МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИБЕЛАРУСЬ
Белорусский государственныйтехнологический университет
Кафедра процессов и аппаратовхимических производств
Расчётно-пояснительная записка ккурсовой работе
по курсу “Процессы и аппаратыхимической технологии”
на тему “Расчет и проектированиевыпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора CuSO4”
Выполнил: студент 4 курса
2 группы ф-та ХТиТ
Колтунов А.П.
Руководитель:
Кузьмин В.В.
Минск 2005
РЕФЕРАТ
Курсовая работа содержит пояснительную записку и 2 листа форматаА1 графического материала. Пояснительная записка содержит 41 страницу, 5 таблиц,7 рисунков.
ВЫПАРИВАНИЕ, ВЫПАРНОЙАППАРАТ, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, ТЕПЛООБМЕННИК, БАРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР, ВАКУУМ –НАСОС, КОНЦЕНТРАЦИЯ, РАСТВОР.
Целью курсового проектаявляется разработать проектно-конструкторскую документацию на выпарнуюустановку непрерывного действия. В данном курсовом проекте разработанаустановка для выпаривания водного раствора CuSO4. Представлен полный расчет выпарного аппарата,подробно рассчитан теплообменник для подогрева исходного раствора,барометрический конденсатор, вакуум-насос.
ВВЕДЕНИЕ
Выпаривание – процессконцентрирования растворов нелетучих веществ путем удаления жидкого летучегорастворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводерастворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегосясконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е. вусловиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объемеаппарата.
Процесс выпариванияотносится к числу широко распространенных. Последнее объясняется тем, чтомногие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфатаммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшуюпереработку и транспорт (для сокращения объемов тары и транспортных расходов)они должны поступать в виде концентрированных продуктов.
Концентрированиерастворов методом выпаривания – один из наиболее распространенныхтехнологических процессов в химической, пищевой, металлургической и другихотраслях промышленности. На выпаривание растворов расходуется огромноеколичество тепла, а на создание выпарных установок – большое количествоуглеродистых и легированных сталей, никеля и других металлов. Поэтому в каждомконкретном случае необходима рациональная организация процесса выпаривания, чтопозволяет обеспечить максимальную производительность выпарной установки приминимальных затратах тепла и металла.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Теоретическиеосновы процесса выпаривания
Выпариванием называютпроцесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путемчастичного удаления растворителя испарением при кипении.
Сущность выпариваниязаключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученногопара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводитсяпри кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлениюв рабочем объеме аппарата.
Выпаривание ведется такимобразом, чтобы при заданной производительности получить сгущенный раствортребуемой концентрации надлежащего качества без потерь сухого вещества и при возможноменьшем расходе топлива.
Концентрированиерастворов методом выпаривания – один из наиболее распространенныхтехнологических процессов в химической, пищевой, металлургической и другихотраслях промышленности. Это объясняется тем, что многие вещества, напримергидроксид натрия, гидроксид калия, аммиачная селитра, сульфат аммония и др.,получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку итранспорт (для сокращения объемов тары и транспортных расходов) они должныпоступать в виде концентрированных продуктов. На выпаривание раствороврасходуется огромное количество тепла, а на создание выпарных установок –большое количество углеродистых и легированных сталей, никеля и другихметаллов. Поэтому в каждом конкретном случае необходима рациональнаяорганизация процесса выпаривания, что позволяет обеспечить максимальнуюпроизводительность выпарной установки при минимальных затратах тепла и металла.
Особенностью процессавыпаривания является то, что в парах кипящих растворов нормально содержатсятолько пары чистого растворителя, а растворённое вещество является нелетучим.Это положение, лежащее в основе теории и методов расчета выпарных аппаратов длябольшинства растворов твердых веществ вполне оправдывается.
Удаляемый в парообразномсостоянии растворитель чаще всего представляет собой водяной пар, носящийназвание вторичного пара. Общий материальный баланс аппарата выражаетсяуравнением:
Gн=Gк+W, (1.1)
где Gн – количество поступающего исходного раствора сконцентрацией bн; Gк – количество удаляемого упаренногораствора с концентрацией bк; W – количество растворителя.
Материальный баланс поабсолютно сухому веществу, находящемуся в растворе:
/>, (1.2)
Тепло для выпариванияможно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако вподавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпариваниииспользуют насыщенный или слегка перегретый водяной пар, который называетсягреющим, или первичным /3/. Первичным служит либо пар, получаемый изпарогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровыхтурбин. Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится черезстенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствахконцентрирование растворов осуществляют при непосредственном прикосновениивыпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразнымитеплоносителями. Также может применяться электрический обогрев.
Уравнение тепловогобаланса:
Q+Gнснtн= Gкскtк+W·iвт+Qпот±Qд, (1.3)
где Q – расход теплоты на выпаривание; сн,ск – удельная теплоемкость начального (исходного) и конечного(упаренного) раствора; tн, tк – температура начального раствора на входе в аппарат иконечного на выходе из аппарата; iвт – удельная энтальпия вторичного парана выходе его из аппарата; Qпот – расход теплоты на компенсацию потерьв окружающую среду; Qд – теплота дегидратации.
Передача тепла оттеплоносителя к кипящей жидкости возможна при наличии температурного перепада(полезной разности температур) между ними. Это объясняется тем, чтотеплопередача, как и все естественные процессы, всегда идёт от высшего уровня книзшему, поэтому температура конденсации пара должна быть выше температурыкипения раствора что означает, что давление пара в греющем пространстве должнабыть выше, чем в паровом.
Протекание теплоносителейв греющей камере происходит под действием напора, создаваемого извне. Скоростьтечение теплоносителей по трубкам в большинстве случаев определяетсяестественной циркуляцией, зависящей от разности удельных весов закипающего вгреющей камере раствора, пронизанного пузырьками пара, и раствора,опускающегося по циркуляционной трубе.
1.2 Основные технологические схемы
Процесс выпариванияосуществляется либо в аппарате однократного, либо многократного действия. Впоследнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается. Впромышленных условиях наиболее распространены аппараты многократного действия/З/.
Расход греющего пара навыпаривание растворов в однокорпусных аппаратах весьма велик и в рядепроизводств составляет значительную долю себестоимости конечного продукта /1/.Для уменьшения расхода греющего пара широко используют многокорпусные выпарныеаппараты.
Принцип действия многокорпусныхаппаратов заключается в многократном использовании тепла греющего пара,поступающего в первый корпус установки, путём последовательного соединениянескольких одно корпусных аппаратов, позволяющем использовал вторичный паркаждого предыдущего корпуса для обогрева последующего. Для практическогоосуществления такого многократного использования одного и того же количестватепла требуется, чтобы температура вторичных паров каждого последующего корпусабыла выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Это требованиелегко выполняется путем понижения рабочего давления в корпусах по направлениюот первого к последнему. С этой целью устанавливается сравнительно высокаятемпература кипения в первом корпусе и температура 50-60о С впоследнем корпусе выпарной установки под разряжением, который соединяется сконденсатором, снабженным вакуум-насосом.
Если греющий пар и жидкий раствор поступают впервый, «головной», корпус выпарной установки, то последняя называетсяпрямоточной (Рис. 1). По такому принципу работает большинство выпарныхустановок. Если же греющий пар поступает в первый по порядку корпус, а жидкийраствор — в последний и переходит из последнего корпуса к первому, то установканазывается противоточной (Рис. 2.)
