренный раствор удаляется изаппарата. Опорожнённый аппарат снова заполняется неконцентрированным раствором.Периодическое выпаривание применяется в установках небольшойпроизводительности, когда сгущённая жидкость не поддаётся откачке насосом, либов тех случаях, когда необходимо выпарить весь растворитель.
Аппараты непрерывногодействия более экономичны в тепловом отношении, поскольку в них отсутствуютпотери, связанные с расходом теплоты на периодический разогрев аппарата. Вбольшинстве случаев аппараты непрерывного действия компонуются в многокорпусныевыпарные установки, представляющие собой несколько соединённых друг с другомаппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающемуся по направлению отпервого корпуса к последнему. В каждом последующем корпусе устанавливаетсябольшая концентрация раствора, чем в предыдущем.
По давлению внутриаппарата выпарные установки разделяются на работающие при избыточном иатмосферном давлении и вакууме.
Вакуум в выпарныхаппаратах применяется в следующих случаях:
1. когда раствор под влияниемтемпературы разлагается, изменяет цвет, запах.
2. когда раствор при атмосферномдавлении имеет высокую температуру кипения, т.е. обладает большойфизико-химической температурной депрессией, и требует высоких параметровгреющего пара.
3. когда греющий теплоноситель имеетнизкую температуру и, следовательно, нужно снижать температуру кипения раствора.
4. для увеличениярасполагаемого температурного перепада в многокорпусной установке.
В тех случаях, когдаполучаемый в результате выпаривания раствора вторичный пар может бытьиспользован как теплоноситель в других теплообменных установках и поэтому нетнадобности удорожать выпарную установку подключением вакуум-насоса иконденсатора, может оказаться более рациональным выпаривание под давлением.
В качестве греющеготеплоносителя наибольшее применение в выпарных установках получил водяной пар.
Наибольшеераспространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатойповерхностью нагрева, хорошо компонующиеся и занимающие меньшую площадь.
Во всех конструкцияхвыпарных аппаратов для облегчения очистки поверхности нагрева от накипеобразованийпар поступает в межтрубное пространство, а раствор подогревается и кипит втрубках.
Выпарные аппараты спаровым обогревом можно разбить на три группы: с естественной циркуляциейраствора, с принудительной циркуляцией раствора и плёночные аппараты.
Движущей силойестественной циркуляции раствора является разность весов столба жидкости вопускных трубах и парожидкостной эмульсии в подъёмных за счёт разностиплотностей ρж и ρэ.
При работе выпарногоаппарата образующаяся в трубках парожидкостная эмульсия поступает в сепаратор,где происходит сепарация, — пар уходит в паропровод вторичного пара, а жидкостьпоступает в циркуляционную трубу и при непрерывной выпарке смешивается сраствором, поступающим на выпарку, и вновь поступает в греющие трубки.
Для осаждения влаги вовсех сепарирующих устройствах обычно используют три фактора: действие силытяжести, под влиянием которой капельки воды выпадают из потока пара; силуконтактного взаимодействия, т.е. прилипание водяных капель к поверхностисепаратора; центробежный эффект, в результате которого при движении влажногопара по кривой траектории капельки жидкости отбрасываются к периферии, т.е. кстенкам сепаратора и стекает вниз. В большинстве случаев эти три способамеханического воздействия на влажный пар используются одновременно илисочетаются в разнообразной последовательности и в разной степени.
Для уменьшения колебаниярабочего давления в выпарных аппаратах целесообразно в сепараторе и внагревательной камере иметь минимальные объёмы жидкости и вводитьпарожидкостную смесь в сепаратор над свободной поверхность раствора.
Для устойчивой работыаппарата на выпускной трубе, подающей парожидкостную эмульсию в сепаратор,устанавливают стабилизатор (трубчатку из полых трубок). Циркуляции жидкости ваппарате обусловлена разностью гидростатических напоров жидкости на входе вкипятильные трубки и выходе из них.
Если пар, образующийся израствора (вторичный пар одного выпарного аппарата), направить в греющую камерудругого выпарного аппарата и поддерживать во втором аппарате такое давление,чтобы температура этого пара была больше температуры кипения раствора во второмаппарате, то в нём тоже может происходить выпаривание, как и в первом аппарате.
Для возможности кипенияраствора в каждом корпусе необходимо обеспечить соответствующую разность междутемпературами вторичного пара предыдущего корпуса и кипящего раствораследующего за ним корпуса.
Выпаривание раствора вмногокорпусных установках позволяет достичь значительной экономии пара, аследовательно, и топлива по сравнению с однокорпусным выпариванием приодинаковых производительностях. Однако с увеличением числа корпусовувеличивается расход металла, начальные затраты на установку и амортизационныеотчисления, расходы на текущие ремонты и, кроме того усложняется эксплуатация,поэтому в большинстве случаев на практике применяют выпарные установки сгреющими поверхностями нагрева с тремя или четырьмя корпусами.
