Розрахунок трьохкорпусної вакуум-випарної установки

Завдання. Спроектувати трьохкорпусну вакуум-випарну установку для концентрування розчину їдкого натрію з початковою масовою концентрацією х_п=10% до кінцевої х_к=50% при наступних умовах:

1) кількість розчину, G_K = 25000 кг/год (7 кг/с);

2) обігрів здійснюється насиченою водяною парою під тиском p_г.п = 0.7848 МПа;

3) абсолютний тиск в барометричному конденсаторі p_б.к = 0.0147 МПа;

4) взаємний напрям пари та розчину – прямоток;

5) випарний апарат - з виносною гріючою камерою типу 1, виконання 2;

6) розчин перед подачею в перший корпус підігрівається до температури, близької до температури кипіння в одному теплообміннику, насиченою водяною парою з котельні;

7) температура розчину, на вході в установку t = 25 °C;

8) початкова температура охолоджуючої води в барометричному конденсаторі t = 15 °C;

9) температура конденсату вторинної пари, яка виходить з барометричного конденсатора, нижче температури конденсації на 5°С;

10) при розробці схеми випарної установки передбачити насоси, ємності, вакуум-насос, барометричний конденсатор і інше необхідне обладнання.

Площа поверхні теплопередачі кожного корпуса випарної установки визначають з основного рівняння теплопередачі.

Для визначення теплового навантаження Q, коефіцієнтів теплопередачі К і корисних різниць температур ∆t_кор необхідно знати розприділення випарюваної води, концентрації розчину і їх температур кипіння по корпусах установки. Дані величини надходять методом послідовних наближень.

Розглянемо перше наближення.

Визначаємо згідно рівняння матеріального балансу (3.4) продуктивність установки по випарюваній воді W.

W= G_к-G_п= G_п(1- x_п/x_к)

Загальна кількість випареної води в випарній установці:

W = 7(1-10/50) = 5,6 кг/с.

1. Розрахунок концентрацій випарюваного розчину по корпусах.

Розподіл концентрацій розчину по корпусах установки залежить від співвідношення навантаження по випарюваній воді в кожному корпусі. В першому наближенні на основі практичних даних [1, 2, 3] приймають, що продуктивність по випарюваній воді розподіляється по корпусах відповідно співвідношення: W₁:W₂:W₃ = 1,0: 1,1: 1,2.

Кількість випареної води у кожному корпусі згідно (3.25):

Тоді кількість випареної води:

в 1-у корпусі W₁ = 5,6∙1,0/(1,0+1,1+1,2) = 1,7 кг/с;

в 2-у корпусі W₂ = 5,6∙1,1/3,3 = 1,86 кг/с;

в 3-у корпусі W₃ = 5,6∙1,2/3,3 = 2,04 кг/с.

Концентрація розчину, який поступає в кожний наступний корпус дорівнює концентрації випареного розчину в попередньому корпусі.

Концентрація розчину, який виходить з кожного корпусу, (3.26):

- для 1-го корпусу

- для 2-го корпусу

- для 3-го корпусу

Концентрація розчинів в корпусах:

в 1-у корпусі х₁ = 7∙10/(7 - 1,7) = 13,2 %;

в 2-у корпусі х₂ = 7∙10/(7 - 1,7 - 1,86) = 20,3 %;

в 3-у корпусі х₃ = 7∙10/(7 - 1,7 – 1,86 – 2,04) = 50 %.

Концентрація розчину в останньому корпусі відповідає кінцевій концентрації випареного розчину, яка задана в завданні.

2. Визначення температур кипіння розчину по корпусах.

Для визначення температур кипіння розчину по корпусах необхідно знати температури вторинної пари по корпусах, тиск вторинної пари в кожному корпусі та температурні втрати по корпусах від гідравлічної, гідростатичної і температурної депресії.

2.1. Розподіл тисків по корпусах установки.

Загальний перепад тисків в установці по (3.27):

Δ

∆p_заг = 0,7848 – 0,0147 = 0,7101 МПа.

де р_г.п і р_б.к. – тиск гріючої пари і тиск вторинної пари в барометричному конденсаторі, які задані в завданні.

В першому наближенні розподілимо загальний перепад тисків між корпусами порівну,(3.28):

∆p = 0,7701/3 = 0,2567 МПа.

