Двокорпусні випарна установка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ

Державна освітня установа вищої професійної освіти

Кузбасский Державний Технічний Університет

Кафедра процесів, машин та апаратів хімічних виробництв

РОЗРАХУНКОВО-ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до курсового проекту на тему:

«Двокорпусні випарна установка»

Студент Майбуров М.В.

Керівник проекту

Темнікова Е.Ю

Кемерово 2006

Зміст

Введення

1. Опис технологічної схеми установки

2. Розрахунок основного апарату

Висновок

Список літератури

Введення

Випарні апарати призначені для концентрування рідких розчинів практично нелетких речовин шляхом часткового видалення розчинника випаровуванням при кипінні рідини. У процесі випарювання розчинник видаляється з усього об'єму розчину, в той час як при температурах нижче температур кипіння випаровування відбувається тільки з поверхні рідини.

Процес випаровування - енергоємний процес, особливо якщо теплота випаровування. Як наприклад у води. Тому складова на енерговитрати при випаровуванні може бути дуже істотною складовою в собівартості виробництва того або іншого продукту. Одним з найбільш ефективних способів зниження енергоспоживання є застосування випарних батарей-багатокорпусних випарних установок.

Речовиною, підлягає концентрування у водному розчині, є К2СО3. Його основні фізико-хімічні властивості наведені в таблиці 1.1:

Таблиця 1.1

Пошат використовують у виробництві скла. Значна кількість пошата вживають для виробництва деяких солей, фармацевтичних препаратів, рідкого калійного мила. Для отримання рідкої і твердої двоокису вуглецю, при фарбування та відбілювання тканин, для виготовлення друкарських фарб і т.д. розроблено спосіб кладки бетону в зимовий час з застосуванням розчину пошата. У препаративної хімії в якості водовідштовхувального засоби [1]

1. Опис технологічної схеми установки

У хімічній і суміжній з нею галузях промисловості рідкі суміші, концентрування яких здійснюється випарюванням, відрізняються великою різноманітністю як фізичних параметрів (в'язкість, щільність, температура кипіння, величина критичного теплового потоку та ін), так і інших характеристик (кристалізуються, що з піною, нетермостойкие розчини та ін.) Властивості сумішей визначають основні вимоги до умов проведення процесу (вакуум-випарювання, прямо-і протиточні, одно-і багатокорпусні випарні установки), а також до конструкцій випарних апаратів.

Така різноманітність вимог викликає певні складнощі при правильному виборі схеми випарної установки, типу апарату, числа щаблів до багатокорпусному випарної установки. У загальному випадку такий вибір є завданням оптимального пошуку і виконується техніко-економічним порівнянням різних варіантів з використанням ЕОМ.

У наведеному нижче типовому розрахунку трьох корпусних установки, що складається з випарних апаратів з природною циркуляцією (з соосной камерою) і кипінням розчину в трубах, і солеотделеніем.

Принципова схема трьох корпусних випарної установки див. додаток на А1.

Вихідний розбавлений розчин з проміжної ємності Е1 відцентровим насосом Н1 подається в теплообмінник Т, де прогрівається до температури, близької до температури кипіння, а потім - в перший корпус випарної установки АВ1. Попередній підігрів розчину підвищує інтенсивність кипіння в випарної апараті АВ1.

Перший корпус обігрівається свіжим водяною парою. Вторинний пара, що утворюється при концентруванні розчину в першому корпусі, спрямовується як гріє в другий корпус АВ2. Сюди ж надходить частково сконцентрований розчин з 1-го корпусу.

Самовільний перетік розчину і вторинної пари в наступні корпусу можливий завдяки загальному перепаду тисків, що виникає в результаті створення вакууму конденсацією вторинної пари останнього корпусу в барометричному конденсаторі змішання КТ, де заданий тиск підтримується подачею охолоджувальної води і відсмоктуванням неконденсуючий газів вакуум-насосом НВ. Суміш охолоджуючої води і конденсату виводиться з конденсатора за допомогою барометричної труби з гідрозатворів. Утворений у другому корпусі концентрований розчин відцентровим насосом Н3 подається в проміжну ємність упаренного розчину Е2.

Конденсат гріючих пари з випарних апаратів виводиться за допомогою конденсатовідвідників КО1-4.

2. Розрахунок основного апарату

Вибір конструкційних матеріалів

Вибираємо конструкційний матеріал, стійкий в середовищі киплячого водного розчину К2СО3 в інтервалі зміни концентрацій від 11 до 32%. в цих умовах хімічно стійкою є сталь марки Х18Н10Т. Швидкість корозії її не менше 0,1 мм / рік, коефіцієнт теплопровідності λ _ст = 25,1 Вт / (м _* К).

Розрахунки конструктивно-технологічних параметрів апарату

Визначення поверхні теплопередачі випарних апаратів

Поверхня теплопередачі кожного корпусу випарної установки визначається за основним рівнянню теплопередачі:

F = Q / (K  t _п),

де Q - теплова навантаження, кВт;

K - коефіцієнт теплопередачі, Вт / (м ² _* K);

 t _п - корисна різниця _{температур,} град.