Такое встречное движение пара и раствора применяетсяв случае упаривания растворов с высокой вязкостью и большой температурнойдепрессией в целях повышения коэффициентов теплопередачи. Однако одновременноусложняется и обслуживание аппарата в связи с тем, что подобная схема требуетустановки между каждыми двумя корпусами установки насосов для перекачкираствора, движущегося по направлению возрастающих давлений, не говоря уже обдополнительных затратах на расход энергии на насосы.
При выпаривании кристаллизующихся растворов ихперегон из корпуса в корпус может сопровождаться закупоркой соединительныхтрубопроводов и нарушением нормальной работы установки /4/. При этом частоиспользуют аппараты с параллельным питанием корпусов. Здесь растворвыпаривается до конечной концентрации в каждом корпусе, а пар, как и впредыдущих двух схемах, движется последовательно по направлению от первогокорпуса к последнему. В этом же направлении снижаются рабочие давления итемпературы каления раствора в корпусах.
/>
Рис. 1 — Многокорпусная прямоточная вакуум — выпарная установка: 1-3 – корпуса установки; 4 – подогреватель исходногораствора; 5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – вакуум-насос
/>
Рис. 2 — Многокорпусная противоточная выпарнаяустановка: 1-3 – корпуса установки; 4-6 – насосы
В химическойпромышленности применяются в основном непрерывно-действующие выпарныеустановки. Лишь в производствах малого масштаба, а также при выпариваниирастворов до высоких конечных концентрации; иногда используют аппаратыпериодического действия.
При периодической выпарке в аппарат загружаютопределенное количество раствора начальной концентрации, подогревают его дотемпературы кипения и выпаривают до заданной концентрации. Затем упаренныйраствор удаляют из аппарата, вновь заполняют ею свежим раствором и процессповторяют. Установки периодического действия обычно выполняются в видеотдельных аппаратов. Осуществить многоступенчатую выпарную установку свыпарными аппаратами периодического действия невозможно, так как не удастсясогласовать режимы работы и производительность отдельных аппаратов.
Применяемые схемымногокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара впоследнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся наработающие под разряжением, под избыточным и атмосферном давлениях. Выбордавления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностьюиспользования тепла вторичного пара.
Потребляя пар относительно высокого давления имногократно используя его теплосодержание для выпаривания воды из раствора,выпарные аппараты могут использовать почти все количество потребляемого вторичногопара в виде экстра-паров более низких давлений, отбираемых из отдельныхкорпусов, что происходит в многокорпусных аппаратов без всякого ущерба дляосновного процесса.
Установки, в которыхпоследняя ступень находится под некоторым избыточным давлением, называютсявыпарными установками с противодавлением Уменьшение давления вторичного парапоследней ступени связано с уменьшением полезною перепада температур на установку,т.е. приводит к уменьшению кратности использования пара, что снижаетэкономические показатели.
В выпарных установках подразряжением удается получить, возможно, больший перепад температур между паром,греющим первую ступень и вторичным паром последней ступени. Это позволяетприменить наибольшую кратность использования пара в установке, но связано слотерей тепла со вторичным паром последней ступени, который из выпарнойустановки направляется непосредственно в конденсатор.
Используются и выпарныеустановки с ухудшенным вакуумом. В этих схемам предусматривается частичное использованиевторичного пара последней ступени для покрытия тепловой нагрузки низкогопотенциала, остальная часть пара направляется в конденсатор. При выпариваниипод вакуумом температура кипения снижается; эго обстоятельство используется присгущении растворов, для которых. во избежание порчи продукта, нельзя допуститьвысоких температур кипения.
При выпаривании податмосферным давлением (проводят в однокорпусных выпарных установках) вторичныйпар используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпариванияявляется наиболее простым, но наименее экономичным. Экономия вторичного параможет быть также достигнута в однокорпусных выпарных установках с тепловымнасосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается спомощью теплового насоса (например, термокомпрессора) до давления,соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращаетсяв аппарат.
Многокорпусная установкапозволяет значительно снизить расход тепла за счет многократного использованияпара. Предельно выгодное или оптимальное число корпусов зависит одновременно отрасхода пара и его стоимости, от единовременной стоимости выпарной установки,срока ее амортизации и др. На практике число корпусов обычно не превышает 5-6.
1.3 Конструкциивыпарных аппаратов
Наибольшее распространение в химической и смежных отрасляхпромышленности получили высокопроизводительные выпарные аппараты непрерывногодействия, особенно трубчатые выпарные аппараты различных типов. Нагревательныекамеры таких аппаратов могут быть непосредственно соосно соединены ссепараторами в единое устройство. Возможно и устройство, состоящее из двухсамостоятельных элементов: нагревательной камеры и сепаратора.
Выпарные аппараты классифицируются по различным признакам.Наиболее существенной является классификация по принципу организации циркуляциикипящего раствора в аппарате. Различают выпарные аппараты с естественной ипринудительной циркуляцией раствора, пленочные и барботажные аппараты.
Хорошая циркуляцияраствора в аппарате способствует интенсификации теплообмена, в первую очередьсо стороны кипящей жидкости. Как известно, увеличение скорости движенияжидкости приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя, снижениюего термического сопротивления и повышению коэффициента теплоотдачи. Крометого, циркуляция раствора предотвращает быстрое отложение на стенкахкипятильных труб твердой фазы (накипи). Появляется возможность осуществлятьвыпаривание кристаллизующихся и высоковязких растворов.
1.3.1 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией
Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различиемплотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах.Скорость (кратность) циркуляции здесь невелика (скорость движенияпарожидкостной смеси составляет 0,3-0,8 м/с). Поэтому коэффициентытеплопередачи также относительно низкие. Несмотря на достаточную простоту,аппараты этого типа заменяются на другие — с более интенсивной циркуляцией.
На рис. 3. показан выпарной аппарат с вынесеннойциркуляционной трубой 2. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается,следовательно раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется.Разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильных трубах 1 и раствора вциркуляционной трубе больше, чем в аппаратах с центральной циркуляционнойтрубой, поэтому кратность циркуляции и коэффициенты теплопередачи нескольковыше. Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубахуменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться приконцентрировании растворов.
/>
Рис. 3 — Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой:1- нагревательнаякамера; 2 -циркуляционная труба; 3 — центробежный брызгоуловитель; 4 — сепарационное (паровое) пространство
Существенного снижения отложения солей можно достичь прииспользовании аппаратов с вынесенной зоной кипения. В таких аппаратахвследствие увеличенного гидростатического давления столба жидкости кипения втрубах нагревательной камеры не происходит, упариваемый раствор толькоперегревается. При выходе перегретого раствора из этих труб в трубу вскипания онпопадает в зону пониженного гидростатического давления, где и происходитинтенсивное его закипание.
Таким образом, предотвращается возможность отложения накипина теплообменной поверхности труб и, следовательно, увеличиваются коэффициенттеплопередачи и время эксплуатации аппарата между профилактическими ремонтами.
1.3.2 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией
Более высокие кратности циркуляции, соответствующие скоростямдвижения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных аппаратахс принудительной циркуляцией (рис. 4). Повышение кратности циркуляцииобеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов 4, обладающихвысокой производительностью. В связи с более высокими скоростями движенияжидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи — более2000 Вт/(м2∙К), поэтому такие аппараты могут эффективноработать при меньших полезных разностях температур (равных 3-5°С). В аппаратахс принудительной циркуляцией можно с успехом концентрировать высоковязкие иликристаллизующиеся растворы.