де і – кількість корпусів

Тоді абсолютний тиск в кожному корпусі для трьохкорпусної установки, (3.29):

- для 1-го корпусу

- для 2-го корпусу

- для 3-го корпусу

Абсолютні тиски в корпусах будуть дорівнювати:

p₁ = 0,7848 – 0,2567 = 0,5281 МПа;

p₂ = 0,5281 – 0,2567 = 0,2714 МПа;

p₃ = 0,2714 – 0,2567 = 0,0147 МПа.

що відповідає завданню.

Для кожного корпусу за тиском пари визначають її температуру Т_п, °С_. і питому ентальпію і, кДж/кг (табл. LVII) [1].

Тиск, МПа Температура, °С Етальпія, кДж/кг

0,7848 169,6 2776

0,5281 153,8 2759,3

0,2714 129,8 2754,4

0,0147 53,6 2596

2.2. Проводимо розрахунок температурних втрат по корпусах від гідравлічної, гідростатичної і температурної депресії (див. п. 3.1.4) та визначаємо температуру кипіння розчину по корпусах.

Визначення гідравлічної депресії.

На основі практичних рекомендацій приймаємо гідравлічну депресію для кожного корпуса ∆′′′ = 1 град.

Визначаємо температури вторинної пари по корпусах за (3.30):

t_в.п.(і)= Т_п(і) +Δ^'''_(і)

За температурою вторинної пари знаходимо її тиск р_в.п., МПа і питому теплоту пароутворення r_в.п., кДж/кг (табл. LVII, [1]).

Температура, °С Тиск, МПа Теплота пароутворення, кДж/кг

t _{в. п.1}= 153,8+1=154,8 °С 0,5445 2105,1

t _{в. п.2} = 129,8+1=130,8 °С 0,2737 2176,8

t _{в. п.3} =53,6+1=54,6°С 0,01547 2369,2

Сума гідравлічних депресій по корпусах, (3.31):

ΣΔ^'''= Δ₁^''' + Δ₂^'''+ Δ₃^''

∑ ∆′′′ = 1∙3 = 3.

2.3. Визначення гідростатичної депресії.

Гідростатичну депресію Δ^'' визначають згідно залежності (3.8), для кожного корпусу окремо, Δ^''=t_в(і)-t_{в.п (і)},

де t_в(і)- температура кипіння води в середньому шарі кип’ятильних труб, а t_{в.п (і)} – температура вторинної пари визначена в п.2.2.

Оскільки, при визначенні орієнтовної поверхні теплопередачі F_ор згідно (3.7), отримують різні значення F_ор для кожного корпусу, то, виходячи з умови рівності поверхонь нагрівання корпусів, необхідно підібрати один випарний апарат згідно ГОСТ 11987-81 з поверхнею теплопередачі, яка відповідає розрахованій F_ор для кожного корпусу.

В першому наближенні, тиск в середньому шарі кип’ятильних труб Р_сер визначається за рівнянням (3.6.а): Р_сер = р_{втор.пари} + (ρ_р·g·H_опт /2), де згідно (3.6.б) Н_опт = Н[0.26+0.0014(ρ_р- ρ_в)].

Для вибору висоти труби Н необхідно орієнтовно визначити площу поверхні теплопередачі випарного апарата F_ор по (3.7) і вибрати параметри апарата згідно ГОСТ 11987 – 81.

Приймаємо для апаратів з природною циркуляцією q = 30000 Вт/м².

Тоді по корпусах (орієнтовно), згідно (3.7):

F_ор = Q/q = (W·r)/ q

F₁ = 1,7∙2105,1∙10³/30000 = 119 м²;

F₂ = 1,86∙2176,8∙10³/30000 = 135 м²;

F₃ = 2,04∙2369,2∙10³/30000 = 161 м².

Приймаємо за ГОСТ 11987 – 81 випарний апарат з площею поверхні теплопередачі F = 180м², довжина труб 5 м, діаметром труб 38Х2мм.

Таким чином, тиск в середньому шарі кип’ятильних труб корпусів, згідно (3.6.а) і (3.6.б):

p_1сер = 0,5445 + 0,5∙5[0,26 + 0,0014(1034 - 912,3)]∙9,81∙1034∙10^-6 = 0,5554 МПа;

ְ p_2сер = 0,2737 + 0,5∙5[0,26 + 0,0014(1136,2 – 934,5)]∙9,81∙1136∙10^-6 = 0,2888 МПа;

p_3сер = 0,01547 + 0,5∙5[0,26 + 0,0014(1500 – 986)]∙9,81∙1500∙10^-6 = 0,0515 МПа.