Для визначення теплових навантажень Q, коефіцієнтів теплопередачі К і корисних різниць температур  t _п необхідно знати розподіл упарюємо води, концентрацій розчинів і їх температур кипіння по корпусах. Ці величини перебувають методом послідовних наближень.

Продуктивність установки по випарює воді визначається з рівняння матеріального балансу:

W = G _н (1 - x _н / x _к),

де G _н - продуктивність установки по вихідного розчину, кг / с;

x _н, x _к - масові концентрації речовини у вихідному _{і упарену} розчині відповідно,%.

W = 1,11 _* (1 - 11/32) = 0,728 кг / с.

Концентрації упарюємо розчину

Розподіл концентрацій розчину по корпусах установки залежить від співвідношення навантажень по випарює воді в кожному апараті. У першому наближенні на підставі практичних даних приймають, що продуктивність по випарює воді розподіляється між корпусами в співвідношенні:

 _1:  _2:  ₃ = 1,0: 1,1

Тоді

 ₁ = 1,0 W / (1,0 + 1,1) = 1,0 _* 1,11 / 2,1 = 0,346 кг / с;

 ₂ = 1,1 W / (1,0 + 1,1) = 1,1 _* 1,11 / 2,1 = 0,381 кг / с;

Далі розраховуються концентрації розчинів у корпусах:

x ₁ = G _н x _н / (G _н -  ₁₎ = 1,11 _* 0,11 / (1,11 - 0,346) = 0,16, або 16%;

x ₂ = G _н x _н / (G _н -  ₁ -  ₂₎ = 1,11 _* 0,11 / (1,11 - 0,346 - 0,381) = 0,32, або 32%.

Концентрація розчину в останньому корпусі x ₂ відповідає заданої концентрації упаренного розчину x _к.

Температури кипіння розчинів

Загальний перепад тисків в установці дорівнює:

 P _про = P _г1 - P _бк,

де P _г1 - тиск пари, що гріє, МПа;

P _бк - абсолютний тиск в барометричному конденсаторі, МПа.

 P _про = 0,9-0,02 = 0,88 МПа.

У першому наближенні загальний перепад тисків розподіляють між корпусами порівну. Тоді тиску гріючих пари в корпусах (в МПа) рівні:

P _г1 = 0,9 МПа;

P _г2 = P _г1 -  P _об / 2 = 0,9 - 0,0,88 / 2 = 0,46 МПа.

Тиск пари в барометричному конденсаторі:

P _бк = P _г2 -  P _про / 2 = 0,46 - 0,488 / 2 = 0,02 МПа,

що відповідає заданому значенню P _бк.

За тискам парів знаходимо їх температури і ентальпії [1]:

P, МПа t, ⁰ CI, кДж / кг

P _г1 = 0,9 t _г1 = 174,5 I ₁ = 2780

P _г2 = 0,46 t _г2 = 147,82 I ₂ = 2750

P _бк = 0,02 t _бк = 59,7 I _бк = 2607

При визначенні температури кипіння розчинів в апаратах виходять з наступних припущень. Розподіл концентрацій розчину в випарної апараті з інтенсивною циркуляцією практично відповідає моделі ідеального перемішування. Тому концентрацію киплячого розчину приймають рівною кінцевою в даному корпусі і, отже, температуру кипіння розчину визначають при кінцевій концентрації.

Зміна температури кипіння по висоті кіпятільних труб відбувається внаслідок зміни гідростатичного тиску стовпа рідини.

Температуру кипіння розчину в корпусі беруть відповідній температурі кипіння в середньому шарі рідини. Таким чином, температура кипіння розчину в корпусі відрізняється від температури гріючої пари в подальшому корпусі на суму температурних втрат ΣΔ від температурної (Δ ^/), гідростатичною (Δ ^{/ /)} і гідродинамічної (Δ ^{/ / /)} депресій (ΣΔ = Δ ^/ + Δ ^{/ /} + Δ ^{/ / /).}

Гідродинамічна депресія обумовлена ​​втратою пара на подолання гідравлічних опорів трубопроводів при переході з корпуса в корпус. Зазвичай в розрахунках приймають Δ ^{/ / /} = 1,0 - 1,5 град на корпус. Приймемо для кожного корпусу Δ ^{/ / /} = 1 град. Тоді температури вторинних парів в корпусах (в ⁰ C) рівні:

t _вп1 = t _г2 + Δ ₁ ^{/ / /} = 147,82 + 1,0 = 148,82;

t _вп2 = t _бк + Δ ₂ ^{/ / /} = 59,7 + 1,0 = 60,7.

Сума гідродинамічних депресій

ΣΔ ^{/ / /} = Δ ₁ ^{/ / /} + Δ ₂ ^{/ / /} = 1 + 1 = 2 ⁰ С.

За температур вторинних парів визначимо їх тиск. Вони рівні відповідно (в МПа): P _вп1 = 0,47; P _вп2 = 0,18; P _ВП3 = 0,021.

Гідростатична депресія обумовлена ​​різницею тисків в середньому шарі киплячого розчину і на його поверхні. Тиск в середньому шарі киплячого розчину Р _ср кожного корпусу визначається за рівнянням:

Р _ср = P _вп + ρgH (1 - ε) / 2,

де Н-висота кіпятільних труб в апараті, м; ρ - щільність киплячого розчину, кг / м ^3; ε - паронаполненіе (об'ємна частка пари в киплячому розчині), м ³ / м ^3.

Для вибору значення H необхідно орієнтовно оцінити поверхню теплопередачі випарного апарату F _ор. При кипінні водних розчинів можна прийняти питому теплове навантаження апаратів з природною циркуляцією q = 20000 - 50000 Вт / м ^2. Приймемо q = 40000 Вт / м ^2. Тоді поверхня теплопередачі першого корпусу орієнтовно дорівнює:

F _ор = Q / q = ω _{1 *} r ₁ / q,

де r ₁ - теплота пароутворення вторинної пари, Дж / ​​кг.

F _ор = Q / q = ω _{1 *} r ₁ / q = 0,346 _* 2121,2 _* 10 ³ / 40000 = 18,4 м ^2.

За ГОСТ 11987 - 81 трубчасті апарати з природною циркуляцією засуджена гріючої камерою складаються з кіпятільних труб, висотою 4 і 5 м при діаметрі d _н = 38 мм і товщиною стінки δ _ст = 2 мм. Приймемо висоту кіпятільних труб H = 4 м.

При бульбашкового (ядерному) режимі кипіння паронаполненіе ε = 0,4 - 0,6. Приймемо ε = 0,5.

Щільність водних розчинів, в тому числі NaCl [6], при температурі 20 ⁰ С і відповідних концентраціях у корпусах дорівнює:

ρ ₁ = 1145 кг / м ^3, ρ ₂ = 1323014 кг / м ^3.

При визначенні щільності розчинів у корпусах нехтуємо зміною її з підвищенням температури від 20 ⁰ С до температури кипіння через малий значення коефіцієнта об'ємного розширення і орієнтовно прийнятого значення ε.

Тиску в середньому шарі кіпятільних труб корпусів (в Па) рівні:

Р _{1 порівн.} = Р _{вп 1} + ρ _{1 *} g _* Н _* (1 - ε) / 2 = 47,069 _* 10 ⁴ + 1145 * 9,8 * ⁴ * (1 - 0,5) / 2 = 48,2 _* 10 ^4;

Р _{2 СР} = Р _{вп 2} + ρ _{2 *} g _* Н _* (1 - ε) / 2 = 2,1 _* 10 ⁴ + 1323,14 _* 9,8 _* 4 _* (1 - 0,5) / 2 = 3,4 _* 10 ^4.

Цим тискам відповідають такі температури кипіння і теплоти випаровування розчинника [1]:

P, МПа t, ⁰ C r, кДж / кг

P _1ср = 0,0,48 t _1ср = 149,6 r _вп1 = 2121,32

P _2ср = 0,034 t _2ср = 71,38 r _вп2 = 2329,6

Визначимо гідростатичну депресію по корпусах (в ⁰ C):

Δ ₁ ^{/ /} = t _1ср - t _вп1 = 149,6 - 148,8 = 0,8;

Δ ₂ ^{/ /} = t _2ср - t _вп2 = 71,38-60,7 = 10,68

Сума гідростатичних депресій

ΣΔ ^{/ /} = Δ ₁ ^{/ /} + Δ ₂ ^{/ /} + Δ ₃ ^{/ /} = 0,8 +10,68 = 11,48.

Температурну депресію Δ ^/ визначимо за рівнянням

Δ ^/ = 1,62 _* 10 ^-2 _* Δ _атм ^/ _* Т ² / r _вп,

де Т - температура пари в середньому шарі кіпятільних труб, К; Δ _атм ^/ - температурна депресія при атмосферному тиску.

Знаходимо значення Δ ^/ по корпусах (в ⁰ C):

Δ ^/ ₁ = 1,62 _* 10 ^-2 _* (149,6 + 273) ² _* 1,64 / 2121,32 = 2,24;

Δ ^/ ₂ = 1,62 _* 10 ^-2 _* (71,32 + 273) ² _* 5,04 / 2339,6 = 4,16;

Сума температурних депресій

ΣΔ ^/ = Δ ₁ ^/ + Δ ₂ ^/ + Δ ₃ ^/ = 2,24 +4,16 = 6,4.

