РАСЧЕТ ТРЕХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ вариант..

1. Задание
Спроектировать трёхкорпусную выпарную установку для концентрирования GН=4,75 т/ч (1,319(4)кг/с) водного раствора MgCl2 от начальной концентрации XН=5% до конечной концентрации XК=10,58%
Обогрев производится водяным паром под давлением: PГ1=11 кгс/см2 (49,05*104 Па)
Давление в барометрическом конденсаторе: PБК=0,8 кгс/см2 (7,848*104Па)
Тип выпарного аппарата: с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и зоной кипения.
Взаимное направление пара и раствора: прямоток
Отбор экстра-пара не производится
Раствор поступает в первый корпус подогретым до температуры кипения.

2. Определение поверхности теплообмена выпарных аппаратов.

Расчёт многокорпусных выпарных установок проводят методом последовательных приближений.

2.1. Первое приближение.

2.1.1. Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнений материального баланса:

W=GH
·(1-XH/XK)=1,319
·(1-0,05/0,1058)=0,695 кг/с

2.1.2. Расчет концентраций увариваемого раствора.

Принимаем, что производительность каждого корпуса по выпариваемой воде определяется соотношением W1:W2:W3=1,0:1,1:1,2 (такое распределение на основании практических данных) Тогда:
13 EMBED Equation.3 1415;
13 EMBED Equation.3 1415;
13 EMBED Equation.3 1415.
Рассчитываем концентрации раствора по корпусам:
13 EMBED Equation.3 1415 (6%);
13 EMBED Equation.3 1415 (7,6%);
13 EMBED Equation.3 1415 (10,6%)
X3 соответствует концентрации упаренного раствора XK
2.1.3 Определение температуры кипения растворов.

В первом приближении общий перепад давлений в установке распределяют по корпусам поровну. Общий перепад давлений равен:


·PОБ=PГ1-PБК= 49,05
·104-7,848
·104=41,202
·104 Па

Тогда давления по корпусам равны:
РГ1=49,05
·104 Па
РГ2=РГ1-
·РОБ/3=49,05
·104-41,202
·104/3=35,316
·104 Па
РГ3=РГ2-
·РОБ/3=35,316
·104-41,202
·104/3=21,582
·104 Па

Давление пара в барометрическом конденсаторе:
РБК=РГ3-
·РОБ/3=21,582
·104-41,202
·104/3=7,848
·104 Па

Это соответствует заданной величине РБК

Таблица1. Характеристики паров.
Давление, Па
Температура, (С.
Энтальпия, кДж/кг.

РГ1=49,05
·104
ТГ1=151,1
J1=2754

РГ2=35,316
·104
ТГ2=139
J2=2738

РГ3=21,582
·104
ТГ3=124
J3=2716

РБК=7,848
·104
tБК=93
JБК=2663

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений: распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора – при конечной концентрации.
По высоте кипятильных труб происходит изменение температуры кипения вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. 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. Обычно в расчётах
·
·
·
· принимают равной 1,0 13 EMBED Equation.3 1415 1,5 градуса на корпус. Примем
·
·
·
· для каждого корпуса по 1 К, тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:
tВ1=tГ2+
·1
·
·
·=139+1=140(C
tВ2=tГ3+
·2
·
·
·=124+1=125(C
tВ3=tБК+
·3
·
·
·=93+1=94(C

Сумма температурных потерь вследствие гидродинамических депрессий:

·
·
·
·
·=
·1
·
·
· +
·2
·
·
· +
·3
·
·
·=1+1+1=3К

По температурам вторичных паров определим их давления.
Таблица2. Характеристика вторичных паров.
Температура, (С.
Давление, Па

tВ1=140
РВ1=36,15
·104

tВ2=125
РВ2=23,22
·104

tВ3=94
РВ3=8,172
·104


Определение гидростатической депрессии.
Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:
РСР=РВ+Н
·
·
·q
·
·/2,
где РВ – давление вторичного пара в корпусе, Па;
Н – высота кипятильных труб в аппарате, м;

· – плотность кипящего раствора, кг/м3;

· – паронаполнение (объёмная доля пара в парожидкостной смеси), м3/м3.
Для выбора величины Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. Можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией раствора q = 30000 13 EMBED Equation.3 1415 50000 Вт/м2, аппаратов с принудительной циркуляцией раствора в корпусах q = 80000 13 EMBED Equation.3 1415 100000 Вт/м2. Примем q=40000 Вт/м2, тогда для 1-го корпуса ориентировочная поверхность будет равна:
13 EMBED Equation.3 1415
где r1 – удельная теплота парообразования вторичного пара в первом корпусе, Дж/кг [1, 549c].
По ГОСТу [2] аппарата с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камеры и зоной кипения (Тип2) имеют высоту кипятильных труб 3 и 4м при диаметре труб dH=25мм и толщине стенки
·СТ=2мм. Примем высоту кипятильных труб H=3м.
При пузырьковом режиме кипения переполнение составляет
·=0,413 EMBED Equation.3 14150,6. Примем
·=0,5. Плотность водных растворов MgCl2 по корпусам при t=20(C равна:

