Расчет выпарного аппарата
1. Материальный баланс
Исходные данные:
·раствор - Хлори?д ма?гния МgCI2;
·начальная концентрация раствора: b0=3%;
·конечная концентрация раствора: bк=20%;
·давление во 2 корпусе: P2=0,05 MПа;
·отбор экстрапара: E=0,05 кг/кг;
·производительность: D=2000 т/ч;
·давление первичного пара: P=0,6 МПа.
Определяем количество раствора, поступающего на выпарку:
кг/ч.
Относительное количество выпаренной воды:
кг/кг.
Теплоёмкость раствора при начальной концентрации:
кДж/кг,
где -теплоемкость сухого раствора, кДж/кг К.
Количество выпаренной воды во 2-ом корпусе:
кг/кг.
Количество выпаренной воды в 1-ом корпусе:
кг/кг.
Концентрация раствора в 1-ом корпусе:
%.
Концентрация раствора во 2-ом корпусе:
%.
Давление в корпусах определяется следующим образом:
находим перепад давлений приходящийся на один корпус:
,
где - давл. греющего пара
- давл. в последнем корпусе
- число корпусов
Тогда давление в первом и втором корпусах будет:
.
2. Тепловой баланс
2.1 Распределение полезной разности температур. Температурные потери
Определяем физические параметры раствора в корпусах.
Теплоёмкость раствора в 1-ом корпусе:
кДж/кг.
Теплоёмкость раствора в 2-ом корпусе:
кДж/кг.
Физические константы раствора и воды, найденные по рис. 4.1-4.3 [1], сводим в таблицу, причём предварительно принимаем, что температура кипения раствора в 1-ом корпусе равна 120oC, а во 2-ом - 80оС.
Таблица 2.1. Параметры воды и раствора
Наименование физических константПервый корпусВторой корпусВодаРастворВодаРастворПлотность r, кг/м394310479711125Теплоёмкость С, кДж/кг4,2544,193,5Вязкость n, м2/сек·10-60,2260,3360,3660,454Теплопроводность l, кДж/(кг·К)0,6860,580,6860,56
Физико-химические температурные депрессии определяем по рис. 4.1 [1] с соответствующей поправкой на давление; оцениваем гидростатические и гидравлические депрессии; все данные сводим в табл. 2.2:
Таблица 2.2. Величины депрессий
Род депрессииКорпусIIIФизико-химическая D11,24.4Гидростатическая D220.3Гидравлическая D310.5Суммарная SD4.25.2
Находим значения температурных депрессий.
Температурные депрессии при атмосферном давлении
?'1н=1,2 С
?«1н=4,4С,
в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно.
Температурные депрессии:
,
в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно.
Гидростатическая депрессия.
Температура насыщения в корпусах:
в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно
Температура кипения раствора:
в 1-ом и 2-ом корпусе соответственно.
Давление в среднем слое кипятильных труб:
,
где Н=4 м - ориентировочная высота трубок выпарного аппарата.
?=0,6 м3/м3 - объемная доля пара в кипящем растворе.
Температура кипения раствора в среднем слое кипятильных труб
Температура кипения раствора на нижнем слое:
Гидростатическая дипрессия:
Гидравлическая дипрессия изменяется в пределах 0,5…10С.
Полная (располагаемая) разность температуры установке:
оС,
где ts=159 - температура греющего пара при Р=0,6 МПа;
Q2=74оС - температура вторичного пара во 2-ом корпусе.
Полезная разность температур:
оС.
Согласно заданию оба корпуса должны иметь одинаковые поверхности нагрева. В соответствии с этим полезная разность температур распределяется между корпусами прямо пропорционально их тепловым нагрузкам и обратно пропорционально коэффициентам теплопередачи, т.е.:
.
Тепловые нагрузки корпусов могут быть приняты пропорциональными количествам выпариваемой в них воды с поправкой в дальнейшем на явление самоиспарения и увеличение скрытой теплоты парообразования во втором корпусе. Таким образом:
.
Отношение коэффициентов теплопередачи по корпусам принимаем предварительно (по опытным данным) k1/k2=2. Подставив эти значения, получим:
.
Так как полезная разность температур: Dt=Dt1+Dt2=75.6oC, то:
оС,
оС.
Температура кипения раствора в 1-ом корпусе:
t1=ts-Dt1=129-27.2=101.8 oC.
Температура вторичного пара в 1-ом корпусе:
q1=t1-D1=101.8-4.2=97.6 oC.