выпарной трубопроводтеплообменник штуцер
1.3 Выборконструкционных материалов аппаратов
Выборконструкционных материалов для проектируемого аппарата определяетсяособенностями протекающего в нем технологического процесса, свойствами рабочихвеществ, их параметрами и характером механической нагрузки. В свою очередьтехнологические свойства конструкционного материала предопределяют способизготовления из него деталей аппарата.
Теплообменныеаппараты изготовляют обычно на специализированных заводах. Значительная частьпродукции этих заводов нормализована и представлена в каталогах и ценниках.Кроме специализированных заводов, теплообменники, изготовляют по индивидуальнымзаказам и чертежам неспециализированные машиностроительные заводы и мастерские.Независимо от места проектирования и изготовления теплообменные аппараты,предназначенные для работы под давлением выше 0,7 ат избыточных, должнысоответствовать правилам Проматомнадзора в отношении устройства, монтажа и мэксплуатации.
Всоответствии с «Правилами устройства и безопасности эксплуатации сосудов,работающих под давлением» за правильность конструкции сосуда, его расчетна прочность и выбор материала отвечает организация, разработавшая конструкциюи выполнившая ее расчет. Все изменения, могущие возникнуть в процессеизготовления или монтажа сосуда, должны быть согласованы между организацией,составляющей проект, и организацией, потребовавшей изменения проекта, оформленыв виде протокола и подписаны обеими сторонам.
Основным материалом для изготовлениятеплообменной аппаратуры служит прокатная сталь различных марок. Стальныетеплообменные аппараты нашли широкое применение в энергетической, химической,нефтеперерабатывающей, пищевой, легкой и других отраслях промышленности. Многиеаппараты массового применения (теплофикационные подогреватели, конденсаторы,испарители, выпарные аппараты, ректификационные колонны некоторых типов и др.)нормализованы и изготовляются специализированными заводами и цехами в большихколичествах.
Аппарат изготовляют на основе технологическогопроцесса, степень совершенства которого определяет качество, трудоемкость исроки изготовления изделия, а также потребность в механосборочном и специальномоборудовании и квалифицированной рабочей силе. Технологический процесс выбираютобычно после сопоставления нескольких вариантов. В технологическом процессепредусматривается порядок изготовления отдельных деталей и узлов ипоследовательность сборки изделия.
В первойчасти разработки технологического процесса содержатся подробные сведения окачестве и порядке изготовления аппарата в соответствии с техническимиусловиями: класс аппарата, марки материалов по ГОСТ, способы заготовительныхопераций, условия сварки, требования к сварным швам, режимы термическойобработки, методы межоперационного и окончательного контроля, условия испытанияготового изделия. Вторая часть разработки технологического процесса посвящаетсявыбору рациональных операций обработки деталей, последовательности рабочихопераций, а также выбору наиболее рациональных оборудования, инструмента иприспособлений. В третьей части разработки определяется квалификация рабочихдля различных операций технологического процесса, трудоемкость работ по каждойоперации и по всему процессу изготовления изделия, продолжительность каждойоперации, количество расходуемых вспомогательных материалов, размер необходимойпроизводственной площади и место монтажа.
Разработанный технологический процессизготовления деталей и сборки аппарата вносят в технологические карты и инструкции.
Выбираем конструкционный материал, стойкий всреде сахар интервале изменения концентраций от 10 до 65% [6]. В этих условияххимически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии её менее0,1мм/год, коэффициент теплопроводности l=58 Вт/(м*К).
2.1 Материальныйбаланс установки
Принципиальная схемадвухкорпусной выпарной установки
/>
Описание схемы
Принципиальнаясхема двухкорпусной выпарной установки показана на схеме. Исходный разбавленныйраствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается в теплообменник(где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем — впервый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышаетинтенсивность 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 частичносконцентрированный раствор из 1-го корпуса.
Самопроизвольный перетек раствора и вторичногопара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений,возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного парапоследнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения (где заданное давлениеподдерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газоввакуум-насосом). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсаторапри помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусеконцентрированный раствор центробежным насосом II подается в промежуточнуюемкость упаренного раствора.
Конденсат греющих паров из выпарных аппаратоввыводится с помощью конденсатоотводчиков.
Определяем количествораствора после выпарки Gк, кг/ч
/>. (1)
где G0– количество исходного раствора, поступающего навыпарку, кг/ч;
b0– начальная концентрация раствора, %;
bк – конечная концентрация раствора, %.
/>.
Определяем количествоводы, выпаренной в установке, W,кг/ч
W = G0– Gк, (2)
W = 1000 – 268,3 = 731,7.
Определяем количествоводы, выпаренной на 1кг раствора, поступающего на выпарку, w, кг/кг
/>, (3)
/>.
2.2 Тепловой расчёт установки
Определяем теплоёмкостьраствора, поступающего на выпарку с0, кДж/кг0С
/>, (4)
где ссух. –теплоёмкость сухого растворённого вещества сахара, ссух. = 1,29кДж/кг0С /2, с. 112/;
св –теплоёмкость воды, св = 4,19 кДж/кг0С.
/>.
Определяем перепаддавления, приходящийся на один корпус ∆Р, бар
/>. (5)
где Р0–давление греющего пара, бар;
Рк – давлениев последнем корпусе, бар;
n – число корпусов, n = 2;
/>.
Определяем давление вовтором корпусе Р1, бар
Р1 = Р0 — ∆Р, (6)
Р1 = 4 – 1,85= 2,15.
Определяем давление вовтором корпусе Р2, бар
Р2 = Р1 — ∆Р, (7)
Р2 = 2,15 –1,85 = 0,3.
Определяем количествотепла, поступающее в подогреватель с экстра паром q, кДж/кг
q = ε1 * r1. (8)
где r1 – скрытая теплота парообразования при давлении Р1в первом корпусе из таблицы воды и водяного пара при Р1 = 2,15бар, r1 = 2195,8 кДж/кг /3/.
q = 0,04 * 2195,8 = 87,832.
Составляем тепловойбаланс для первого выносного подогревателя.
Определяем температуруисходного раствора tx навыходе из первого подогревателя, исходя из уравнения теплового баланса, 0С
c0 (tx – t’0) = ε1* r * ηn;
где ε1 –количество экстра пара из первого корпуса, кг/кг;
ηn – коэффициент сохранения теплотыподогревателем, принимаем ηn = 1. t’0– начальная температура раствора, 0С.
/>
/>, (9)
/>.
Определяем количествоводы, выпаренной во втором корпусе w2, кг/кграствора
/>, (10) />.
Определяем количествоводы, выпаренной в первом корпусе w1, кг/кг раствора
w1 = w – w2, (11)
w1 = 0,7317 – 0,34585 = 0,38585.
Определяем концентрациюраствора в первом корпусе b1, %
/>, (12)
/>.
Определяем концентрациюраствора во втором корпусе b2, %
/>, (13)
/>.
Определяем теплоёмкостьраствора в первом корпусе c1, кДж/кг0С
/>, (14)
/>
Определяем теплоёмкостьраствора во втором корпусе c2, кДж/кг0С
/>, (15)
/>.
По справочным данным /1,с.152/ на основании концентрации раствора на выходе из первого корпуса иконцентрации раствора на выходе из второго корпуса определяем физико-химическуютемпературную депрессию при атмосферном давлении, а затем по формуле Тищенкоделаем пересчёт. По таблицам воды и водяного пара подавлению Р1 и Р2 в первом и втором корпусе определяемтемпературу вторичного пара, которая в дальнейшем нужна для определениятемпературы кипения раствора.
Гидростатическуюдепрессию ∆2 принимаем равной 1, для первого и второгокорпуса. Гидравлическую депрессию ∆3принимаем: для первого корпуса ∆3 = 1; для второго корпуса ∆3= 0,5.
Результаты сводим втаблицу 1.
Таблица 1Физико-химическая температурная депрессия с поправкойна давление.Род депрессии Корпус I Корпус II
Физико-химическая ∆1 0,708 1,74
Гидростатическая ∆2 1 1 Род депрессии Корпус I Корпус II
Гидравлическая ∆3 1 0,5 Суммарная ∑∆ 2,708 3,24
Составляем таблицу 2 длязаписи давлений, температур, энтальпий и скрытой теплоты парообразования длягреющего и вторичного пара, для первого и второго корпуса.
Таблица 2 Параметры параР, МПа
tн, 0С h, кДж/кг r, кДж/кг
Рн = 0,5 143,62 2738,5 2133,8
Р1 = 2,15 122,53 2710,25 2195,8
Р2 = 0,3 69,12 2625,3 2336
Определяем полнуюразность температур в установке ∆t’, 0С
∆t’ = tn — Ө2. (16)
где tn – температура греющего пара, 0С;
Ө2 –температура во втором корпусе при давлении Р2, 0С.
∆t’ = 143,62 – 69,2 = 74,5.
Согласно заданию, обакорпуса должны иметь одинаковые поверхности нагрева, в соответствии с этимполезная разность температур распределяется между корпусами прямопропорционально их тепловым нагрузкам и обратно пропорционально коэффициентутеплопередачи, т.е.
/>. (17)
где ∆t1 и ∆t2 – полезныеразности температур по корпусам, 0С; К1 и К2 – коэффициенты теплопередачи; Q1 и Q2 – тепловые нагрузки по корпусам;
Тепловые нагрузкикорпусов могут быть приняты пропорциональными количествам выпариваемой в нихводы с поправкой в дальнейшем на явление самоиспарения и увеличение скрытойтеплоты парообразования во втором корпусе.
/>.(18)
Отношение коэффициентовтеплопередачи по корпусам принимаем предварительно на основании справочнойлитературы, К1/К2 = 2.