·1=1040 кг/м3

·2=1065,4 кг/м3

·3=1119,8 кг/м3
При определении плотности раствора в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры от 20( до температуры кипения в связи с малым значением коэффициента объёмного расширения и ориентировочным значением величины
·.
Давление в среднем слое кипятильных труб по корпусам равно:
Р1СР=РВ1+Н
·
·1
·g
·
·/2=36,15
·104+3
·1040
·9,8
·0,5/2=36,91
·104Па
Р2СР=РВ2+Н
·
·2
·g
·
·/2=23,22
·104+3
·1065,4
·9,8
·0,5/2=24,003
·104Па
Р3СР=РВ3+Н
·
·3
·g
·
·/2=8,172
·104+3
·1119,8
·9,8
·0,5/2=8,995
·104Па
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1,594с.].
Таблица 3. Характеристики растворителей.
Давление, Па
Температура, (С
Теплота испарения, кДж/кг

Р1СР=36,91
·104Па
t1СР=140,4
rB1=2163

Р2СР=24,003
·104Па
t2СР=125,5
rB2=2189

Р3СР=8,995
·104Па
t3СР=96,2
rB3=2270


Гидростатическая депрессия по корпусам:

·1
·
·=t1СР-tВ1=140,4-140=0,4К

·2
·
·=t2СР-tВ2=125,5-125=0,5К

·3
·
·=t3СР-tВ3=96,2-94=2,2К
Сумма гидростатических депрессий равна:

·
·
·
·=
·1
·
·+
·2
·
·+
·3
·
·=0,4+0,5+2,2=3,1К
Температурная депрессия
·
· определяется по уравнению:
13 EMBED Equation.3 1415
где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К,
ra-теплота испарения, кДж/кг,

·
·АТМ – температурная депрессия при атмосферном давлении [4, 187c].
Тогда температурная депрессия по корпусам равна:
13 EMBED Equation.3 1415К;
13 EMBED Equation.3 1415К;
13 EMBED Equation.3 1415К;
Сумма температурных депрессий равна:

·
·
·=
·1
·+
·2
·+
·3
·=2,56+2,35+1,95=6,86 К.
Температуры кипения раствора по корпусам:
tK1=tr2+
·1
·+
·1
·
·+
·1
·
·
·=139+2,56+0,4+1=142,96 (C
tK2=tr2+
·2
·+
·2
·
·+
·2
·
·
·=124+2,35+0,5+1=127,85 (C
tK3=tБК+
·3
·+
·3
·
·+
·3
·
·
·=93+1,95+2,2+1=98,15 (C
В аппаратах с вынесенной зоной кипения, как с принудительной, так и с естественной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой. Кипение в трубах предотвращается за счёт гидростатического столба жидкости в трубе закипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по отношению к температуре кипения на верхнем уровне раздела фаз, поэтому в этих аппаратах температуру кипения раствора также определяют также без учёта гидростатических температурных потерь
·
·
·. Температура перегрева раствора
·tПЕР может быть найдена из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Баланс тепла для j корпуса записывается в следующем виде:
GHj
·CHj
·( tKj- tKj-1)+M
·CHj
·
·tПЕРj
где М – производительность циркуляционного насоса, кг/с определяют по таблице [4, 187с] для выпарного аппарата заданного типа, имеющего поверхность равную FОР (поверхность орошения).
В аппаратах с вынесенной нагревательной камерой и естественной циркуляцией раствора обычно достигаются скорости V= 0,6 13
· EMBED Equation.3 1415 0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркуляционного раствора равна:
M=V
·S
·
·,
где S – сечение потока в аппарате, м2.
13 EMBED Equation.3 1415,
где dBH - внутренний диаметр труб, м;
H – принятая высота труб, м.
Таким образом, температура перегрева в j – ом аппарате равна:

·tПЕРj 13 EMBED Equation.3 1415
Полезная разность температур в этом случае может быть рассчитана по уравнению:

·tПj=tГj-(tKj+
·tПЕРj/2)

2.1.4. Полезные разности температур по корпусам.

·tП1=tГ1-tK1=151,1-142,96=8,14 К;

·tП2=tГ2-tK2=139-127,85=11,15 К;

·tП3=tГ3-tK3=124-98,15=25,85 К.
Суммарная полезная разность температур:

·
·tП=
·tП1+
·tП2+
·tП3=8,14+11,15+25,85=45,14 К.
Проверка суммарной полезной разности температур:

·
·tП= tГ1- tБК-(
·
·
·+
·
·
·
·+
·
·
·
·
·)=151,1-93-(6,86+3,1+3)=45,14 К.