В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляциейвыполняют с вынесенной нагревательной камерой (см. рис. 4.). В этом случаепоявляется возможность производить замену нагревательной камеры при еезагрязнении, а иногда к одному сепаратору подсоединять две или тринагревательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющаянагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с сооснымигреющей камерой и сепаратором (см. рис. 5.) является меньшая производственнаяплощадь, необходимая для его размещения.
/>
Рис. 4 — Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией ивынесенной нагревательной камерой: 1-греющая камера; 2-сепаратор;3-циркуляционная труба; 4 – электронасосный агрегат
/>
Рис. 5 — Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией ивынесенной циркуляционной трубой: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 –циркуляционная труба; 4 — электронасосный агрегат
К общим недостаткамвыпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует отнести повышенныйрасход энергии, связанный с необходимостью работы циркуляционного насоса.
Все рассмотренные выше конструкции аппаратов по структуредвижения в них жидкости близки к моделям идеального перемешивания, поэтому присравнительно большом объеме циркулирующего раствора последний находится приповышенных температурах достаточно длительное время (а отдельные частицыжидкости — бесконечно долго). Это существенно затрудняет выпариваниенетермостойких растворов. Для таких растворов можно использовать пленочныевыпарные аппараты.
1.3.3 Пленочные выпарные аппараты
Их относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции;процесс выпаривания осуществляется за один проход жидкости по кипятильнымтрубам, причем раствор движется в них в виде восходящей или нисходящей пленкижидкости. Как правило, эти аппараты работают при прямоточном движении раствораи образующегося вторичного пара, который занимает центральную часть труб. Всвязи с этим здесь отсутствует гидростатический столб парожидкостной смеси и,следовательно, гидростатическая депрессия. Для обеспечения заданных пределовизменения концентраций упариваемых растворов кипятильные трубы делают длинными(6-10 м).
Выпарной аппарат с восходящей пленкой жидкости (рис. 6)работает следующим образом. Снизу заполняют раствором трубы на 1/4 и 1/5 ихвысоты, подают греющий пар, который вызывает интенсивное кипение. Выделяющийсявторичный пар, поднимаясь по трубам, за счет сил поверхностного трения увлекаетза собой раствор. В сепараторе пар и раствор отделяются друг от друга.
/>
Рис. 6 — Выпарные пленочные аппараты с восходящей пленкойжидкости: 1 – греющая камера; 2 — сепоратор
В выпарном аппарате с нисходящей пленкой жидкости (рис. 7)исходный раствор подают в верхнюю часть греющей камеры 1, где обычно расположенраспределитель жидкости, из которого последняя по трубам стекает вниз.Образующийся вторичный пар также движется в нижнюю часть нагревательной камеры,откуда вместе с жидкостью попадает в сепаратор 2 для отделения от раствора.
/>
Рис. 7 — Выпарные пленочные аппараты с нисходящей пленкойжидкости: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор
Для снижения температуры кипения раствора процесс, какправило, проводят под вакуумом. В этих аппаратах удается упаривать такжерастворы, склонные к интенсивному пенообразованию. Вместе с этим пленочнымаппаратам свойствен ряд недостатков. Они очень чувствительны к изменениямнагрузок по жидкости, в особенности при малых расходах растворов. Существуетопределенный минимальный расход раствора, ниже которого не удается достигнутьполного смачивания поверхности теплопередачи. Это может приводить к местнымперегревам трубок, выделению твердых осадков, резкому снижению интенсивноститеплопередачи. В таких аппаратах не рекомендуется выпаривать кристаллизующиесярастворы. Для них также требуются большие производственные площади.
Всем трубчатым выпарным аппаратам свойствен существенныйнедостаток: в них затруднительно, а часто и практически невозможно выпариватьагрессивные растворы. Для таких растворов применяют аппараты, в которыхотсутствуют теплопередающие поверхности, а процесс теплообмена осуществляютпутем непосредственного соприкосновения теплоносителя (нагретых или топочных газов)с упариваемым раствором.
1.4 Патентный обзор
Этот раздел включает в себя краткое описание патентов наизобретения по теме выпаривание за 1991-2002 годы.
1.4.1 Вертикальный выпарной аппарат(1805571)
Использование: в глиноземном производстве. Сущностьизобретения: аппарат состоит из греющей камеры, содержащей, в свою очередь,кожух и пучок греющих труб циркуляционной трубы, установленной внутри трубногопучка, сепаратора, трубных решеток, состыкованных с паровой и конденсатнойкамерами, а также патрубком для раствора, пара и конденсата. При этом греющаякамера установлена внутри сепаратора с зазором относительно верхней трубнойрешетки, а циркуляционная труба имеет высоту, меньшую, чем греющие трубы.
1.4.2 Выпарная установка(2050908)
Изобретение относится к химической технологии и может бытьиспользовано при регенерации воды из отработанных электролитов иконцентрировании сточных вод гальванотехники. Установка содержит камеруиспарения с нагревателем и камеру конденсации с охладителем. Камеры соединены замкнутымвоздуховодом с вентилятором, снабжены подводящими и отводящими штуцерами ивыполнены в виде аппаратов, каждый из которых включает установленные в верхнейчасти циклоннопенное, а в нижней-теплообменное устройство. Теплообменноеустройство представляет собой вертикальный концентрический пучок труб,расположенный вокруг центральной трубы, причем нижняя трубная доска пучкаустановлена над штуцером подвода обрабатываемого продукта в аппарат, а верхняясовпадает с нижней границей окна подвода воздуха под слой жидкостициклонно-пенного устройства.
1.4.3 Способ выпаривания алюминатных растворов и установкадля его осуществления(2194559)
Изобретение относится к области производства глинозема,конкретно к процессу выпаривания алюминатных растворов в противоточныхустановках. При упаривании алюминатных растворов, включающем нагрев раствора,последовательное упаривание и самоиспарение, часть раствора подают из второгопо ходу пара выпарного аппарата в первый с поддержанием в растворе первогокорпуса концентрации каустического оксида натрия в пределах 250-290 г/л иоставшуюся часть раствора второго корпуса и раствор первого корпуса выводят насамоиспарение.
2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
2.1 Обоснование выборатехнологической схемы
Технологическая схемавыпарной установки представляет собой систему выпарных аппаратов,барометрического конденсатора, теплообменника, насосов, емкостей для исходногои упаренного растворов и трубопроводов участвующих в процессе выпариванияраствора.
Согласно заданию проектируемаяустановка состоит из двух корпусов и представляет собой установку непрерывногодействия, работающую под давлением. При выпаривании под повышенным давлениемможно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд,не связанных с процессом выпаривания.
Схему проектируемойвыпарной установки рационально принять прямоточной, что предполагает непринудительное (без затраты внешней работы) движение раствора через всю системуи минимальные потери тепла с уходящим выпаренным раствором (уходит притемпературе кипения последнего корпуса).
Так как температурапоступающего раствора значительно ниже температуры кипения, то целесообразноего предварительно подогреть в отдельном теплообменнике, чтобы выпарной аппаратработал только как испаритель, а не частично как подогреватель, так как впоследнем случае коэффициент теплопередачи аппарата несколько снижается.
Подогрев производится в кожухотрубном теплообменнике за счеттепла греющего пара.