Температура кипения раствора во 2-ом корпусе:
t2=t`s+D=74+9.4=83.4 oC,
гдеt`s=74oC - температура пара при Р=0,6 ата.
Температура греющего пара во 2-ом корпусе:
q`1=t2+Dt2=83.4+48.3=131.7oC.
Температура вторичного пара во 2-ом корпусе:
q2=t2-D2=83.4-5.2=78.2oC.
На основе полученных результатов и данных, взятых из таблиц водяного пара, составляем табл. 2.3.
Таблица 2.3. Температуры и энтальпии пара и жидкости
Наименование параметровПервый корпусВторой корпусОбозначениеIОбозначениеIIТемпература греющего пара, оСts129q`1131.7Температура кипения раствора, оСt1101.8t283.4Температура вторичного пара, оСq197.6q278.2Температура конденсата, оСt1151.9t2123.35Энтальпия греющего пара, кДж/кгi`12756i`22711Энтальпия вторичного пара, кДж/кгi``12711i``22635Теплота парообразования вторичного пара, кДж/кгr12194r22322
2.2 Расчёт теплообмена
Коэффициент теплообмена между конденсирующимся паром и стенкой для 1-го корпуса:
Вт/(м2·К),
где B`=5700+56·ts-0.09·ts2=5700+56·151.9-0.09·151.92=1.2·104 - полином; принимаю Dt=2.2оС - разность температур вблизи стенки; Н - длина трубки (принимаем 4).
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для первого корпуса определяем из формулы:
,
.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для 1-го корпуса определяем следующим образом:
где v=1,5 - скорость раствора в трубках;
d=32 мм - диаметр трубок.
Коэффициент теплопередачи для 1-го корпуса:
,
где dст и lст - параметры материала стенки;
dН и lН - параметры накипи стенок.
Проверяем принятую в расчёте разность температур:
,
что незначительно отличается от принятого значения 2,2.
Коэффициент теплообмена между конденсирующимся паром и стенкой для 2-го корпуса:
Вт/(м2·К).
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для 2-го корпуса определяем следующим образом:
Коэффициент теплопередачи для 2-го корпуса:
Вт/(м2·К),
где dст и lст - параметры материала стенки;
dН и lН - параметры накипи стенок.
Проверяем принятую в расчёте разность температур:
,
что незначительно отличается от принятого значения 2,2.
Расход греющего пара в 1-ом корпусе на 1 кг неконцентрированного раствора определяем по формуле (4-27) [1], а коэффициенты X2, Y2 и Z2 вычисляем по табл. 4-3а и 4-3б [1].
Приняв b1=0, поскольку to=t1 и s2=0 (по условию), найдём:
,
и получаем:
X2=2-b2=2-0.01=1.99, Y2=2·b1+b2=b2=0.01, Z2=1.
При этом расход пара в 1-ом корпусе на 1 кг раствора составит:
Полный расход пара:
D=Go·d1=2000·0.43=860 кг/ч.
Уточняем количества выпаренной воды. Количество воды, выпаренной в 1-ом корпусе на 1 кг раствора:
,
т.к. , то и количество выпаренной воды:
Количество воды, выпаренной во 2-ом корпусе на 1 кг раствора:
,
.
Количество воды, выпаренной во всей установке:
.
Расхождение с предварительно найденным количеством воды составляет менее 1%.
Проверяем количества теплоты, переданные в отдельных корпусах:
,
.
Отношение полученных количеств теплоты: q2/q1=0.935, что немногим отличается от ранее найденного 0,85.
Проверяем полученные концентрации растворов в корпусах:
,
.
Так как расхождение полученных величин с ранее принятыми незначительно, то повторного расчёта не делаем.
Поверхности нагрева выпарных аппаратов:
м2,
м2.
Поверхности нагрева обоих аппаратов согласно условию расчёта оказались почти одинаковыми.
По ГОСТ 11987-81 выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 1, исполнение 2).
Технические характеристики:
поверхность теплообмена, при диаметре труб 382 и длине - 112 м2
·диаметр греющей камеры ,
·диаметр сепаратора ,
·диаметр циркуляционной трубы ,
·высота аппарата ,
·масса аппарата .
3. Тепловой расчёт подогревателя экстрапара
Определяем количество переданной теплоты в подогревателе:
Q=D1·r1=860·2194=2.5·106 кДж.
Определяем поверхность теплообмена:
м2,
где оС - среднелогарифмическая разность температур; k - к-т теплопередачи для подогревателя (принимаем по опытным значениям).