В результате получаемсистему уравнений
/> (19)
где ∆t – полезная разность температур,равная полной разности температур минус суммарная депрессия для первого ивторого корпуса, 0С
∆t = ∆t’ – ∑∆, (20)
∆t = 74,5 – 5,948 = 68,552.
/>
На основании полученныхрезультатов и данных, взятых из таблиц водяного пара, составляем температур иэнтальпий пара и жидкости.
Таблица 3 температуры иэнтальпии пара и жидкостиНаименование параметров I корпус II корпус Обозначение Величина Обозначение Величина
Температура, 0С
греющего пара
кипения раствора
вторичного пара
конденсата
tн
t1
Ө1
τ1
143,62
124,328
122,53
143,62
Ө’1
t2
Ө2
τ2
123,328
72,36
69,12
123,328
Энтальпия, кДж/кг
греющего пара
вторичного пара
h’’0
h’’1
2738,5
2718,6
h’0
h’1
2708,8
2631,05 Теплота парообразования вторичного пара, r, кДж/кг
r1 2178,7
r2 2328
Температура кипенияраствора в I корпусе t1, 0C
t1 = Ө1 + (∆1k + ∆21k);
t1 = 122,53 +1,708 = 124,328 (21)
Температура греющего параII корпуса Ө’1,0C
Ө’1= Ө1 – ∆31k; (22)
Ө’1= 124,328 – 1 = 123,328
Температура кипенияраствора во II корпусе t2, 0C
t2 = Ө2 + (∆12k + ∆22k + ∆32k);(23)
t2 = 69,12 + 3,24 = 72,36
Составляем таблицуфизических параметров раствора. Физические парам5етры воды ρ, c, ν, λ определяем покорпусам по температурам кипения раствора в корпусе [9]. Теплоемкость растворапо корпусам определена выше (п. 5.10, п. 5.11). Плотность раствора можно определитьпо правилу аддитивности, зная концентрацию и плотность чистых компонентов приданной температуре [11], кг/м3 :
ρр =ρсух * b + ρв (1- b);
где ρсух –плотность безводного нелетучего вещества сахара[4], ρсух =1600кг/м3
ρв –плотность растворителя, воды ( при температуре кипения в корпусе); кг/м3
b – долевое содержание ( концентрация)массы вещества в растворе(п.5.8, п.5.9)
ρр1 =1600* 0,1791 + 936(1 – 0,1791) =1054,92
ρp1 = 1600*0, 41 + 976,2(1 – 0,41) = 1231,96
Удельная теплоемкость, теплопроводностьводных растворов в зависимости от концентрации раствора и температурыопределяется из графиков [12]
Таблица 4 Физико-химические величины для воды ираствора I и II корпусовНаименование физико-химических констант I корпус II корпус Вода Раствор Вода Раствор
Плотность – ρ, кг/м3 936 1055,52 976,2 1231,96 Теплоёмкость – с, кДж/кг 4,263 3,9 4,179 3,0
Вязкость – ν * 106, м2/с 0,237 0,41 0,478 0,981
Теплопроводность – λ, Вт/м *0К 0,686 0,59 0,659 0,36
Определяем коэффициенттеплоотдачи от конденсирующего пара к стенке для первого корпуса α1,Вт/(м20С)
/>. (24)
где H – высота трубок, принимаем H =4 м; диаметр трубок 38*2 [2]принимаем ∆t = tн – tст, принимаем ∆t = 2 0С с последующейпроверкой;
В’ = 5700 + 56 tн – 0,09 tн2. (25)
В’ = 5700 + 56*143,62 – 0,09*143,622= 11886,32
/>
Определяем коэффициенттеплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для первого корпуса α2,Вт/(м20С), принимаем скорость р – ра w = =1,5м/с [2];
/>; (26)
/>.
Определяем коэффициенттеплопередачи для первого корпуса K1, Вт/ (м20С)
/>; (27)
гдеδст –толщина стенки, δст = 2 мм; λст– теплопроводность материала стенки, λст = 58 Вт/(м 0К); δнак – толщина накипи, м, для первого корпусаδнак = 1мм /2/; λнак– теплопроводность накипи, λн = 1,163 Вт/(м 0К),
/>.
Проверяем принятую врасчёте разность температур ∆t, 0С
/>.
/>.
Определяем коэффициенттеплоотдачи от конденсирующего пара к стенке для второго корпуса α1,Вт/(м20С)
/>;
В’ = 5700 + 56tн – 0,09 tн2. (28)
В’’ = 5700 +56*123,328 – 0,09*123,3282 = 11237,488;
/>.
Определяем коэффициенттеплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для второго корпуса α2,Вт/(м20С), принимаем скорость раствора w = = 2,5м/с [2]
/>;
/>.
Определяем коэффициенттеплопередачи для второго корпуса K2, Вт/ (м 0К)
/>;
где δнак– толщина накипи, м, для второго корпуса δнак = 2 мм /2/.
