Производительность установки по выпариваемой воде. Определение температур кипения растворов. Выбор конструкционного материала. Распределение полезной разности температур. Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов. Расчёт толщины трубной решётки.
Аннотация к работе
Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей. Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров. При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования т/ч, (1,25 кг/с) водного раствора NACL от начальной концентрации % до конечной концентрации % [10]. Обогрев производится водяным паром давлением .Расчет многокорпусных выпарных установок проводят методом последовательных приближений.Принимают, что производительность каждого корпуса по выпариваемой воде определяется соотношением (такое распределение на основании практических данных).Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора - при конечной концентрации. Принимают температуру кипения в корпусе соответствующую температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной () гидростатической () и гидродинамической депрессий (). Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления паром на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению: , где - давление вторичного пара в корпусе.Суммарная полезная разность температур: .Совместным решением уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения балансов по воде для всей установки определяем расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам. , , где , , - тепловые нагрузки по корпусам, КВТ; D - расход греющего пара в 1-ый корпус, кг/с; 1,03 - коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду; , , - энтальпии греющих паров по корпусам КДЖ/кг; , , , - энтальпии вторичных паров по корпус КДЖ/кг; при решении уравнения баланса можно принимать, что ; ; ; , , , - энтальпии конденсата по корпусам, КДЖ/кг; - теплоемкость воды ; , , - теплоемкость раствора начальной концентрации в первом корпусе и втором корпусе, соответственно, [31]; , , - теплота концентрирования по корпусам, КВТ; - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе, °С. Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры [5] показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Сравним с ориентировочной нагрузкой для 3-го корпуса : составляет значительно меньше 3 % от поэтому в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной . Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (, , ) не превышает 3 %, поэтому в дальнейших расчетах не производим пересчет концентраций и температур кипения растворов по корпусам.Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NACL в интервале изменения концентраций от 5 до 15 % [9].Примем, что суммарное термическое сопротивление стенки и накипи равно , при этом не учитывается термическое сопротивление загрязнений со стороны пара. . где - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; , , - плотность (), теплопроводность (), вязкость (Па) конденсата при средней температуре пленки, соответственно, , - разность температур конденсации пара и стенки, град. Примем -, тогда проверяем правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: Для установившегося процесса передачи тепла справедливо: , где q - удельная тепловая нагрузка, ; - перепад температур на стенке, град; - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град. 1 - пар, 2 - конденсат, 3 - стенка , 4 - накипь, 5 - кипящий раствор Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для режима пузырькового кипения в вертикальных пузырьковых трубках при условии естественной циркуляции раствора [4] равен: , .Распределение полезной разности температур по корпусам проводим из условия равенства поверхностей теплопередачи в аппаратах установки.Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на из
План
Содержание
Введение
1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ
2.1 Первое приближение
2.1.1 Производительность установки по выпариваемой воде
2.1.2 Расчет концентраций упариваемого раствора
2.1.3 Определение температур кипения растворов
2.1.4 Полезные разности температур по корпусам
2.1.5 Определение тепловых нагрузок
2.1.6 Выбор конструкционного материала
2.1.7 Расчет коэффициентов теплопередачи
2.1.8 Распределение полезной разности температур
2.1.9 Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов
3. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫПАРНОГО АППАРАТА
3.1 Расчет толщины трубной решетки
3.2 Расчет толщины обечайки
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
5. РАСЧЕТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА
6. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА
Список литературы
Введение
Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.
Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара - некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.
При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.
Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.
Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар. который называют греющим, или первичным.
Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар. или пар промежуточного отбора паровых турбин.
Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.
Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.
Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.
Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).
При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.
Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.
При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.
Вторичной пар, отбираемый на сторону, называют экстр паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.
При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.
Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т.е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.
В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. Выше было показано, что в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпусной выпарной установке Как указывалось, принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.
Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 6.1.
Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.
Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.
Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.
Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.
Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку - брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7.
С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.
Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур греющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, давление вторичного пара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно.
Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением.