Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов. Распределение концентраций раствора по корпусам установки и соотношение нагрузок по выпариваемой воде. Применение конденсатора смешения с барометрической трубой для создания вакуума в установках.
Аннотация к работе
В химической и смежных с ней отраслях жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). В трехкорпусной выпарной установке исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается теплообменник (где нагревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем - в первый корпус выпарной установки. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смещения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом) смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость упаренного раствора.Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи: F = Q/(КДТП).Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением w1 : w2 : w3 = 1,0 : 1,1 : 1,2Тогда давления греющих паров в корпусах равны: Рг2 = Рг1 - ДРОБ/3 = 650 000 - 635 000 /3 = 440 000 Па; Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в следующем корпусе на сумму температурных потерь ?Д от температурной (Д’), гидростатической (Д") и гидродинамической (Д’’’) депрессий Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус.Общая полезная разность температур равнаРасход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки: (5) (8) где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; с 1, с 2 - теплоемкости растворов соответственно в первом и во втором корпусах, КДЖ/(кг·К)[4]; Q1конц, Q2конц, Q3конц, - теплоты концентрирования по корпусам, КВТ; тн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поскольку Q3конц составляет меньше 3% от QЗор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Qконц. Получим систему уравнений: Решение этой системы уравнений дает следующие результаты: D = 2,31 кг/с; w1 = 1,94 кг/с; w2 = 2,15 кг/с; w3 = 2,37 кг/сВыбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора KOH в интервале изменения концентраций от 8 до 40 %.Коэффициент теплопередачи для I корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений: . Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки ?дст/лст и накипи дн/лн. термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке б1 равен [1]: , (1.6) где r1 - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; сж1, лж1, мж1 - соответсвенно плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/(м • К)), вязкость (Па • с) конденсата при средней температуре пленки тпл = тг1 - Дт1/2, где Дт1 - разность температур конденсации пара и стенки. Подставив численные значения, получим: Физические свойства кипящих растворов КОН и их паров приведены ниже: Параметр 1 корпусПолезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи: где Дтпі, Qi, Ki - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для i-го корпуса; Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов: F1 = (4797 • 103)|(1694• 21,25) = 174,59 м 2; Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fop, поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа т
План
Содержание
Введение
Основные условные обозначения
1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
1.1 Концентрации упариваемого раствора
1.2 Температуры кипения растворов
1.3 Полезная разность температур
1.4 Определение тепловых нагрузок
1.5 Выбор конструкционного материала
1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи
1.7 Распределение полезной разности температур
1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачи
2. Определение толщины тепловой изоляции
3. Расчет барометрического конденсатора
3.1 Расход охлаждающей воды
3.2 Диаметр конденсатора
4. Расчет производительности вакуум-насоса
Список использованной литературы
Введение
В химической и смежных с ней отраслях жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требовании к условиям проведения процесса, а также к конструкциям выпарных аппаратов.
Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.
В трехкорпусной выпарной установке исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается теплообменник (где нагревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем - в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.
Первый корпус подогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора. Поступившего из второго корпуса.
Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смещения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом) смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость упаренного раствора.
Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.
Задание на проектирование. Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования Gн = 8.611 кг/с водного раствора KOH от начальной концентрации хн = 8 % до конечной хк = 40% при следующих условиях: 1) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Рг1 = 0,65 МПА;
2) давление в барометрическом конденсаторе Рбк = 0,015 МПА;
3) взаимное направление пара и раствора - прямоток;
4) раствор поступает в первый корпус при температуре t=20 ОС.
Основные условные обозначения с - теплоемкость, Дж/(кг· К);
d - диаметр, м;
D - расход греющего пара, кг/с;
F - поверхность теплопередачи, м2;
G - расход, кг/с;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
Н - высота, м;
i, I - энтальпия жидкости и пара КДЖ/кг;
К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2· К);
Р - давление, МПА;
Q - тепловая нагрузка, КВТ;
q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;
r - теплота парообразования, КДЖ/кг;
t, Т - температура, град.;
w, W - производительность по испаряемой воде, кг/с;
х - концентрация, % (масс.);
б - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2· К);
л - теплопроводность, Вт/(м· К);
м - вязкость, Па· с;
с - плотность, кг/м3;
у - поверхностное натяжение, Н/м;
Re - критерий Рейнольдса;
Nu - критерий Нуссельта;
Pr - критерий Прандтля.
Индексы: 1, 2, 3 - первый, второй, третий корпус выпарной установки;