Температури кипіння розчинів у корпусах рівні (в ⁰ C)

t _к = t _г + Δ ^/ + Δ ^{/ /.}

В апаратах з винесеною зоною кипіння з природною циркуляцією кипіння розчину відбувається в трубі скипання, яка встановлюється над гріючої камерою. Кипіння в гріючих трубках запобігається за рахунок гідростатичного тиску стовпа рідини в трубі скипання. У гріючих трубках відбувається перегрів рідини в порівнянні з температурою кипіння на верхньому рівні розділу фаз. Тому температуру кипіння розчину в цих апаратах визначають без урахування гідростатичних температурних втрат Δ ^{/ /.}

t _к1 = t _г2 + Δ ^/ ₁ + Δ ^{/ / /} ₁ = 147,82 +2,24 +0,8 +1 = 151,86

t _к2 = t _бк + Δ ^/ ₂ + Δ ^{/ / /} ₂ =

Перегрів розчину D t _пер може бути знайдений з внутрішнього балансу тепла в кожному корпусі. Рівняння теплового балансу для j-го корпусу записується в наступному вигляді:

G _{Нj *} c _{Нj *} (t _Кj-1 - t _Кj) + M _* c _{Нj *} D t _перj = ω _{j *} (I _{вп j} - c _{в *} t _Кj),

де М - продуктивність циркуляційного насосу (у кг / с), тип якого визначають по каталогу [11] для випарного апарату з поверхнею теплопередачі F _ор.

Для першого корпусу t _Кj-1 - це температура розчину, що надходить в апарат з теплообмінника-підігрівача.

В апаратах з природною циркуляцією звичайно досягаються швидкості розчину u = 0,6 - 0,8 м / с. Приймемо u = 0,7 м / с. Для цих апаратів маса циркулюючого розчину дорівнює:

M = u * S * ρ,

де S-перетин потоку в апараті (м ^2), що розраховується за формулою:

S = F _{ор *} d _вн / 4 _* H,

де d _вн - внутрішній діаметр труб, м;

Н - прийнята висота труб, м.

S = 18,3 _* 0,034 / 4 _* 4 = 0,039 м ^2.

M = 0,7 _* 0,039 _* 1109,5 = 30,3 кг / с.

Таким чином, перегрів розчину в j-му апараті D t _перj дорівнює:

D t _перj = [ω _{j *} (I _{вп j} - c _{в *} t _Кj) - G _{Нj *} c _{Нj *} (t _Кj-1 - t _Кj)] / M _* c _Нj.

D t _пер1 = [ω _{1 *} (I _{вп 1} - c _{в *} t _к1) - G _{Н1 *} c _{Н1 *} (t _{до вих} - t _к1)] / M _* c _Н1 = [0,346 _* (2750 - 4,19 _* 151,86) -

1,11 _* 3,5196 _* (103 - 151,86)] / 30,3 _* 3,596 = 8,1

D t _Пер2 = [ω _{2 *} (I _{вп 2} - c _{в *} t _к2) - G _{н2 *} c _{н2 *} (t _к1 - t _к2)] / M _* c _н2 = [0,381 _* (2750 - 4,19 _* 147,82) - 1,11 _* 3,520 _* (1151,86 - 75,54)] / 30,3 _* 3,520 = 4,3

Корисна різниця температур

Корисну різниця температур (в ⁰ С) у кожному корпусі можна розрахувати за рівнянням:

D t _пj = t _{гj-t Кj.}

D t _п1 = t _г1 - t _к1 = 174,5-151,8 = 22,7;

D t _п2 = t _г2 - t _к1 = 147,82-75,54 = 72,28;

Аналіз цього рівняння показує, що величина D t _пер / 2 - не що інше як додаткова температурна втрата. У зв'язку з цим загальну корисну різниця температур випарних установок з апаратами з винесеною зоною кипіння потрібно визначати за виразом:

ΣΔt _п = t _г1 - t _бк - ΣΔ ^/ - ΣΔ ^{/ / /} + ΣΔ ^{/ /.}

ΣΔt _п = 174,5-59,7 - (6,4 +11,48 +2) = 94,92 ⁰ С.

Перевіримо загальну корисну різниця температур:

ΣΔt _п = D t _п1 + D t _п2 = 22,7 +72,28 = 94,98 ⁰ С.

Визначення теплових навантажень

Витрата гріючої пари в 1-й корпус, продуктивність кожного корпусу по випарованої воді та теплові навантаження по корпусах визначимо шляхом спільного розв'язання рівнянь теплових балансів по корпусах та рівняння балансу по воді для всієї установки:

Q ₁ = D _* (I _г1 - i ₁₎ = 1,03 _* [G _{н *} c _{н *} (t _к1 - t _н) + w _{1 *} (I _вп1 - c _{в *} t _к1) + Q _1конц]; (1)

Q ₂ = w _{1 *} (I _г2 - i ₂₎ = 1,03 _* [(G _н - w _{1) *} c _{1 *} (t _к2 - t _к1) + w _{2 *} (I _вп2 - c _{в *} t _к2 ) + Q _2конц], (2)

W = w ₁ + w ₂ (4)

де 1,03 - коефіцієнт, що враховує 3% втрат тепла в навколишнє середовище;

з _н, с _1, с ₂ - теплоємності розчинів відповідно вихідного, в першому і в другому корпусах, кДж / (кг * К) [6];

Q _1конц, Q _2конц, Q _3конц - теплоти концентрування по корпусах, кВт;

t _н - температура кипіння вихідного розчину при тиску в 1-му корпусі;

t _н = t _вп1 + Δ ^/ _н,

де Δ ^/ _н - температурна депресія для вихідного розчину.

t _н = 148,8 + 1 = 149,8 ⁰ С.