2.2Обоснованиевыбора оборудования
В разрабатываемомпроцессе используются выпарные аппараты, обогреваемые конденсирующимся водянымпаром, в частности аппараты, с вынесенной греющей камерой. При размещениинагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повыситьинтенсивность выпаривания не только за счёт увеличения разности плотностейжидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счётувеличения длины кипятильных труб.
Аппарат работает приболее интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, чтоциркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участкициркуляционного контура имеют значительную высоту.
Выносная греющая камералегко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку иремонт. Ревизию и ремонт греющей камеры можно производить без полной остановкиаппарата(а лишь при снижении его производительности), если присоединить к егокорпусу две камеры.
Конструкция теплообменныхаппаратов выбирается на основе расчета по определению поверхноститеплопередачи.До температуры кипения исходный раствор подогревается в отдельномтеплообменнике за счет тепла греющего пара, что позволяет избежать увеличенияповерхности. Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее частоприменяемых, который состоит из корпуса и приваренного к нему трубных решеток.В теплообменнике одна среда движется внутри труб, а другая в межтрубномпространстве. Среды направляются противотоком друг к другу. Раствор подаётсяснизу вверх, а насыщенный водяной пар в противоположном направлении. Такоенаправление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремитсядвигаться данная среда под влиянием изменения её плотности при нагревании.Кроме того, при указанном направлении движения сред достигается болееравномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площадипоперечного сечения аппарата.
Вторичный пар изпоследнего корпуса (в данном случае второго) отводится в барометрическийконденсатор, в котором при конденсации пара создается требуемое разряжение.Сухой полочный барометрический конденсатор работает при противоточном движенииохлаждающей воды и пара. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие вустановку главным образом с охлаждающей водой (в конденсаторе), а также черезнеплотности трубопроводов отсасываются через ловушку-брызгоулавливательвакуум-насосом.
С помощью вакуум-насосаподдерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление вконденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей вконденсатор.
2.3 Принцип действияпроектируемой установки
Технологическая схема выпарной установки показана на листе 1графической части. Исходный разбавленный раствор с концентрацией 4 % масс итемпературой 25 0С из промежуточной емкости центробежным насосом подаётсяв теплообменник (ГОСТ 15118-79), где подогревается до температуры близкой ктемпературе кипения, а затем в выпарную установку (ГОСТ 11987-81).Предварительный подогрев раствора производится насыщенным водяным паром.
Выпарной аппарат обогревается свежим водяным паром. Вторичныйпар, образующийся при концентрировании раствора, направляется в барометрическийконденсатор.
Самопроизвольный перетек раствора и вторичного пара в корпусевозможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате созданиявакуума конденсацией вторичного пара, а в барометрическом конденсаторе смешения(где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосомнеконденсирующихся газов вакуум-насосом). Смесь охлаждающей воды и конденсатавыводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором.Образующийся концентрированный раствор центробежным насосом подаётся впромежуточную емкость упаренного раствора концентрацией 19 % масс.
Конденсат греющего параиз выпарного аппарата выводится с помощью конденсатоотводчика.
Важное значение имеет охрана окружающей среды. Поэтомунеобходимо строгое соблюдение технологии очистки сточных вод, отходящих газов ит.д. Целесообразно применение мер профилактики по предотвращению опасныхвыбросов.
3. РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата
Поверхность теплопередачи выпарной установки определяют поосновному уравнению теплопередачи:
F=Q/(K*Δtп). (3.1)
Для определения тепловой нагрузки Q, коэффициента теплопередачи К и полезной разноститемпературы ∆t(n) необходимо знать распределениеупариваемой воды, концентрации растворов и их температуры кипения. Эти величинынаходят методом последовательных приближений.
Первое приближение:
Производительность установки по выпариваемой воде определяютиз уравнения материального баланса:
W=Gн *(1-хн/хк). (3.2)
Подставив, получим:
18 т/ч =5 кг/с
W=5(1-4/19) =3,95 кг/с
3.1.1 Концентрации упариваемого раствора
Распределение концентраций раствора по корпусам установкизависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. Впервом приближении на основании практических данных принимают, чтопроизводительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами всоответствии с соотношением: w1:w2=1,0:1,1.
Тогда:
w1=1,0W/(1,0+1,1)=3,95/2,1=1,88 кг/с
w2=1,1W/(1,0+1,1)=4,345/2,1=2,068 кг/с
Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:
х1=Gн*хн/(Gн-w1)=5*0,04/(5-1,88)=0,064, или 6,4%
х2=Gн*хн/(Gн-w1-w2)= 5*0,04/(5-1,88-2,068)=0,19, или 19%
Концентрация раствора в последнем корпусе х2соответствует заданной концентрации упаренного раствора.
3.1.2 Температура кипения раствора
Принимаем, что обогрев производится греющим паром — насыщенным водяным паром давлением Рг1=4 ат или 0,3924 МПа.
Общий перепад давлений в установке равен:
ΔРоб=Рг1-Рбк=0,3924-0,011=0,3814МПа.
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:
Р, МПа. t, °C. I, кДж/кг.
Рг1=0,3924 tг1=142,9 I1=2744
Рг2=0,2017 tг2=120,3 I2=2711
Рбк=0,011 tбк=47,42Iбк=2585
При определениитемпературы кипения раствора в аппарате исходим из следующих допущений.Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с естественнойциркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтомуконцентрацию кипящего раствора принимаем равной конечной в данном корпусе и,следовательно, температуру кипения раствора определяем при конечнойконцентрации.
Изменение температуры кипения по высоте кипятильных трубпроисходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости, температурукипения раствора в корпусе принимаем соответствующей температуре кипения всреднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусеотличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на суммутемпературных потерь ΣΔ от температурной (Δ’), гидростатической(Δ") и гидродинамической (Δ'") депрессий:
ΣΔ=Δ’+Δ"+Δ'"
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления парана преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе изкорпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Δ"'=1,0 -1,5 °С накорпус.
Примем Δ'"=1,0 °С.
Тогда температура вторичных паров в корпусах равна:
tвп1=tг2+Δ1'"=120,3+1,0=121,3°С;
tвп2=tбк+ Δ2'"=47,42+1,0=48,42°С;
Сумма гидродинамических депрессий
Σ Δ'"=1+1=2, °С
По температурам вторичных паров определим их давления. Ониравны соответственно (в МПа): Рвп1=0,208 МПа; Рвп2=0,0115МПа.
Определяемгидростатическую депрессию. Давление в среднем слое кипящего раствора Pсрравно:
Рср=Рвп+ρ∙g∙Н∙(1-ε)/2,(3.4)
где Н — высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ-плотность кипящего раствора, кг / куб.м; ε — паронаполнение (объемная доляпара в кипящем растворе), куб.м/куб.м.
Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценитьповерхность теплопередачи выпарного аппарата Fop. При кипении водных растворов можнопринять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000 Вт/кв.м.
Примем q=40000Вт/кв.м. Тогда поверхность теплопередачи ориентировочно равна: Fop=Q/q=w1∙r1/q=1,88∙2187∙103/40000=102,79 м2.
где r1 — теплота парообразования вторичногопара, Дж/кг, r1=2187 кДж/кг.
По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с естественнойциркуляцией и выносной греющей камерой состоят из кипятильных труб высотой 4 и5м при диаметре dн=38 мм и толщинестенки δст=2 мм.