Даним тискам відповідають наступні температури кипіння [1]:

Тиск, МПа Температура кипіння,°С Теплота пароутворення, кДж/кг

p_1сер=0,5554 t_в.1 = 155,8 2101,7

p_2сер=0,2888 t_в.2 = 132,4 2172,3

p_3сер=0,0515 t_в.3 = 82,9 2304,2

Визначаємо гідростатичну депресію по корпусах:

∆₁′′ = 155,8 – 154,8 = 1,0 °C;

∆₂′′ = 132,4 – 130,8 = 1,6 °C;

∆₃′′ = 82,1 – 54,6 = 27,5 °C.

Сума гідростатичних депресій по корпусах, (3.32):

ΣΔ^''= Δ₁^'' + Δ₂^''+ Δ₃^''

∑ ∆′′ = 1,0 + 1,6 + 27,5 = 30,1 °C.

2.4. Визначення температурної депресії.

Температурна депресія по корпусах при атмосферному тиску і даній температурі визначається за даними табл. ХХХVI [1]:

Корпус Концентрація NaOH, % Температура кипіння, °С Депресія, °С

1 13,2 104,4 4,4

2 20,3 108,5 8,5

3 50,0 142,2 42,2

Температурні депресії по корпусах з врахуванням тисків в них:

∆₁′ = 16,2(273 + 155,8)²∙4,4/(2101,7∙10³) = 6,2 °C;

∆₂′ = 16,2(273 + 132,4)²∙8,5/(2172,3∙10³) = 10,4 °C;

∆₃′ = 16,2(273 + 82,1)²∙42,2/(2304,2∙10³) = 37,4 °C.

Сума температурних депресій по корпусах, (3.33):

ΣΔ^'= Δ₁^' + Δ₂^'+ Δ₃^'

∑ ∆′ = 6,2 + 10,4 + 37,4 = 54,0 °C.

Температура кипіння розчинів по корпусах, (3.34):

- для 1-го корпусу t_кип1= Т_п.(1)+ Δ₁^' + Δ₁^'' + Δ₁^'''

-для 2-го корпусу t_кип2= Т_п.(2)+ Δ₂^' + Δ₂^'' + Δ₂^'''

- для 3-го корпусу t_кип3= Т_п.(3)+ Δ₃^' + Δ₃^'' + Δ₃^'''

- для 1-го корпусу t_кип1 = 153,8 + 6,2 + 1,0 + 1,0 = 162 °C;

-для 2-го корпусу t_кип2 = 129,8 + 10,4 + 1,6 + 1,0 = 142,8 °C;

- для 3-го корпусу t_кип3 = 53,6 + 27,5 + 37.4 + 1,0 = 119.5 °C.

2.5. Визначення корисних різниць температур.

Загальна корисна різниця температур для всієї установки, (3.35):

Δt^заг_кор. = Т_г.п. - t_б.к - Σ Δ = Т_г.п. - t_б.к – (Σ Δ^' + Σ Δ^'' + Σ Δ^''')

∆t ^заг_кор. = 169,6 – 53,6 – 54 – 30,1 – 3 = 28,9 °С

Корисні різниці температур по корпусах дорівнюють, (3.36):

- для 1-го корпусу Δt_кор1 = Т_г.п.- t_{кип (1)}.

- для 2-го корпусу Δt_кор2 = Т_г.п.(1)-t_{кип (2)}

- для 3-го корпусу Δt_кор3 = Т_г.п.(2)-t_{кип (3)}.

∆t_кор1 = 169,6 – 162 = 7,6 °С;

∆t_кор2 = 153,8 – 142,8 = 11 °С;

∆t_кор3 = 129,8 – 119,5 = 10,3 °С.

2.6. Визначення теплових навантажень по корпусах.