/>.
Проверяем принятуюразность температур ∆t, 0С
/>.
/>.
2.3Определение расхода греющего пара
Определяем расходгреющего пара в первом корпусе на 1 кг неконцентрированного раствора d1, кг/кг раствора
/>, (29)
Где w – общее количествоводы, выпаренной в двух корпусах на 1кг раствора
W = w1+w2, кг/кг раствора
W = 0,38585 + 0,34585 = 0,7317 (30)
При решении уравненийтеплового баланса корпусов обозначим коэффициенты при d1 – через x1, x2; коэффициенты при с0– через y1, y2; коэффициенты при ε – через z1, z2, тогда получим
x2 = 2 – β2*cв + σ2;
y2 = 2β1 + β2;
z1 = 1.
/>.
Если раствор поступает впервый корпус при температуре кипения, то t0= t1 и β1 = 0. Так какустановка работает без перепуска конденсата, то σ2 = 0.
/>,
x2 = 2 – 0,0241*4,19 = 1,8991
y2 = β2 = 0,0241
/>.
Определяем полный расходпара D, кг/ч
D = d1 * G0, (31)
/>.
Определяем количествоводы, выпаренной в первом корпусе на 1 кг раствора w1, кг/ч
w1 = d1*α1 + c0*β1, (32)
Так как α1= 1 и β1 = 0, то w1 = d1 = 0,3572.
Определяем всё количествоводы выпаренной в первом корпусе W1’, кг/ч
W1’ = d1 * G0, (33)
W1’ = 0,3572 * 1000 = 357,2.
Определяем количество воды,выпаренной во втором корпусе на 1 кг раствора w2, кг/ч
w2 = w1 – ε1 + (c0– cв*w1)β2, (34)
w2 = 0,3572 – 0,04 + (3,871 — 4,19*0,3572)0,0241 =0,3744.
Определяем всё количествоводы, выпаренной во втором корпусе W2’, кг/ч
W2’ = w2 * G0, (35)
W2’ = 0,3744 * 1000 = 374,4.
Определяем количествоводы, выпаренной во всей установке WII, кг/ч
WII = W1’+ W2’, (36)
WII = 357,2 + 374,4 = 731,6.
Расхождение спредварительно найденным количеством выпариваемой воды 731,7 – 731,6 = 0,1кг/ч, что допустимо.
2.4Определение поверхноститеплопередачи, выбор типа выпарного аппарата
Проверяем количествотепла, передаваемое в:
в первом корпусе на 1 кграствора q1, кДж/кг раствора
q1 = d1 * r0, (37)
q1 = 0,3572 * 2133,8 = 762,19.
во втором корпусе на 1 кграствора q2, кДж/кг раствора
q2 = (w1 – ε1) r1, (38)
q2 = (0,3572 – 0,04) 2178,7 = 691,1
Определяем отношениеполученных количеств тепла q2/q1. Оно должно быть близким к принятому ранее Q2/Q1.
q2/q1 = 691,1/762,19 = 0,9067.
В предварительном расчётеэто отношение было принято 0,8963. Таким образом расхождение />%, что допустимо.
Проверяем полученныеконцентрации раствора:
в первом корпусе b1, %
/>, (39)
/>
Принятая концентрациясоставляет b1 = 17,91%.
во втором корпусе b2, %
/>, (40)
/>= 41%
Принятая концентрациясоставляет b 2 = 41%.
Так как расхождениеполученных величин с ранее принятыми незначительно, повторного расчёта нетребуется, а если значительно то делаем перерасчет.
Определяем поверхностинагрева установки:
для первого корпуса F1, м2
/>, (41)
/>.
для второго корпуса F2, м2
/>, (42)
/>.
Принимаем к установкевыпарной аппарат с выносным кипятильником с поверхностью нагрева F [13] по ГОСТ 11987, F1 = F2= 10м2.
Основные размерыаппарата:
– номинальная площадьповерхности нагрева F – 10 м2;
– наружный диаметркорпуса Dн. – 600 мм;
– диаметр циркуляционнойтрубы D1 – 200 мм;
– длина трубок l – 4000 мм;
– общая высота аппарата H – 12000 мм;
– количество трубок – 75 шт.
— диаметр труб, d — 38 * 2мм
— диаметр греющей камеры, Д – 400мм
2.5Расчёт и выбор вспомогательногооборудования (насос, конденсатоотводчик, барометрический конденсатор)
Выбираем центробежныйнасос для подачи исходного раствора.
Принимаем сопротивлениекаждого подогревателя равное 3,5*103 Па.
Определяем напор насоса ∆рн,МПа
∆рн =1,25 (∆рпод.1 + ∆рпод.2 + р1); (43)
∆рн =1,25 (3,5*103 + 3,5*103 + 0,215*106) = 0,278 *106
где Δрпод.1,Δрпод.2 – сопротивление каждого подогревателя, принимаем равное3,5 * 103 Па [12]
р1 – давлениев I корпусе, согласно расчета табл. 2.