Примем высоту кипятильных труб Н=4 м. При пузырьковом(ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε=0,4-0,6.
Примем ε =0,5. Плотность водных растворов, в том числераствораCuSO4 при температуре 25 °С исоответствующих концентрациях в корпусах равна:
ρ1=1063 кг/м3
ρ2=1218 кг/м3
При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаемизменением ее с повышением температуры от 25°С до температуры кипения ввидумалого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятогозначения ε.
Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па)равно:
Р1ср=Рвп1+ρ1∙g∙Н∙(1-ε)/2=208000+1063∙9,81∙4∙(1-0,5)/2=0.2184 МПа
Р2ср=Рвп2+ρ2∙g∙Н∙(1-ε)/2=11400+1218∙9,81∙4∙(1-0,5)/2=0,0231 МПа
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения итеплоты испарения растворителя:
Р, Мпа. t, °C. r, кДж/кг.
Р1ср=0,2184 tcp1=122,6 rвп1=2187
Р2ср=0,0231 tcp2=62,85 rвп2=2344
Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °С):
Δ"1=tcp1-tвп1=122,6-121, 3 =1,3°С.
Δ"2=tcp2-tвп2=62,85-48,42=14,43°С
Сумма гидростатических депрессий:
Σ Δ"= Δ1"+ Δ2"=1,3+14,43=15,73°С
Температурную депрессию Δ' определим по уравнениюТищенко:
Δ'=1,62∙10-2∙Δ'атм∙(Т2)/rвп, (3.5)
где Т — температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;Δ'атм — температурная депрессия при атмосферном давлении.
Находим значение Δ'атм1= 0,192 °С; Δ'атм2=0,57°С.
Δ'1=1,62∙10-2∙Δ'атм1∙(Т12)/rвп1;
Δ'1=1,62∙10-2∙ (122,6+273)2∙0,192/2187 =0,22 °С;
Δ'2=1,62∙10-2∙Δ'атм2∙(Т22)/rвп2;
Δ'2=1,62∙10-2∙(66+273)2∙0,57/2344=0,44°С.
Сумма температурных депрессий:
ΣΔ'=Δ'1+Δ'2=0,22+0,44=0,66°С
Температуры кипения растворов равны (в °С):
tк1=tг2+Δ'1+Δ"1+Δ'"1=120,3+0,22+1,3+1=122,82°С
tк2= tбк+Δ'2+Δ"2+Δ'"2=47,42+0,44+14,43+1=63,29°С
3.1.3 Полезная разность температур
Общая полезная разность температур равна:
ΣΔtп=Δtп1+ Δtп2
Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:
Δtп1=tг1-tкl=142,9-122,82=20,08°С
Δtп1=tг1-tкl=120, 3-63,29=57,01°С
Тогда общая полезная разность температуры равна:
ΣΔtп=20,08+57,01=77,09 °С.
Проверим общую полезную разность температуры:
ΣΔtп=tг1-tбк-(ΣΔ'+ΣΔ"+ΣΔ'")=142,9-47,42-(0,66+15,73+2)=77,09°С
3.1.4 Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара, производительность каждого корпуса повыпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместногорешения уравнений тепловых балансов и уравнения баланса по воде для всейустановки:
Q1=D∙(Iг1-i1)=1,03∙[Gн∙Сн∙(tк1-tн)+w1∙(Нвп1-Св∙tк1)+Qконц1];(3.6)
Q2= w1∙(Iг2-i2)=1,03∙[(Gн-w1)∙С1∙(tк2-tк1)+w2∙(Iвп2-Св∙tк2)+Qконц2];(3.7)
где 1,03 — коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла вокружающую среду;
Сн, С1 — теплоемкости растворов соответственно исходного и в первом корпусах.кДж/(кг*К); Сн =4.14кДж/(кг*К), С1=3.994кДж/(кг*К).Св-теплоемкость воды, кДж/(кг*К).;tн — температура кипения исходногораствора при давлении в корпусе,0С; D- расход греющего пара, кг/с;
При решении уравненияможно принять:
Iвп1 ≈ IГ2; Iвп2 ≈ Iбк;
Qконц1, Qконц2-теплотыконцентрирования по корпусам, кВт; так как эти величины имеют небольшоезначение, то ими пренебрегаем.
Q1=D∙(2744-104.6)=1,03∙[5∙4.14∙(122.82-122.6)+w1∙(2711-4,19∙122.82)]
Q2=w1∙(2711-516.1)=1,03[(5-w1)∙3,994∙(63.29-122.82)+w2∙(2585-4.19∙63.29)]
W=w1+w2=3.95
Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:
D=2.384 кг/с; w1=1.859 кг/с; w2=2.091 кг/с;
Q1=6292 кВт; Q2=4080 кВт
Результаты расчета сведены в табл. 1.
Таблица 1Параметр Корпус 1 2
Производительность по испаряемой воде, ω, кг/с
Концентрация растворов х, %
Давление греющих паров Рг., МПа
Температура греющих паров tг °С
Температурные потери Σ Δ, град
Температура кипения раствора tк°С
Полезная разность температур Δtп град
1.859
6.4
0.3924
142.9
2.52
122.82
20.08
2.091
19
0.2017
120.3
15.87
63.29
57.01
3.1.5 Выбор конструкционного материала
Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящегораствора CuSO4 интервале изменения концентраций от 4 %, до 19 % [6].Легированные стали с содержанием никеля являются нестойкими в среде растворов CuSO4. В этих условиях химически стойкой является стальмарки Х17 (5 балл стойкости). Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год,коэффициент теплопроводности λст=25,1 Вт/(м∙К).
3.1.6 Расчеткоэффициента теплопередачи
Коэффициент теплопередачидля первого корпуса определяем по уравнению аддитивности термическихсопротивлений:
К1=(1/α1+Σδ/λ+1/α2)-1.(3.8)
Примем, что суммарное термическое сопротивление равнотермическому сопротивлению стенки δст/λст инакипи δн/λн
Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара неучитываем. Получим:
Σδ/λ=δст/λст+δн/λн(3.9)
где δст, δн — толщина стенки,толщина слоя накипи, м.
при δст=0,002 м.
при δн=0,0005 м.
где λст, λн — коэффициенттеплопроводности стенки и накипи, Вт/(м∙К).
при λст=25,1 Вт/(м*К).
при λн=2 Вт/(м*К).
Σδ/λ=0,002 /25,1+0,0005/2=2,87 ∙10-4м2*К/Вт.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенкеα1 равен:
α1=2,04∙((r1∙ρж12∙λж13)/(μж1∙Н∙Δt1))1/4. (3.10)
где r1 — теплота конденсации греющего пара,Дж/кг;
рж1, λж1, μж1 — соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность Вт/(м*К),вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки:
tпл=tг1-Δt1/2
где Δt1 — разность температур конденсациипара и стенки, °С.
Расчет α1 — ведем методом последовательныхприближений.
В первом приближении примем Δt1=2 °С. Тогда
tпл=142.9-2/2=141,9°С.
α1=2,04∙(2144∙103 ∙10322∙0,4083/0,19∙10-3∙4∙2)1/4=6484Вт/(м2∙К)
Для установившегося процесса передачи тепла справедливоуравнение:
q=α1∙Δt1=Δtст/(ΣΔδ/λ)=α2∙Δt2, (3.11)
где q — удельная тепловая нагрузка, Вт/кв.м;Δtcт — перепад температур на стенке, °С;Δt2 — разность между температурой стенки со стороныраствора и температурой кипения раствора, °С.