Вихідні дані для розрахунку

Корпус

1 2 3

Кількість вихідного розчину, кг/с 7,0 5,3 3,44

Концентрація вихідного розчину, % 10 13,2 20,3

Температура вихідного розчину, °С 150 162 142,8

Температура випареного розчину, °С 162 142,8 119,5

Теплоємність вихідного розчину,

Дж/(кг∙К) 4079 4075 3865

Ентальпія вторинної пари, Дж/кг 2759,3∙10³ 2725,4∙10³ 2596∙10³

Теплота пароутворення граючої пари,

Дж/кг 2057∙10³ 2108,6∙10³ 2179,5∙10³

Складаємо теплові баланси по корпусах, згідно (3.38). Витрату гріючої пари в 1-му корпусі, продуктивність кожного корпуса по випареній воді і теплові навантаження по корпусах визначаємо шляхом спільного вирішення системи рівнянь теплових балансів по корпусах і рівняння балансу по воді для всієї установки:

Q₁ = G_г.п.∙2057∙10³ = [7∙4079(162 – 150) + W₁(2759,3∙10³ - 4190∙162)]∙1,05;

Q₂=W₁∙2108,6∙10³ = [5,3∙4075(142,8 – 162) + W₂(2725,4∙10³ – 4190∙142,8)]∙1,03;

Q₃=W₂∙2179,5∙10³=[3,44∙3865(119,5 – 142,8) + W₃ (2596∙10³ - 4190∙119,5)]∙1,03;

5,6 = W₁ + W₂ + W₃.

Розв’язок системи рівнянь дає наступні результати:

G_г.п.= 2,0 кг/с; W₁ = 1,72 кг/с; W₂ = 1,84 кг/с; W₃ = 2,04 кг/с.

Так як розходження між розрахованими значеннями навантажень по випарюваній воді в кожному корпусі і попередньо прийняті не перевищують 3%, перераховувати параметри процесу не будемо.

Теплові навантаження в корпусах:

Q₁ =2057∙10³∙2,0 = 4114∙10³ Вт;

Q₂ = 2108,6∙10³∙1,72 = 3626,8∙10³ Вт;

Q₃ = 2179,5∙10³∙1,84 = 4010,28∙10³ Вт.

2.7. Визначення коефіцієнтів теплопередачі.

Коефіцієнт теплопередачі по корпусах визначають за рівнянням (5.21).

Вибираємо конструкційний матеріал, стійкий до середовища розчину NaOH в інтервалі змін концентрацій від 10 до 50 % і температур від 120 до 165 °С. В таких умовах хімічно стійкішою є сталь марки Х18Р10Т; її теплопровідність λ_ст = 16,4 Вт/(м∙К).

Приймаємо, що сумарний термічний опір дорівнює термічному опорові стінки λ_ст/δ_ст і накипу λ_н/δ_н. Термічний опір пари не враховуємо.

Приймаємо для всіх корпусів товщину шару накипу δ_н = 0,5 мм, λ_н = 3,05 Вт/(м∙К), отримуємо:

∑r = 0,002/16,4 + 0,0005/3,05 = 2,86∙10^-4 м²∙К/Вт.

З достатньою точністю для розрахунку можна прийняти температуру плівки конденсату в гріючих камерах випарних апаратів рівною температурі конденсації гріючої пари.

Для визначення коефіцієнта тепловіддачі α₁ від водяної пари, яка конденсується до стінок вертикальних труб в гріючих камерах випарних апаратів скористаємося наступним рівнянням: α₁=А₁/(q∙l)^0.33.[2]

Коефіцієнт А₁ визначають з рисунку 3.4.

Рис.3.4. Значення коефіцієнта А₁ в залежності від температури плівки конденсату.

A₁ = 314∙10³ при t_кип1 = 169,6°С;

A₂ = 306∙10³ при t_кип2 = 153,8°С;

A₃ = 295∙10³ при t_кип3 = 129,8°С.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінок труб до киплячого розчину α₂ визначаємо за рівнянням для апаратів з природною циркуляцією розчину (3.20):

α₂ = А'·q^0,6

де , де

λ_р – коефіцієнт теплопровідності розчину, Вт/(м·К);

ρ_р – густина розчину, кг/м³;

с_р – теплоємність розчину, Дж/(кг·К);

μ_р – динамічний коефіцієнт в’язкості розчину, Па·с;

σ – поверхневий натяг, Н/м;

r – теплота пароутворення, Дж/кг;

ρ_п – густина пари, кг/м³;

ρ₀ – густина водяної пари при тиску 0,1 МПа.

q – питоме теплове навантаження апарату, Вт/м²;

Фізичні властивості рідини, а також густину вторинної пари приймаєм при температурі кипіння.

Необхідні для визначення α₂ фізико-хімічні властивості розчину NaOH і водяної пари при температурі кипіння наведені в табл. 3.3.

Таблиця 3.3.

Дата добавления: 2017-02-01