Для определение подачираствора: м3/с
V = />.
V = />
где ρ0 – плотностьраствора, поступающего на выпорку при b0= 11%
ρ0 = ρсух*b0 + ρв(1 – b0)
где ρв –плотность воды при t0´= 10˚C, ρв = 999,7
ρ0 =1600*0,11 + 999,7(1 – 0,11) = 1065,73
По [5] выбираемцентробежный насос марки Х8/30 со следующими техническими характеристиками:
Подача – 2,4*10-3м3/с
Напор – 0,3 МПа
Частота вращения – 48,3об/с
Электродвигатель – BАО -32 — 2
Мощность – 4 кВт
Выбираем вакуум-насос длясоздания вакуума во II корпусе
Определяемпроизводительность вакуум-насоса Gвозд., кг/с
Gвозд. = 2,5 * 10-5 (w2 + Gв) + 0,01 * w2. (44)
где 2,5*10-5 –количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;
w2 – количество воды выпаренной во втором корпусе на кграствора, кг/ч; Gв – расход воды, кг/с
/>
Где t0" – температура отсасываемого воздуха,0С;
tн – температура вторичного пара второго корпуса, 0С.
t0" = tн – (5 ÷ 7) = 69,12 – 5 = 64,12
/>
0,01 – количества газа,подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.
Gвозд. = 2,5 * 10-5 (0,3744 +3,96) + 0,01 * 0,3744 = 3,84*10-3.
Определяем объёмнуюпроизводительность вакуум — насоса Vвозд., м3/мин
/>, (45)
гдеR – универсальная газовая постоянная,Дж/кмоль*К;
Мвозд –молекулярная масса воздуха, принимаем Мвозд = 29 кг/кмоль
tвозд – температура воздуха, принимаем tн = 20 0С;
tвозд= tн+4+0,1(tк – tн)
tвозд= 20+4+0,1(64,12 – 20) = 28,4
Рвозд –парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Рвозд = Рбк– Рн. (46)
гдеРн –давление сухого насыщенного пара при t0= 28,4 0С,
Pн = 0,389 бар = 0,00389МПа = 3890 Па .
Рвозд = 0,03 –0,003890 = 0,026110
/>
Принимаем Vвозд = 1,5 м3/мин. Зная этувеличину и остаточное давление Рбк= 0,026110 МПа подбираемвакуум-насос типа ВВН 1,5.Из каталога насосов [с.48] остаточным давлением–0,015 МПа, мощностью электродвигателя – N = 2,1 кВт, число оборотов – n = 1500 мин -1.
Расчёт диметрабарометрического конденсатора
Диаметрбарометрического конденсатора dбкопределяют из уравнения расхода:
dбк =/>
где р — плотность паров,кг/м3;
ν — скорость паров, м/с.
dбк =/>
Приостаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров νпринимают 15 – 25 м/с принимают 15 м/с.
Понормалям НИИХИММАША [12] подбираем конденсатор диаметром, равным расчётному илиближайшему большему. Выбираем барометрический конденсатор диаметр dтк = 500 мм [табл. 10.2, 11] .
Выбираем барометрическийконденсатор.
– толщина стенки аппарата– 5 мм;
– расстояние от верхнейполки до крышки аппарата – 1300 мм;
– расстояние от нижнейполки до днища аппарата – 1200 мм;
– расстояние между осямиконденсатора и ловушкой – 675 мм;
– высота установки H = 4300 мм;
– ширина установки Т =1300 мм;
– расстояние междуполками – 220; 260; 320; 360; 390;
Условные проходыштуцеров:
– для входа пара А – 300мм;
– для входа воды Б – 100мм;
– для выхода парогазовойсмеси В – 80 мм;
– для барометрическойтрубы Г – 125 мм;
– для входа парогазовойсмеси на ловушках И – 80 мм;
– для выхода парогазовойсмеси на ловушках Ж – 50 мм;
– для барометрическойтрубы на ловушках Е – 50 мм
По расходу греющего параД, кг/с и перепаду давления Δр = ро – (0,12 ÷ 0,15)МПа,выбираем конденсатоотводчик с закрытым поплавком.[11 стр. 310]
Он действует следующимобразом: пар поступает в корпус конденсатоотводчика, постепенно заполняя егоконденсатом на 2/3 объёма. При этом поплавок всплывает и при помощи рычагаоткрывает клапан для выпуска конденсата.
С удалением конденсатапоплавок опускается и закрывает выпускное отверстие и тем самым прекращаетвытеснение конденсата.
– максимальная производительностьGк = 780 т/ч;
– перепад давления доΔр = 1,2 МПа;
– условный проход – 32 мм.