Отсюда:
Δtст=α1∙Δt1∙(Σδ/λ)=6484∙2∙2,87∙10-4=3,72°С.
Тогда
Δt2=Δtп1-Δtст-Δt1=20,08-3,72-2=16,36°С.
Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору дляпузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условииестественной циркуляции раствора равен:
α2=А∙(q0,6)=780∙(q0,6)∙(λ11,3)∙(ρ10,5)∙(ρп10,06)/((с10,3)∙(σ10,5)∙(гв10,6)∙(ρ00,66)∙(μ10,3))(3.12)
По справочной литературе определяем:
λ1=0,4159 Вт/(м∙К); ρ1=1068кг/м3; ρп1=1,22 кг/м3; σ1=0,067Н/м; гв1=2200∙103 Дж/кг; ρ0=0,529кг/м3; с1=4095 Дж/кг∙К; μ1=0,265∙10-3Па∙с
Подставив эти значения, получим:
α2=780∙(q0,6)∙0,41591,3∙10680,5∙1,220,06/0,0670,5∙(2200∙103)0,6∙0,5290,66∙
40950,3∙(0,265∙10-3)0,3=7,408∙(6484)0,6=1435Вт/(м2∙К)
Проверим правильность первого приближения по равенствуудельных тепловых нагрузок:
q1=α1∙Δt1=6484∙2=12968Вт/кв.м
q2=α2∙Δt2=1435∙16,36=2348Вт/кв.м
q1≠q2
Для второго приближения примем Δt1=5,0 град
Пренебрегая изменением физических свойств конденсата приизменении температуры на 3,0 град, рассчитаем α1 по соотношению:
α1=6484∙(2/5)1/4=5156Вт/(м2∙К)
Получим:
Δtст=5156∙5∙2,87∙10-4=7,4град;
Δt2=20,08-5-7,4=7,68 град;
α2=7,408*(5156∙5)0,6=3285Вт/(м2∙К)
q1=5156∙5=25780Вт/м2
q2=3285∙7,68=25229Вт/м2
q1≈q2
Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%,следовательно, расчет коэффициентов α1 и α2 наэтом можно закончить.
Находим К1:
К1=(1/5156+2,87∙10-4+1/3285)-1=1271Вт/(м2∙К).
Далее рассчитываемкоэффициент передачи для второго корпуса К2.
В первом приближениипримем Δt1=4 °С. Тогда:
Δtпл=120. 3-2/2=118.3°С
α1=2,04∙(2210∙103∙1133∙0.4265/4∙4∙0.335∙10-3)1/4=5164Вт/м2К
Δtст=5164∙4∙2,87∙10-4=5,93°С
Δt2=57,01-4-5,93=47,08°С
α2=780∙(q0,6)∙0,43661/3∙11870,5∙0,150,06/0,0960,5∙(2350*103)0,60,5290,66 ∙35090,3∙(0,851∙10-3)0,3= 4,34(388∙4)0,6=1683 Вт/м2∙К
Проверим правильность первого приближения по равенствуудельных тепловых нагрузок:
q1=α1∙Δt1=5164∙4=20656Вт/м2
q2=α2∙Δt2=1683∙47,08=79236 Вт/м2
q1≠q2
Используя вышеописанныйметод приближения, найдем:
Δt1=18.65°С
α1=5164∙(4/18,65)1/4=3514Вт/м2К
Δtст=3514∙18,65∙2,87∙10-4=18,81°С
Δt2=57,01-18,81-18,65=19,55°С
α2=4,34∙(3514∙18,65)0,6=3368Вт/м2∙К
q1=65536 Вт/м2
q2=65845 Вт/м2
q1≈q2
Определим К2:
К2=(1/3514+2,87*10-4+1/3368)-1=1151Вт/м2∙К
3.1.7 Распределениеполезной разности температур
Полезные разноститемператур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностейтеплопередачи:
/>, (3.13)
где Δtп j,Qj, Kj — соответственно полезная разность температур,тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.
Подставив численныезначения, получим:
Δtп 1=77,09∙(6292/1271)/(6292/1271+4080/1151)=44,92град;
Δtп 2=77,09∙(4080/1151)/(6292/1271+4080/1151)=32.17 град.
Проверим общую полезнуюразность температур установки:
Σ Δtп=Δtп1+Δtп2 =44,92+32,17=77,09 °С
Рассчитаем поверхностьтеплопередачи выпарного аппарата по формуле (3.1):
F1=6292∙103/1271∙44,92=110,2м2;
F2=4080∙103/1151∙32.17=110,2 м2.
В последующих приближениях нет необходимости вноситькоррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов. Сравнениераспределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительнорассчитанных значений полезных разностей температур Δtппредставлено в табл. 2:
Таблица 2Параметры Корпус 1 2
Распределенные в 1-ом приближении Δtп, град. 44,92 32.17
Предварительно рассчитанные Δtп, град 20,08 57,01
Второе приближение
Как видно, полезные разности температур, рассчитанные изусловия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-ом приближении изусловия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенноразличаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры(давления)между корпусами установки. В основе этого перераспределениятемператур(давлений) должны быть положены полезные разности температур,найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.
3.1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачи
В связи с тем, что существенное изменение давлений посравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-ом корпусе,во втором приближении принимаем такие же значения Δ', Δ",Δ'" для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные послеперераспределения температур(давлений) параметры растворов и паров по корпусампредставлены в табл. 3:
Таблица 3Параметры Корпус 1 2
Производительность по испаряемой воде, ω, кг/с
Концентрация растворов х, %
Температура греющего пара в первом корпусе tг1 °С
Полезная разность температур Δtп град
Температура кипения раствора tк=tг-Δtп °С
Температура вторичного пара tвп= tк-(Δ'+ Δ") °С
Давление вторичного пара Рвп, МПа
Температура греющего пара tг= tвп- Δ'", °С
1,859
6,4
142,9
44,92
97,98
96,46
0,0893
95,46
2,091
19
32,17
88,13
73,26
0,0363
87,13
Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):
Q1=1,03∙[5∙4,14∙(97,98-96,46)+1,859∙(2711-4,19∙97,98)]=4438
Q2=1,03[(5-1,859)∙3,994∙(88,13-96,46)+2,091∙(2585-4,19∙88,13)]=4665
Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описаннымвыше методом, приводит к следующим результатам [в Вт/(м2∙К)]:
К1=1223; К2=1089
Распределение полезной разности температур
Δtп 1= 77,09∙(4438/1223)/((4438/1223)+(4665/1089))=45,35град;
Δtп 2= 77,09∙(4665/1089)/((4438/1223)+(4665/1089))=31,73 град.
Проверим общую полезнуюразность температур установки:
Σ Δtп=Δtп1+Δtп2 =45,36+31,73=77,09 °С
Сравнение полезных разностей температур Δtп,полученных во 2-ом и 1-ом приближении, представлено в табл. 4:
Таблица 4Параметры Корпус 1 2
Δtп, во 2-ом приближении, град. 45,35 31,73
Δtп в 1-м приближении, град. 44,92 32,17
Различие между полезными разностями температур по корпусам в1-ом и 2-ом приближениях не превышает 5%.