При вирішенні рівнянь (1) - (4) можна прийняти:

I _вп1 »I _г2; I _вп2» I _г3; I _ВП3 »I _бк.

Отримаємо систему рівнянь:

Q ₁ = D _* (2780-740) = 1,03 _* [1,11 * 3,5 * (151,86-149,8) + ω _{1 *} (270-4,19 _* 151,86)];

Q ₂ = ω _{1 *} (272750-622,64) = 1,03 _* [(1,11-ω _{1) *} 3,52 _* (75,54-15,186) + ω _{2 *} (2607-4,79 * 75,54)];

W = w ₁ + w ₂ + w ₃ = 1,11.

Вирішення цієї системи рівнянь дає такі результати:

D = 0,366 кг / с; Q ₁ = 746,64 кВт, Q ₂ = 713 кВт;

ω ₁ = 0,335 кг / с; ω ₂ = 0,392 кг / с.

Результати розрахунку зведені в табліцу1.2

Таблиця 1.2

Найбільше відхилення обчислених навантажень по испаряемой воді в кожному корпусі від попередньо прийнятих (ω1 = 0,34 кг / с, ω2 = 0,37 кг / с, ω3 = 0,4 кг / с) перевищує 5% необхідно заново перерахувати концентрації, температурні депресії і температури кипіння розчинів, поклавши в основу розрахунку нове, отримане з рішення балансових рівнянь, розподіл навантажень по испаряемой воді.

Розрахуємо концентрації розчинів у корпусах:

x ₁ = G _н x _н / (G _н -  ₁₎ = 1,11 _* 0,11 / (1,11 - 0,335) = 0,158, або 16%;

x ₂ = G _н x _н / (G _н -  ₁ -  ₂₎ = 1,11 _* 0,11 / (1,11 - 0,335 - 0,393) = 0,319, або 32%.

Розрахунок коефіцієнтів теплопередачі

Коефіцієнт теплопередачі для першого корпусу визначають за рівнянням адитивності термічних опорів:

До ₁ = 1 / (1 ​​/ α ₁ + Σδ / λ + 1 / α ₂₎

Приймемо, що сумарне термічний опір одно термічному опору стінки δ _ст / λ _ст і накипу δ _н / λ _н. Термічний опір забруднень з боку пара не враховуємо. Отримаємо:

Σδ / λ = 0,002 / 25,5 + 0,0005 / 2 = 2,87 * 10 ^-4 м ² _* К / Вт.

Коефіцієнт тепловіддачі від конденсирующегося пара до стінки α ₁ дорівнює:

α ₁ = 2,04 _* ⁴ √ (r _{1 *} ρ ² _{ж 1 *} λ ³ _{ж 1)} / (μ _{ж 1 *} Н _* D t1),

де r ₁ - теплота конденсації пари, що гріє, Дж / ​​кг;

ρ _{ж 1,} λ _{ж 1,} μ _{ж 1} - відповідно щільність (кг / м ^3), теплопровідність (Вт / м _* К), в'язкість (Па _* с) конденсату при середній температурі плівки t _пл = t _{г 1} - D t ₁ / 2, де D t ₁ - різниця температур конденсації пари і стінки, град.

Розрахунок α ₁ ведуть методом послідовних наближень. У першому наближенні приймемо

t _пл = 174,5 - 1 = 1175,5 град.

Тоді

α ₁ = 2,04 _* ⁴ √ (2025,2 _* 10 ³ _* 1095 ² _* 0,587 ³⁾ / (0,07 _* 10 ^-3 _* 4 _* ²⁾ = 11101,61 Вт / м ² _* К.

Для усталеного процесу передачі тепла справедливе рівняння

q = α _{1 *} Δt ₁ = Δt _ст / (Σδ / λ) = α _{2 *} Δt _2,

де q - питома теплова навантаження, Вт / м ^2;

Δt _ст - перепад температур на стінці, град;

Δt ₂ - різниця між температурою стінки з боку розчину і температурою кипіння розчину, град.

Звідси

Δt _ст = α _{1 *} Δt _{1 *} Σδ / λ = 11101,61 * 2 * 2,87 ^-4 = 8,26 град.

Тоді

Δt ₂ = Δt _{п 1} - Δt _ст - Δt = 22,7-8,24-2 = 16,46 град.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячого розчину для бульбашкового кипіння у вертикальних трубок за умови природної циркуляції розчину дорівнює:

α ₂ = аq ^0.6 = 780 q ^0.6 (λ ^{₁ січня 3} * ρ ₁ ^0.5 * ρ _п1 ^0.06 / σ ₁ ^0,5 * r _в1 ^0,6 * ρ ₁ ^0,66 * c ₁ ^0,3 * μ ₁ ^0,3).