2.6 Расчёт диаметров трубопроводов иштуцеров
Определяемдиаметр штуцера на вход сырого раствора. Определяем диаметр штуцера d1, м
d1 =/>
где V — объёмный расход сырого раствора,м/с;
w — скоростьдвижения сырого раствора, w = 1м/с [10].
d1 =/>
V =/>
где G0 — количество исходного раствора,поступающего на выпарку, кг/ч;
ρ0 — плотность исходного раствора, 1065,73кг/м3 .
V =/>
К установке принимаемштуцер диаметром 20мм
Определяемштуцер на выход конденсата. Определяем диаметр штуцера d2, м
d2 =/>
где w – скорость движения конденсата, w = 1 м/с [10]
d2 =/>, V =/>
где D1 — полный расход пара, D = 357,2 кг/ч
ρ — плотностьконденсата, из таблиц, при Р 0 = 0,4 МПа, ρ = 922,5кг/м3.
V=/>
Принимаем к установкештуцер диаметром d = 15 мм
Определяемштуцер на вход пара. Определяем диаметр штуцера d3, мм
d3 =/>
где w — скорость движения пара, w = 20 м/с[10].
d3 =/>
V =/>
где р — плотность греющего пара, из таблиц, при Р0 = 0,4 МПа, ρп =2,162кг/м3
V =/>
Принимаем к установкештуцер диаметром d = 60 мм
Определяем штуцер на входвторичного пара.
Определяем диаметрштуцера d4, мм
d4 =/>
где w — скорость движения вторичного пара,w = 20 м/с [10].
V =/>
где W1 — всё количество воды, выпаренной в первом корпусе,кг/ч;
р — плотность вторичногопара, из таблиц, при Р1 = 0,215 МПа, ρп1 = 1,2073кг/м3.
V =/>
Принимаем к установкештуцер диаметром d4 = 80 мм
Определяем штуцер навыход концентрированного раствора.
Определяем диаметрштуцера d5, мм
d5 =/>
где w – скорость движенияупаренного раствора, w =0,5 м/с [10]
d5 =/>
V =/>
где GK — количество раствора после выпарки,кг/ч;
р — плотность концентрированного раствора, из таблиц расчёта,
ρ р2= 1231,96 кг/м3.
V =/>
Принимаем к установкештуцер диаметром d5 = 10мм
Расчет сводим в таблицу 5
Таблица 5Наименование штуцера
Расход
пара
Давление
пара Плотность
Секундный
расход
Скорость
пара
Диаметр,
мм Вход греющего пара 357,2 0,4 2,162 0,0459 20 0,054 60 Выход вторичного пара 385,85 0,215 1,2073 0,089 20 0,075 80 Выход конденсата греющего пара 357,2 - 925,5 0,0001 1 0,012 15 Вход раствора 1000 - 1065,73 0,000261 1 0,018 20 Вход упаренного раствора 263,3 - 1231,96 0,00006 0,5 0,005 10
2.7Расчёт толщины теплоизоляционныхпокрытий
/>
Определяем толщинутепловой изоляции δн, мм, из равенства удельных тепловыхпотоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду
/>. (50)
где α2 –коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала вокружающую среду, Вт/м2 0К;
/>. (51)
гдеtст2 – температура поверхности изоляциисо стороны окружающей среды, для аппаратов, работающих в закрытом помещении недолжна превышать tст2 = 45 0С; tст1 – температура изоляции со стороны аппарата,ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению стермическим сопротивлением слоя изоляции tст1, принимаем равный температуре греющего параtст1 = 143,62 0С; tок – температура окружающей среды(воздуха), tок = 20 0С.
α2 = 9,3+ 0,058(45 – 20) = 10,75
Определяем толщинуизоляции δи, м
/>. (52)
где λи –коэффициент теплопроводности изоляции, принимаем совелит, λи =0,09 Вт/м 0К /9/.
/>
2.8Расчёт и выбор теплообменникаисходной смеси и барометрического конденсатора
Определяем тепловуюнагрузку первого подогревателя Q1, кВт
Q1 = D * r (53)
D = ε * G0(54)
D = 0,04 * 1000 = 40 кг/ч
Q1 = 40/3600 * 2195,8 = 24,4
Температурный графикимеет вид
/>
/>; (55)
/> С0
Из основного уравнениятеплопередачи определяем поверхность теплообменного аппарата F, м2
Q = K*F*∆t;
/>; (56)
/>
Определяем тепловуюнагрузку второго подогревателя Q2, кВт
Q2 = G0/3600 * c0(t1 – tx) = 1000/3600 * 3,871 * 91,638 = 98,54
Температурный графикимеет вид
/>
/>
/>
Из основного уравнениятеплопередачи определяем поверхность теплообменного аппарата F, м2
Q = K*F*∆t; />; />
Принимаем теплообменники «трубав трубе» со следующими техническими характеристиками.