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
F1=4438000/(1223∙45,35)=102,653м2
F2=4665000/(1089∙31,73)=102,655м2
По ГОСТ 11987 — 81 выбираем выпарной аппарат со следующимихарактеристиками:
Таблица 5
Номинальная поверхность теплообмена Р(н), м2. 125 Диаметр труб d (наружный), мм
38/>2 Высота труб Н, мм 4000
Диаметр греющей камеры dK, мм 1000
Диаметр сепаратора dc, мм 2200
Диаметр циркуляционной трубы dц, мм 700
Общая высота аппарата На, мм 13500
Масса аппарата Ма, кг 11500
3.2 Расчет толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции δи находят изравенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляциив окружающую среду:
αв=(tст2-tв)=(λи/δи)∙(tcт1-tcт2), (3.14)
где αв=9,3+0,058∙tст2 — коэффициент теплоотдачи от внешнейповерхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2∙К);tст2 — температура изоляции со стороныокружающей среды (воздуха),°С;tст1 — температура изоляции со стороныаппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата посравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимаем равной температуре греющего пара tг1 tв — температура изоляции окружающей среды (воздуха),°С; λи — коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м∙К). Рассчитаемтолщину тепловой изоляции: при tcт2=35
αв=9,3+0,058∙35=11,33 Вт/(м2*К).
В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит(85% магнезии+15% асбест), имеющий коэффициент теплопроводности λи=0,09Вт/(м*К). Тогда при tcт1=142,9 °С, t(возд)=20 °С:
δи=λи∙(tст1-tст2)/(αв∙(tcт2-tвозд)).
δи=0,09∙(142,9-35)/(11,33∙(35-20))=0,057м.
Примем толщину тепловойизоляции 0,055 м и для второго корпуса тоже.
4. РАСЧЕТТЕПЛООБМЕННИКА
4.1 Тепловой баланс
Кожухотрубчатые подогреватели предназначены для конденсациипаров в межтрубном пространстве.Рассчитаем необходимую поверхностьтеплообменника, в трубном пространстве которого нагревается от 25 °С до 98 °Сраствор CuSO4.Тепловой поток, принимаемый исходной смесьюи, соответственно, отдаваемый насыщенным водяным паром:
Q=Gн∙c1∙(tк-tн), (4.1)
G — массовый расход жидкостной смеси, кг/с, с – средняя теплоемкость,Дж/кг∙с; t – начальнаятемпература раствора, °С; t –конечная температура раствора, °С.
Q=5∙4029∙(98-25)=1531020 Вт
В качестве теплоносителя использовать насыщенный водяной парс параметрами: t=142,9 °С.
По определенной по уравнению (4.1) тепловой нагрузке определяетсярасход второго теплоносителя cучётом потерь:
G=1,03∙Q/r (4.2)
где r –теплота конденсации пара.
G=1,03∙1531020/2141∙103=0,7365 кг/с
4.2 Определение ориентировочной поверхности теплообмена
Для определения ориентировочной поверхности теплообменаслужит формула:
Fop=Q/Kop∙∆tср.лог. (4.3)
Где Кор – ориентировочное значение коэффициентатеплопередачи, соответствующее турбулентному течению; ∆tср. лог – среднелогарифмическая разностьтемператур.
∆tсрлог=[(tг1-tн1)-(tг1-tк1)]/ln[(tг1-tн1)/(tг1-tк1)] (4.4)
∆tсрлог=[(142.9-25) –(142.9-98)]/2.69=76.8 ºC
Fop=1531020/800∙76.8=24.9 м2
4.3 Выбор теплообменникаПримем ориентировочное значение Re=15000 Что соответствуетразвитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Такой режим течениявозможен в теплообменнике с числом труб, приходящихся на один ход: для трубдиаметром dн=20´2 мм.N/z=4∙G1/p∙d∙Reop∙m1 (4.5)
N/z=4∙5/3,14∙0,016∙15000∙0,000552=48Из табл.2.3 [2] выбираем теплообменник с близкойповерхностью теплообмена F=31 м2 и длиной труб l= 4 м, число ходовz=2; число труб n= 100, диаметром кожуха Dк=0,4мВ трубное пространство направим подогреваемый раствор, вмежтрубное — греющий пар.
4.4 Уточненный расчетповерхности теплопередачиДля выбора формулы для расчета коэффициента теплоотдачиα1 определим значение критерия Рейнольдса для подогреваемогораствора Re1 по формуле:
Re1=4∙G1/π∙d∙(n/z)*μ1, (4.6)где d – внутренний диаметр труб теплообменника,м; n- число труб, z- число ходов (см.табл.2.3.[2]).
Re1 =4∙5/(3,14∙0,02∙(100/2)∙0,000552)= 10989.
Значение критерияПрандтля найдем по формуле:
Pr1 = с1∙μ1/λ1 (4.7)
Pr1 = 4029∙0,000552/0,576=5,5.Так как значение Re1 равно 10989, тозначение критерия Нусельта найдем по формуле:
Nu1=0,021∙Re10,8∙Pr10,43∙(Pr1/Prcт1)0,25 (4.8)Поправкой (Pr1/Prcт1)0,25принебрегаем т.к. разница температур между жидкостью и стенкой невелика, меньшеΔtср.
Nu1=0,021∙10989 0,8∙5,5 0,4=74,7 Вт/м∙К
Значение коэффициентатеплоотдачи α1 определим по формуле:
α1= Nu1∙λ1/d (4.9)
α1= 74,7∙0,4046/0,021= 1439 Вт/м2∙КПримем, что значение тепловых проводимостей стенки трубы состороны пара 11600 Вт/м2∙К со стороны кипящего раствора 2900Вт/м2∙К.
1/S=1/(1/11600+0,002/25,1+1/2900)=0,00051Вт/м2∙К.
Найдём число Рейнолдсадля газовой фазы:
Reг=Gп∙dвн/Sмтр∙∑δ/λ=0,7365∙0,025/0,017∙0,00051=2124(4.10)
α2=2,04∙ε∙λст∙(ρ∙L n/Gпμ)1/3 = 2,04∙0,7∙25,1∙(0,592∙4∙100/0,7365∙0,001)1/3=4336
К=1/(1/2124+0,00051+1/4336)= 696,6 Вт/м2∙К.
Тогда требуемаяповерхность теплопередачи:
Fтр=Q/(K∙Δtср)= 1531020/76,8∙696,6=28,6 м2.Из табл. 2.3 [2] выбираем теплообменник с близкойповерхностью теплообмена. Расчёты подтверждают, что выбранный ранеетеплообменник является оптимальним.Запас поверхности:∆=(31-28,6)∙100/28,6=8,39 % (4.12)4.5 Определение гидравлическогосопротивления теплообменника
А) в трубномпространстве:
Скорость среды в трубахтеплообменника:
ωтр = 4∙G1∙z/(3,14∙d2∙n∙ρ1) (4.13)
ωтр = 4∙5∙2/(3,14∙(0,021)2∙100∙1023) =0,28 м/с.
Для определениякоэффициента трения λ нужен Reсреды. Re= 12800.
Коэффициент трения λрассчитываем по формуле:
/>
Т.к. диаметр кожухавыбранного теплообменника равен Dk= 600 мм, а число ходов z= 2,то диаметр условного прохода его штуцеров равен dш= 150 мм (см.табл.2.6.[2]).