Підставивши чисельні значення, отримаємо:

α ₂ = 780q ^0.6 (0,587 ^1.3 * 1095 ^0.5 * 2,913 ^0.06 / 0,078 ^0.5 * (2145 * 10 ^{3) 0.6} * 0,579 ^0.66 * 3450 ^0.3 * (0,07 * 10 ^{3) 0.3)} = 6976,4

Перевіримо правильність першого наближення по рівності питомих теплових навантажень:

q ^/ = α _{1 *} Δt ₁ = = 11101,61 * 2 = 222,322 Вт / м ^2;

q ^{/ /} = α _{2 *} Δt ₂ = 6976,4 * 16,46 = 90483,91 Вт / м ^2.

Як бачимо, q ^/ ≠ q ^{/ /.}

Для другого наближення приймемо Δt ₁ = 5,0

α ₁ = 11101,61 _* ⁴ √ 2 / 5 = 8828,78 Вт / м ² _* К.

Отримаємо:

Для усталеного процесу передачі тепла справедливе рівняння

Δt _ст = 9722,4 * 3,4 * 3,79 * 10 ^-4 = 11,38

Δt ₂ = 23,23-11,38-5 = 0,85 град.

α ₂ = 17,21 * (9722,4 * 5) ^0,6 = 10536,67

Перевіримо правильність першого наближення по рівності питомих теплових навантажень:

q ^/ = α _{1 *} Δt ₁ = 9722,4 * 5 = 33056,16 Вт / м ^2;

q ^{/ /} = α _{2 *} Δt ₂ = 8857,93 * 7,29 = 64574,31 Вт / м ^2.

Як бачимо, q ^/ ≠ q ^{/ /.}

Так як розбіжність між тепловими навантаженнями перевищує 5%, продовжуємо підбір

Тоді приймемо D t ₁ = 4,3

Тоді

α ₁ = 2,04 _* ⁴ √ 2 / 4 = 9335,3 Вт / м ² _* К.

Для усталеного процесу передачі тепла справедливе рівняння

q = α _{1 *} Δt ₁ = Δt _ст / (Σδ / λ) = α _{2 *} Δt _2,

де q - питома теплова навантаження, Вт / м ^2;

Δt _ст - перепад температур на стінці, град;

Δt ₂ - різниця між температурою стінки з боку розчину і температурою кипіння розчину, град.

Звідси

Δt _ст = α _{1 *} Δt _{1 *} Σδ / λ = 9335,3 _* 4 * 3,79 * 10 ^-4 = 14,15 град.

Тоді

Δt ₂ = Δt _{п 1} - Δt _ст - Δt = 23,23-4-14,15 = 5,08 град.

α ₂ = 17,21 (9335,3 * 4) ^0,6 = 9530,02

Перевіримо правильність першого наближення по рівності питомих теплових навантажень:

q ^/ = α _{1 *} Δt ₁ = 9335,3 * 4 = 37341,2 Вт / м ^2;

q ^{/ /} = α _{2 *} Δt ₂ = 9530,02 * 5,08 = 48412,50 = 39282,63 Вт / м ^2.

Як бачимо, q ^/ ≈ q ^{/ /.}

Розбіжність між тепловими навантаженнями не перевищує 3%, розрахунок коефіцієнтів α ₁ і

α ₂ на цьому закінчується. Знаходимо До _1:

До ₁ = 1 / (1 ​​/ 9168, 04 + 2,87 _* 10 ^-4 + 1 / 9845, 27) = 1696 Вт / м ² _* К.

Далі розрахуємо коефіцієнт теплопередачі для другого корпусу До _2.

До _{2 =} 1 / (1 ​​/ α ₁ + Σδ / λ + 1 / α ₂₎

Розрахунок α ₁ ведуть методом послідовних наближень. У першому наближенні приймемо

Δt ₁ = 5 град.

α ₁ = 2,04 _* ⁴ √ (2084 _* 10 ³ _* 1274 ² _* 0,5592 ³⁾ / (0,21 _* 10 ^-3 _* 4 _* 5) = 7027,52 Вт / м ² _* К.

Δt _ст = 7027,52 _* 5 _* 2,87 _* 10 ^-4 = 13,32 град;

Δt ₂ = 74,87-13,32-5 = 56,55 град;

α ₂ = 780q ^0.6 (0,5592 ^1.3 * 1274 ^0.5 * 0,2498 ^0.06 / 0,09 ^0.5 * (2307 * 10 ^{3) 0.6} * 0,579 ^0.66 * 3180 ^0.3 *

* (0,21 * 10 ^{3) 0.3)} = 5269,63 Вт / м ² _* К;

q ^/ = α _{1 *} Δt ₁ = 7027,52 * 5,0 = 35137,6 Вт / м ^2;

q ^{/ /} = α _{2 *} Δt ₂ = 5269,63 * 56,55 = 297997,58 Вт / м ^2.