Таблица 6. Основныепараметры теплообменниковНаименование I корпус II корпус Длина труб, м 3 1,5 Число теплообменных труб в одном аппарате, шт. 1 1 Число параллельных потоков 1 1 Диаметр теплообменных труб, мм 38 * 3,5 57 * 4 Диаметр труб кожуха, мм 57 * 4 85*4
3.Основные требования техникибезопасности при эксплуатации выпарных установок
1. Требования настоящейглавы Правил распространяются на выпарные установки периодического инепрерывного действия, работающие под давлением или разрежением.
2. Для подогревараствора, поступающего в первый корпус, до температуры, близкой к температурекипения, необходимо устанавливать перед корпусом подогреватели, обогреваемымконденсатом или соковым паром.
3. Коммуникацииподогревателей должны иметь запорные устройства для отключения и обводные линии, а также линии для возврата подогретогораствора в промежуточный бак в периоды, когда первый корпус не может непрерывнопринимать подогретый раствор.
4. Для контроля закачеством конденсата на конденсатопроводах установок должны быть смонтированы пробоотборники. В зависимости откачества конденсата (по химическому составу и наличию примесей) он долженсобираться от всех выпарных аппаратов вместе или раздельно.
5. Для обеспечениянаблюдений за уровнем раствора в выпарных аппаратах должны предусматриватьсясмотровые стекла.
6. Выпарные установкидолжны быть оснащены следующими контрольно — измерительными и регулирующимиприборами:
автоматическими регуляторамидавления пара, поступающего в первый корпус;
регистрирующим манометромна линии подачи пара в цех;
манометрами на греющей камереи в паровом пространстве первого корпуса;
манометрами, вакуумметрамина греющих камерах и в паровом пространстве последующих корпусов;
автоматическимирегуляторами уровня раствора;
указывающими исигнализирующими вакуумметрами на трубопроводах, идущих от барометрических илиповерхностных конденсаторов;
приборами для измерениятемпературы на всех выпарных аппаратах, подогревателях и барометрическом илиповерхностном конденсаторе;
расходомерами для учетарасхода воды, поступающей в цех;
расходомером для учетараствора, поступающего на выпарку;
концентратомерами послекаждого выпарного аппарата
7. Для обеспечения нормальногорежима работы выпарной установки необходимо:
следить за подачейгреющего пара в первый корпус и не допускать падения или повышения давления егов значительных предела (допустимы колебания в пределах 0,01 МПа (0,1 кгс/см2);
поддерживать предусмотренноережимной картой распределении температур и давлений по корпусам выпарнойустановки;
следить за непрерывностьюотвода конденсата из греющих камер выпарных аппаратов а также систематически проверятькачество конденсата;
обеспечивать систематическоепитание выпарных аппаратом раствором, подогретым до температуры, близкой к температурекипения;
следить за перепускомраствора из корпуса в корпус и систематически выводить из последнего корпуса готовыйпродукт, поддерживая установленный уровень раствора в аппаратах и не допускаяоголения греющих камер;
обеспечивать минимальныепотери раствора, концентратов и теплоносителей;
поддерживать разрежение ввыпарных аппаратах, работающих под разрежением, на уровне, предусмотренномрежимной картой, в случаях падения вакуума немедленно выявлять причины иустранять их; строго соблюдать предусмотренныйграфик и порядок промывки выпарных аппаратов, а при необходимости производить внеочередныепромывки выпарных аппаратов и их очистку;
обеспечивать непрерывнуюи исправную работу автоматических теплоизмерительных и регулирующих приборов,арматуры, а также вспомогательного оборудования выпарной установки.
8. Схема трубопроводов выпарнойустановки должна исключать возможность смешения потоков греющего первичного ивторичного пара, а также потоков их конденсата.
Список используемойлитературы
1 Б.Н. Голубков «Теплотехническое оборудование итеплоснабжение промышленных предприятий», М.: «Энергия» 1979.
2 П.Д. Лебедев «Теплообменные, сушильные и холодильныеустановки», М.: «Энергия» 1972.
3 М.П. Вукалович «Таблицы термодинамических свойств водыи водяного пара».
4 В.А. Григорьев и В.М. Зорин «Промышленнаятеплоэнергетика и теплотехника», М.: «Энергоатомиздат» 1991
5 Информационный сборник насосного оборудования, М.:циптихимнефтемаш 1991.
6 А.М. Бакластов «Проектирование, монтаж и эксплуатациятеплоиспользующих установок», М.: «Энергия» 1970.
7 Каталог «АО БелНасосПром».
8 И.И. Чернобыльский «Выпарные установки», издательствокиевского университета 1960.
9 Е.А. Краснощёков, А.С. Сукомел «Задачник потеплопередаче», М.: «Энергия» 1980.
10 П.Д. Лебедев, А.А. Щукин «Теплоиспользующие установкипромышленных предприятий», М.: «Энергия» 1970.
11 А.М. Бакластов «Промышленные тепломассообменныепроцессы и установки», М.: «Энергоатомиздат» 1986.