Скорость потока вштуцерах:
ωш=4∙Gтр/(3,14∙ ρтр∙d трш2)=4∙ 5/(3,14∙ 1023∙(0,15)2)= 0,0,277 м/с. (4.14)
Расчетная формула дляопределения гидравлического сопротивления в трубном пространстве имеет вид(формула(2.35) [2]):
ΔРтр=/>, (4.15)
где L-длина труб теплообменника, м.
ΔРтр= 1392Па.
Б) В межтрубномпространстве:
Число рядов труб,омываемых потоком в межтрубном пространстве:
m≈(n/3)0.5=(100/3)0.5≈6 (4.16)
Число сегментныхперегородок х=14 (см. табл. 2.7[2]).
Диаметр штуцеров к кожухуdмтр.ш=0,2 м, скорость потока в штуцерах:
/> (4.17)
Скорость теплоносителя вмежтрубном пространстве ωмтр определяется по формуле:
/> (4.18)
ΔРмтр=/>, (4.19)
ΔРмтр=21234Па.
5. РАСЧЕТВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
5.1 Расчет барометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяютконденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агентаиспользуют воду, которая подаётся в конденсатор чаще всего при температуреокружающей среды (около 20°С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливаетсяиз конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума всистеме из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиесягазы.
Необходимо рассчитать расход охлаждающейся воды, основныеразмеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрическойтрубы, производительность вакуум-насоса.
5.1.1 Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды gb определяют из теплового балансаконденсатора:
Gв=w2*(Iбк-cв*tк)/(cв*(tк-tн)), (5.1)
где Iбк — энтальпия паров в барометрическомконденсаторе, Дж/кг; tн — начальная температура охлаждающейводы, °С;tк — конечная температура смеси воды и конденсата, °С.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе изконденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град нижетемпературы конденсации паров;
При tбк=47,42°С
tк=tбк-3,0=47,42-3=44,42 °С
Тогда при tн=20 °С
Gв=2,091 (2585∙10З-4,19∙10З∙44,42)/(4,19∙10З∙(44,42-20))=49,09кг/с
5.1.2 Диаметрконденсатора
Диаметр барометрическогоконденсатора dбк:
dбк=(4∙w2 /(ρ∙π∙v))0,5, (5.2)
где ρ — плотность паров, кг/куб.м; v — скорость паров, м/с.
При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104Па скорость паров v=15-25 м/с. Тогдапри v=20 м/с:
dбк=(4∙2,091/(3,14∙20∙0,067))0,5=1,41м.
По нормалям НИИХИММАШа [12] подбираем конденсатор диаметром,равным расчётному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры.Выбираем барометрический конденсатор диаметром dбк=1600 мм.
5.1.3 Высота барометрической трубы
В соответствии с нормалями [12], внутренний диаметрбарометрической трубы dбт равен 300 мм. Скорость воды вбарометрической трубе
VВ=4*(Gв+w2)/(ρв*π*(dбт2)) (5.3)
VВ=4*(49,09 +2,091)/(1000*3,14*(0,32))=0,724м/с.
Высота барометрической трубы
Hбт=B/(ρв*g)+(1+Σξ+λ∙(Hбт/dбт)∙(vв2)/(2∙g)+0,5 (5.4)
где В — вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; Σξ — сумма коэффициентов местныхсопротивлений; λ — коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 — запас высоты на возможноеизменение барометрического давления, м.
При Рбк=11000 Па.
В=Ратм-Рбк=98000-11000= 87000 Па
Σξ=ξвх+ξвых=0,5+1,0=1,5
где ξвх, ξвых — коэффициентыместных 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:
Re=vв*dбт*ρв/μв=0,724 *0,3*1000/0,574*10-3=402222
Для гладких труб при Re =4022222 λ =0,019
Подставим в (5.4) указанные значения, получим:
Нбт=87000/(1000∙9,81)+(1+1,5+0,019*(Нбт/0,3)∙(0,7242)/(2∙9,81))+0,5
Отсюда находим Нбт=9,55 м.
5.2 Расчет производительности вакуум-насоса
Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимоудалять из барометрического конденсатора:
Gвозд=2,5∙10-5∙(w2 +Gв)+0,01*w2. (5.5)
где 2,5*10-5 — количество газа, выделяющегося из1кг воды; 0,01 — количество газа, подсасываемого в конденсатор черезнеплотности, на 1кг паров. Тогда
Gвозд=2,5∙10-5∙(2,091+49,09)+0,01∙2,091=0,02219 кг/с
Объемная производительность вакуум-насоса равна:
Vвозд=R∙(273+tвозд)∙Gвозд/(Мвозд∙Рвозд)(5.6)
где R — универсальная газовая постоянная, Дж/ (кмоль*К); Мвозд — молекулярная масса воздуха, кг/моль; tвозд — температура воздуха, °С; Рвозд — парциальное давление сухого воздухав барометрическом конденсаторе, Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению
tвозд=tн+4+0,1∙(tк-tн)=20+4+0,1∙(44,42-20)=26,44 °С
Давление воздуха равно:
Рвозд=Рбк — Рп,
где Рп — даление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд=26,44 °С.
Подставив, получим:
Рвозд=0,11∙9,81∙104 -0,035∙9,81∙104=6958Па
Тогда:
Vвозд=8310∙(273+26,44)∙22,19∙10-3/(29∙6958)=0,274м3/с= 16,4 м3/мин.
Зная объёмную производительность Vвозд=16,4 и остаточное давление Рбк, по каталогу [13]подбираем вакуум-насос типа ВВН-25 мощностью на валу N=48 кВт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте был рассмотрен процесс выпариванияи произведены расчеты основного оборудования, а также было подобрановспомогательное из стандартного. В результате расчетов были получены следующиерезультаты:
Выпарной аппарат (по ГОСТ 11987-81): номинальная поверхностьтеплообмена -125 м2; диаметр труб -38мм; высота труб-4м;
теплообменник для нагрева исходной смеси (ГОСТ 15118 — 79):поверхность теплопередачи 31 м2, диаметр кожуха 400мм; число ходов2; число труб 100, длиной 4м;
барометрический конденсатор: диаметр -1600 мм, высота – 9,55м;
вакуум-насос: марки ВВН-25: при оптимальных условиях работы:производительность 3,67 м3/мин, остаточное давление — 75 мм. рт. ст,мощность N=48 кВт.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ
1. ПавловК.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов иаппаратов. Л.: Химия, 1976. — 552 с.
2. ГОСТ11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.
3.Справочник химика. М-Л.: Химия, Т. III, 1962. 1006 с. Т. V,1966. — 974 с.
4. КаталогУКРНИИХИММАШа, Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М.:ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979. — 38 с.
5. МищенкоК.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных растворовэлектролитов. Изд. 2-е. Л.: Химия, 1976. — 328 с.
6. ВоробьеваГ.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химическихпроизводств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975. — 816 с.
7. КасаткинА.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия,1973. — 750 с.
8. ВикторовМ.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. Л.:Химия, 1977. — 360 с.
9. ЧернышевА.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номограмм для химико-технологическихрасчетов. Л.: Химия, 1974, — 200 с.
10. ОСТ26716-73. Барометрические конденсаторы.
11. Вакуумныенасосы. Каталог-справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. — 63 с.
12. ЧернобыльскийИ.И. Выпарные установки. Киев: Изд. Киевского ун-та, 1960. — 262 с.
13. КичигинМ.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. М.:Госэнерго-издат, 1955. — 392 с.
14. Основные процессы и аппаратыхимической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского.М.: Химия, 1991. — 496 с.