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:

Производительность установки по исходному раствору –8000 кг/ч;

Концентрация раствора: начальная – 5% масс.; конечная – 15 % масс.;

Давление греющего пара –Р=0,4 МПа;

Давление в барометрическом конденсаторе –,Р=0,0147 МПа;

Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения;

Схема выпаривания - прямоточная; циркуляция естественная

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

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 єС на корпус. Примем  = 1 єС, тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

tвп1 = tГ2 +  = 129,78+1=130,78 єС

tвп2 = tГ3 +  = 110,4+1=111,4С

tвп3 = tбк + =53,71+1=54,71 єС

Сумма гидродинамических депрессий:

єС

По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2.2).

Таблица 1.2 – Давления и теплоты парообразования

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 ч 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

P3ср = Pвп3 + МПа

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования (табл. 1.3):

Таблица1.3 – Температуры кипения и теплоты парообразования

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам

Сумма гидростатических депрессий составляет:

в) Температурная депрессия определяется по уравнению:

, (1.6)

где Тср =(tср + 273), К;

 – температурная депрессия при атмосферном давлении, єС;

 – теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

Определяется величина как разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя (воды) при атмосферном давлении. Температуры кипения раствора при атмосферном давлении в зависимости от концентрации даны в справочной литературе.

Находим значение по корпусам:

єС

єС

єС

Сумма температурных депрессий равна:

Тогда температуры кипения растворов по корпусам равны:

єС

єС

єС

1.3 Расчёт полезной разности температур

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является наличие некоторой полезной разности температур греющего пара и кипящего раствора.

Полезные разности температур по корпусам равны:

єС

єС

єС

Общая полезная разность температур:

єС

Проверим общую полезную разность температур:

1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в первом корпусе, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки:

(1.7)

, а , то

(1.8)

(1.9)

(1.10)

W=W1+ W2+ W3, (1.11)

где D – расход греющего пара в первом корпусе, кг/с;

Н,h – энтальпия пара и конденсата, соответственно, Дж/кг;

1,03, 1,02, 1,01 – коэффициенты, учитывающие 3;2;1 % потерь тепла в окружающую среду по корпусам, соответственно (потери тепла обычно принимают в размере 2 ч 6% от тепловой нагрузки аппарата);

C – удельная теплоемкость, Дж/кг∙К;

 – теплота концентрирования по корпусам. Величинами пренебрегаем, поскольку эти величины значительно меньше принятых потерь тепла;

tн – температура кипения исходного раствора, подаваемого в первый корпус,

 – температура кипения в i-ом корпусе.

,

где  – температурная депрессия для исходного раствора;

сн, с1, с2 – теплоёмкость растворов при концентрациях , кДж/(кгЧК)

Теплоёмкость (в кДж/(кгЧК)) разбавленных водных растворов ( < 20%) рассчитывается по формуле:

(1.12)

Подставим известные значения в уравнения.

W = 1,48 = W1+ W2+ W3

1,48 = + +

Oтсюда :D = 0,2286 кг/с.

Тогда:

W1 = 0,954Ч0,2286 – 0,0141 = 0,204 кг/с

W2 = 0,875Ч0,2286 + 0,58 = 0,78 кг/с

W3 = 0,7001Ч0,2286 + 0,336 = 0,496 кг/с

Проверка

W = W1 + W2 + W3 = 0,204+0,78+0,496= 1,48 кг/с

Определим тепловые нагрузки, кВт

Q1 = D∙2139 = 0,2286∙2139=488,98

Q2 = W1∙2180 = 0,204∙2180=444,72

Q3 = W2∙2234 =0,78∙2234= 1742,52

Полученные данные сводим в табл.1.4.

Таблица 1.4 – Параметры растворов и паров по корпусам

1.5 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи рассчитываем, исходя из того, что при установившемся процессе передачи тепла справедливо равенство:

(1.13)

Коэффициент теплопередачи К в [Вт/(м2 К)] можно рассчитать по уравнению:

, (1.14)

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; q = Q/F;