Зная скорость теплоносителя в трубках w м/сек, его расход G кг/ч и выбрав величину внутреннего диаметра трубок d м, определяем их число:
.
Принимаем толщину трубок 1 мм, значение шага s=(1.3¸1.5)·d=50 мм. При ромбическом расположении трубок для n=300 принимаем D`/s=36.
Отсюда:
D`=36·s=36·50=1800 мм.
Длина трубок выражается формулой:
м,
где z - число ходов (приняли одноходовую).
Определяем внутренний диаметр корпуса D:
D=D`+dнар+2·k=1800+34+2·6=1846 мм.
4. Тепловой расчёт подогревателя острого пара
Определяем количество переданной теплоты в подогревателе:
Q=D2·r2=1780·2322=4.1·106 кДж.
Определяем поверхность теплообмена:
м2,
где оС - среднелогарифмическая разность температур; k - к-т теплопередачи для подогревателя.
Зная скорость теплоносителя в трубках w м/сек, его расход G кг/ч и выбрав величину внутреннего диаметра трубок d м, определяем их число:
.
Принимаем толщину трубок 1 мм, значение шага s=(1.3¸1.5)·d=50 мм. По табл. 3-1 [1] при ромбическом расположении трубок для n=421 принимаем D`/s=24.
Отсюда:
D`=24·s=24·50=1200 мм.
Длина трубок выражается формулой:
м,
где z - число ходов (приняли двухходовую).
Определяем внутренний диаметр корпуса D:
D=D`+dнар+2·k=1200+34+2·7=1346 мм.
5. Аэродинамический расчёт тракта подачи исходного раствора
Суммарное сопротивление будет складываться из потерь по длине и местных сопротивлений.
Рассчитаем потери в корпусах по ходу движения раствора. Для 1-го корпуса:
где z1 - коэффициент сопротивления крепёжной муфты;
z2 - коэффициент сопротивления внезапного расширения;
z3 - коэффициент сопротивления входа в решётку;
z4 - коэффициент сопротивления выхода из решётки;
z5 - коэффициент сопротивления сужения тракта.
Сопротивление движению по трубкам:
Па,
где
Полное сопротивление 1-го корпуса:
Dh1=Dhm1+Dhтр1=12721+139=12860 Па.
Для 2-го корпуса:
где z1 - коэффициент сопротивления крепёжной муфты;
z2 - коэффициент сопротивления внезапного расширения;
z3 - коэффициент сопротивления входа в решётку;
z4 - коэффициент сопротивления выхода из решётки;
z5 - коэффициент сопротивления сужения тракта.
Сопротивление движению по трубкам:
Па,
где
Полное сопротивление 2-го корпуса:
Dh2=Dhm2+Dhтр2=3417+483=3900 Па.
Сам тракт представляет собой три участка с длиной 3 м (для технологических и монтажных потребностей) по которым раствор движется с разными параметрами. Произведём расчёт участков между теплообменниками.
Первый участок:
Па,
где
Dh`1=Dh`тр1+Dh`м1=191+580=771 Па.
Второй участок:
Па,
где
Dh`2=Dh`тр2+Dh`м2=150+909=1059 Па.
Третий участок:
Па,
где
Dh`3=Dh`тр3+Dh`м3=42+127=169 Па.
Тогда полное сопротивление тракта равняется:
Dp=Dh1+Dh2+Dh`1+Dh`2+Dh`3=12860+3900+771+1059+169=18759 Па.
6. Выбор вспомогательного оборудования
Расчет производительности вакуум-насоса.
Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
Определение расхода охлаждающей воды.
Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:
,
где - количество воды, выпаренной во 2-ом корпусе на 1 кг раствора.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды на выходе из конденсатора принимают на 3-5 град ниже температуры конденсации паров:
.
Тогда
,
.
Объемная производительность вакуум-насоса равна:
.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению
.
Давление воздуха равно:
,
где .
.
По ГОСТ 1867-57 подбираем вакуум-насос типа ВВН - 0,75, мощность на валу 1,3 кВт.
Литературный обзор
выпарной температура экстрапар раствор
1.Лебедев П.Д. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. М.: Энергия. 1966.
.Лебедев П.Д. Теплообменные сушильные и холодильные установки. М. Энергия. 1966.
.Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. Химия, 1991.
.Несенчук А.Н. Промышленные теплотехнологии. Ч. 2 Минск: Высш. шк. 1995.
Больше работ по теме:
Предмет: Физика
Тип работы: Контрольная работа
Новости образования
КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]
Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