Курсовая работа: Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
Курсовая работа: Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
Министерство
образования и науки Украины
Национальный
Технический Университет
«Харьковский
Политехнический Институт»
Кафедра Общей химической технологии,
процессов и аппаратов
Курсовой
проект
Тема проекта:
Расчет
трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
Проектировал студент
Шорин В. В..
гр. Н-48
Руководитель проекта
Новикова Г. С.
Харьков
2010 г.
Введение
Технологическая схема
выпарной установки
В химической
промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ
широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого
использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ
состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса
используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих
установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных
выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по
сравнению с однокорпусными установками той же производительности.
Принципиальная
технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного
действия представлена на рис.1.1.
Исходный раствор подается
из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3
в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный
раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в
первом корпусе выпарной установки.
Первый корпус установки
обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении
раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй
корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из
первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в
третий корпус 6 , обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный
до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в
емкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и
температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким
давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в котором
при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из
корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в
результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух
и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в
конденсаторе) и через не
плотности трубопроводов,
отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом.
Смесь охлаждающей воды и
конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9.Конденсат
греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью
конденсатоотводчиков.
Выбор выпарных
аппаратов
Конструкция выпарного
аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся:
высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших
объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства,
надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и
ремонта.
Вместе с тем выбор
конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном
случае физико-химическими свойствами раствора.
Для выпаривания растворов
небольшой вязкости (до 8 мПа∙с) без образования кристаллов, чаще всего
используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и
кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.
Растворы чувствительные к
повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных
аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию – в прямоточных аппаратах
с восходящей пленкой.
Типы и основные размеры
выпарных аппаратов представлены в ГОСТ 11987–81, и каталогах УКРНИИХИММАШа
[11,12].
Задание на расчет
выпарной установки
Цель расчета выпарной
установки – расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеров
основного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего в
технологическую схему установки.
Задание на курсовое
проектирование
Рассчитать и
спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для
концентрирования водного раствора по следующим данным:
1. Производительность установки по
исходному раствору –8000 кг/ч;
2. Концентрация раствора:
начальная – 5% масс.; конечная – 15 % масс.;
3. Давление греющего пара –Р=0,4 МПа;
4. Давление в барометрическом
конденсаторе –,Р=0,0147 МПа;
5. Раствор подается в первый корпус
подогретым до температуры кипения;
6. Схема выпаривания - прямоточная;
циркуляция естественная
1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
Технологический расчёт
выпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи.
Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному
уравнению теплопередачи
, (1.1)
где – поверхность
теплопередачи, м2;
– тепловая нагрузка, Вт;
– коэффициент теплопередачи,
Вт/(м2∙К);
– полезная разность
температур, К.
Для определения тепловых
нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур
необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов по
корпусам и их температуры кипения. Первоначально определим эти величины по
материальному балансу, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.
1.1 Расчёт
концентраций выпариваемого раствора
Производительность
установки по выпариваемой воде определяем по формуле:
, (1.2)
где –
производительность по выпаренной воде, кг/с;
– производительность по
исходному раствору, кг/с;
– соответственно начальная и
конечная концентрация раствора, масс. доли,
кг/с.
На основании практических
данных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами в
соотношении
Тогда:
Проверка:
W1+W2+W3= W=0,45+0,49+0,54=1,76 кг/с.
Рассчитываем концентрации
растворов в корпусах:
Концентрация раствора в
третьем корпусе соответствует заданной
концентрации упаренного раствора .
1.2 Определение
температур кипения раствора
Температура кипения
раствора в корпусе определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса и температурных потерь
, (1.3)
где – соответственно
температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, К.
Для определения
температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆P распределяется между корпусами
поровну:
, (1.4)
где PГ1 – давление греющего пара в
первом корпусе, МПа;
Pбк – давление в барометрическом
конденсаторе, МПа.
Тогда давление греющих
паров, МПа, в корпусах составляет:
PГ1=0,4МПа
PГ2 = PГ1 – ∆P = 0,4 – 0,1284 = 0,2716 МПа
PГ3 = PГ2 – ∆P = 0,2716 – 0,1284 = 0,1432 МПа
Pбк = PГ3 – ∆P = 0,1432 – 0,1284 = 0,0148 МПа
По давлению греющего пара
находим его температуру и теплоту парообразования (табл. 2.1) по корпусам.
Таблица 1.1 – Температуры
и теплоты парообразования
Давление, МПа |
Температура, ºС |
Теплота парообразования, кДж/кг |
PГ1=0,4
|
tГ1=143,6
|
rГ1=2139
|
PГ2=0,2716
|
tГ2=129,78
|
rГ2=2180
|
PГ3=0,1432
|
tГ3=110,4
|
rГ3=2234
|
Pбк=0,0148
|
tбк=53,71
|
rбк=2372,3
|
1.2.1 Определение
температурных потерь
Температурные потери в
выпарном аппарате обусловлены температурной , гидростатической и гидродинамической депрессиями.
а) Гидродинамическая
депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических
сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из
корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают = 1,0 – 1,5 ºС на
корпус. Примем = 1 ºС, тогда
температуры вторичных паров в корпусах равны:
tвп1 = tГ2 + = 129,78+1=130,78 ºС
tвп2 = tГ3 + = 110,4+1=111,4С
tвп3 = tбк + =53,71+1=54,71 ºС
Сумма гидродинамических
депрессий:
ºС
По температурам вторичных
паров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2.2).
Таблица 1.2 – Давления
и теплоты парообразования
Температура,ºС
|
Давление, МПа
|
Теплота парообразования,
кДж/кг
|
tвп1=130,78
|
Pвп1=0,2787
|
rвп1=2177
|
tвп2=111,4
|
Pвп2=0,1504
|
rвп2=2230
|
tвп3=54,71
|
Pвп3=0,0155
|
rвп3=2367
|
б) Гидростатическая депрессия
обусловливается
наличием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие
гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата
температура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина не может быть
точно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причем
величина зависит
от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной эмульсии,
заполняющей большую часть высоты кипятильных труб. Приблизительно расчет возможен на
основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильных
труб. Величина определяется как разность
температуры кипения в среднем слое труб и температуры вторичного пара ():
(1.5)
Для того, чтобы
определить нужно
найти давление в среднем слое (Pср) и по этому давлению определить температуру в среднем слое (по таблице
свойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубах
при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора.
Плотность раствора (при 100 °С) определяется в зависимости от концентрации
раствора в корпусе.
Давление в среднем
сечении кипятильных труб (в МПа) равно сумме давлений вторичного пара в корпусе
и гидростатического давления столба жидкости (∆Pср ) в этом сечении трубы длиной H:
Pср = Pвп + ∆Pср = Pвп +
Для выбора значения H нужно ориентировочно определить
поверхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов
можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 10000 ÷ 30000 Вт/м2. Примем q = 10000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса
ориентировочно будет равна:
По ГОСТ 11987—81 для выпарного
аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ближайшая
будет поверхность – 63 м2
при диаметре труб 38x2 мм и
длине труб Н = 4000 мм.
Давления в среднем слое
кипятильных труб корпусов равны:
P1ср = Pвп1 + МПа
P2ср = Pвп2 + МПа
Страницы: 1, 2, 3
|