Як бачимо, q ^/ ≠ q ^{/ /.}

У другому наближенні ухвалимо D t ₁ = 23,5 град.

Тоді

α ₁ = 7027,52 √ 5 / 23, 5 = 4772,85 Вт / м ² _* К.

Δt _ст = 4772,85 * 23,5 * 2,87 * 10 ^-4 = 42,51 град;

Δt ₂ = 74,87-42,51-23,5 = 8,86 град;

α ₂ = 10573,64 Вт / м ² _* К;

q ^/ = α _{1 *} Δt ₁ = 4772,85 * 23,5 = 112161,975 Вт / м ^2;

q ^{/ /} = α _{2 *} Δt ₂ = 10573,64 * 8,86 = 93682,45 Вт / м ^2.

Як бачимо, q ^/ ≠ q ^{/ /.}

Так як розбіжність між тепловими навантаженнями перевищує 5%, продовжуємо підбір

Тоді приймемо D t ₁ = 23

α ₁ = 7027,52 _* ⁴ √ 5 / 23 = 4798,58 Вт / м ² _* К.

Δt _ст = 4798,58 _* 232,87 * 10 ^-4 = 41,83 град;

Δt ₂ = 74,87-41,83-23 = 10,04 град;

α ₂ = 10471,8 Вт / м ² _* К;

q ^/ = α _{1 *} Δt ₁ = 4798,58 * 23 = 110367,34 Вт / м ^2;

q ^{/ /} = α _{2 *} Δt ₂ = 10471,8 * 10,04 = 105136,87 Вт / м ^2.

Як бачимо, q ^/ ≈ q ^{/ /} розбіжність між тепловими навантаженнями перевищує 5%, продовжуємо підбір

Тоді приймемо D t ₁ = 22,8.

α ₁ = 7027,52 _* ⁴ √ 5 / 22, 8 = 4809,07 Вт / м ² _* К.

Δt _ст = 4809,07 _* 22,8 * 2,87 * 10 ^-4 = 41,56 град;

Δt ₂ = 74,87-41,56-22,8 = 10,51 град;

α ₂ = 10430,43 Вт / м ² _* К;

q ^/ = α _{1 *} Δt ₁ = 4809,07 * 22,8 = 109646,796 Вт / м ^2;

q ^{/ /} = α _{2 *} Δt ₂ = 10430,73 * 10,51 = 109626,97 Вт / м ^2.

Як бачимо, q ^/ ≈ q ^{/ /} розбіжність між тепловими навантаженнями не перевищує 5%. Закінчуємо розрахунок коефіцієнтів α ₁ і α _2. Знаходимо До ₂

До ₂ = 1 / (1 ​​/ 4809, 07 + 2,87 _* 10 ^-4 + 1 / 10430, 73) = 1464,13 Вт / м ² _* К.

Розподіл корисної різниці температур

Корисні різниці температур в корпусах установки знаходимо з умови рівності їх поверхонь теплопередачі:

Δt _пj = ΣΔt _{п *} (Q _j / K _j) / ΣQ / K,

де Δt _пj, Q _j, K _j - відповідно корисна різниця температур, теплове навантаження, коефіцієнт теплопередачі для j-го корпусу.

Підставивши чисельні значення, отримаємо:

Δt _п1 = 94,98 * (746,64 / 1696,35) / (746,64 / 1696,35 + 713/1464, 13) = 44,76 град,

Δt _п2 = 94,98 * (713/1464, 13) / (746,64 / 1696,35 + 713/1464, 13) = 50,22 град,

Перевіримо загальну корисну різниця температур установки:

ΣΔt _п = Δt _п1 + Δt _п2 = 45,76 +49,19 = 94,98 град.

Тепер розрахуємо поверхню теплопередачі випарних апаратів за формулою:

F = Q / (K Δt _п)

F ₁ = 746,64 * 10 ³ / (1696,35 * 45,76) = 12,3 м ^2,

F ₂ = (713 * 10 ³⁾ / (1464,13 * 49,76) = 12,3 м ^2,

Знайдені значення мало відрізняються від орієнтовно визначеної раніше поверхні F _ор. Тому в наступних наближеннях немає необхідності вносити корективи на зміну конструктивних розмірів апаратів (висоти, діаметра і числа труб). Порівняння розподілених з умов рівності поверхонь теплопередачі і попередньо розрахованих значень корисних різниць температур Δt _п наведено нижче:

Як видно, корисні різниці температур, розраховані з умови рівного перепаду тиску в корпусах і знайдені в 1-му наближенні з умови рівності поверхонь теплопередачі в корпусах, істотно різняться. Тому необхідно заново перерозподілити температури (тиску) між корпусами установки. В основу цього перерозподілу температур (тисків) повинні бути покладені корисні різниці температур, знайдені з умов рівності поверхонь теплопередачі апаратів.

Уточнений розрахунок поверхні теплопередачі

У зв'язку з тим, що істотна зміна тисків в порівнянні з розрахованим у першому наближенні відбувається тільки в 1-м і 2-му корпусах (де сумарні температурні втрати незначні), у другому наближенні приймаємо такі ж

значення Δ ^/, Δ ^{/ /} і Δ ^{/ / /} для кожного корпусу, як у першому наближенні. Отримані після перерозподілу температур (тисків) параметри розчинів і пари по корпусах представлені нижче:

Розрахуємо теплові навантаження (у кВт):

Q ₁ = 1,03 _* [1,11 _* 3,68 _* (131,06-129,06) +0,435 _* (2726,78-4,19 _* 131,06)] = 1026,957;

Q ₂ = 1,03 _* [(1,11-0,335) _* 3,45 _* (99,83-131,06) +0,52 _* (2648,97-4,19 _* 82,76)] = 1121 , 06;

Розрахунок коефіцієнтів теплопередачі, виконаний вище описаним методом, призводить до таких результатів: К ₁ = тисячі сімсот шістьдесят сім м ² _* К / Вт; К ₂ = 1512 м ² _* К / Вт.

Розподіл корисної різниці температур:

Δt _п1 = 94,98 * (981,79 / 1767) / (981,79 / 1767 +1211 / 1512) = 41,85 град,

Δt _п2 = 94,98 * (1211/1512) / (981,79 / 1767 +1211 / 1512) = 53,13 град,

Перевіримо загальну корисну різниця температур установки:

ΣΔt _п = Δt _п1 + Δt _п2 = 41,85 +53,13 = 94,98 град.

Відмінності між корисними речами температур по корпусах в 1-м і 2-м наближеннях не перевищують 5%.

Поверхня теплопередачі випарних апаратів:

F ₁ = (978,545 * 10 ³⁾ / (1767 * 41,97) = 13,2 м ^2,

F ₂ = (112,06 * 10 ³⁾ / (15612 * 56,13) = 13,2 м ^2.

За ГОСТу11987-81 вибираючи випарної апарат з наступними характеристиками:

Номінальна поверхню теплообміну F _н 16 м ²

Діаметр труб d 38 * 2 мм ²

Висота труб H 4000 мм ²

Діаметр гріючої камери d _до 400 мм

Діаметр сепаратора d _з 800 мм

Діаметр циркуляційної труби d _ц 250мм

Маса апарату M _а 14500кг

Визначення товщини теплової ізоляції

Толщенную теплової ізоляції δ знаходять з рівності питомих теплових потоків через шар ізоляції від поверхні ізоляції в навколишнє середовище:

α _в (t _ст2 - t _у) = (λ _і / δ _і) (t _СТ1 - t _ст2)

де α _в = 9,3 +0,058 t _ст2 - коефіцієнт тепло віддачі від зовнішньої поверхні ізоляційного матеріалу в навколишнє середовище, Вт / м ² К;

t _{ст2-температура} ізоляції з боку навколишнього середовища, С °;

t _{СТ1 -} температура ізоляції з боку апарату t _{СТ1 =} t _г1, С °;

t _в - температура навколишнього середовища, С °

λ _{і-коефіцієнт} теплопровідності ізоляційного матеріалу Вт / м К.

α _в = 9,3 + 0,058 * 40 = 11,62 Вт

в якості матеріалу для теплової ізоляції виберемо совеліт (85% магнезії = 15% азбесту), що має коефіцієнт теплопровідності λ _і = 0,09 Вт / м К.

Тоді отримаємо

δ _і = 0,09 (179,8-40) / 11,62 (40-60) = 0,054 м

Розрахунок на міцність

Еліптичний днище.

Конічне днище.

Розрахунок товщини обичайок.

,

.

Умова виконується, отже товщина обичайки обрана правильно.

Висновок

У курсовій роботі розглянуто двокорпусні випарна установка, проведені основні розрахунки по визначенню поверхні тепловіддачі випарного апарату, концентрації упарюємо розчину К2СО3. Виходячи з властивостей солі був обраний апарат першого типу з третім виконанням, випарної трубчастий апарат з природною циркуляцією, з сосною гріючої камерою і солеотделеніем. Упариванием розчину, що виділяються кристали, видаляються промиванням.

Список використаної літератури

1 Ремі Р. Курс неорганічної хімії /-М.: Світ 1989.-823с.

2 Сагайдак Т.О. Випарні станції / Т.А. Сагайдак, Д.В. Радун-.М.: Машгиз, 1963.-398с.

3 Основні процеси та апарати хімічної технології / За ред. Юй Диднерского.-М:. Хімія, 1991.-494с.

4 Павлов к.ф приклади і завдання за курсом процесів і апаратів хімічної технології / К.Ф. Павлов, П.Г. Романків, А.А Носков .- Л.: Хімія, 1987.-576 с.

5 Довідник хіміка / За редакцією Б.М. Николенське. Т. 1-6.-М.; Л.: хімія, 1966.

6 Апарати випарні трубчасті вертикальні загального призначення: Каталог .- М.: ЦІНТІхімнефтемаш, 1979.-272с.