2.1.5. Определение тепловых нагрузок.
Совместным решением уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения балансов по воде для всей установки определяем расход греющего пара в 1-ый корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам.
Q1=D1
·(J1-i1)=1,03
·[GH
·CH
·(tK1-tH)+W1
·(JB1-CB
·tK1)+Q1КОНЦ];
Q2=W1
·(J2-i2)=1,03
·[(GH-W1)
·C1
·(tK2-tK1)+W2
·(JB2-CB
·tK2)+Q2КОНЦ];
Q3=W2
·(J3-i3)=1,03
·[(GH-W1-W2)
·C2
·(tK3-tK2)+W3
·(JB3-CB
·tK3)+Q3КОНЦ];
W=W1+W2+W3
где Q1,Q2,Q3 – тепловые нагрузки по корпусам, кВт;
D – расход греющего пара в 1й корпус, кг/с;
1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;
J1,J2,J3 энтальпии греющих паров по корпусам кДж/кг;
JВ1,JВ2,JВ3 – энтальпии вторичных паров по корпусам кДж/кг.
При решении уравнения баланса можно принимать, что
JВ1
·J2; JВ2
·J3; JВ3
·JБК;
i1, i2, i3 – энтальпии конденсата по корпусам, кДж/кг. [1,548c];
Cв – теплоёмкость воды кДж/кг
·К;
СН, С2, С3 – теплоёмкость раствора начальной концентрации, в первом корпусе и втором корпусе, соответственно, кДж/кг
·К [3, 637c];
Q1 КОНЦ, Q2 КОНЦ, Q3 КОНЦ – теплота концентрирования по корпусам, кВт;
tН – температура кипения исходного раствора в 1-ом корпусе, (С.
tH1=tB1+
·
·Н=140+2,0=142 (С,
где
·
·Н – температурная депрессия для исходного раствора.
Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры [5] показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому проведем расчёт теплоты концентрирования для 3-го корпуса.
Q3 КОНЦ=GСУХ
·
·q,
где Q3 КОНЦ – производительность аппарата по сухому веществу MgCl2, кг/с;

·q – разность интегральных теплот растворения при концентрации Х2 и Х3, кДж/кг [3,630c].
Q3 КОНЦ=GH
·XH
·
·
·q
·=4,75
·0,05
·9,7=2,3кВт

Q3 ОР=(GH-W1-W2)
·C2
·(tK3-tK2)+W3
·(JB3-CB
·tK3)=(1,319-0,211-0,232)
·3,23
·(98,15-127,85)+0,253
·(2663-4,19
·142,96)=485,65кВт
Q3 КОНЦ составляет значительно меньше 3% от Q3 ОР, поэтому в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q3 КОНЦ.
Q1=D1
·(2754-637,7)=1,03
·[1,319
·3,23
·(142,96-142)+W1
·(2738-4,19
·142,96)];
Q2=W1
·(2738-589,5)=1,03
·[(1,319-W1)
·3,23
·(127,85-142,96)+W2
·(2716-4,19
·127,85)];
Q3=W2
·(J3-i3)=1,03
·[(1,319-W1-W2)
·3,23
·(98,15-127,85)+W3
·(2663-4,19
·98,15)];
Решение системы уравнений даёт следующие результаты:
D=0,224 кг/с;
W1=0,213 кг/с; Q1=474 кВт;
W2=0,229 кг/с; Q2=458 кВт;
W3=0,253 кг/с; Q3=502 кВт.
Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых ( W1=0,211 кг/с, W2=0,232 кг/с, W3=0,253 кг/с) не превышает 3%, поэтому в дальнейших расчётах не производим пересчёт концентраций и температур кипения раствора по корпусам.

Таблица 4. Параметры растворов и паров по корпусам.

Наименование параметра
1-й корпус
2-й корпус
3-й корпус

1
Производительность по упариваемой воде, W, кг/с.
0,213
0,229
0,253

2
Концентрация растворов, Х, %
6
7,6
10,6

3
Давление греющих паров, РГ, Па
49,05
·104
35,316
·104
21,582
·104

4
Температура греющих паров, tГ, (С
151,1
139
124

5
Температурные потери,
·
·, град.
3,96
3,85
5,15

6
Температура кипения раствора, tK, (C
142,96
127,85
98,15

7
Полезная разность температур,
·tП, град.
8,14
11,15
25,85

2.1.6. Выбор конструкционного материала.
Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора MgCl2 в интервале изменения концентраций от 5% до 10,58% [5, 98c]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17, имеющая скорость коррозии менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности
·СТ=25,1 Вт/м
·К.
2.1.7. Расчет коэффициентов теплопередачи.
Расчёт коэффициентов теплопередачи в первом корпусе.
13 EMBED Equation.3 1415
Примем, что суммарное термическое сопротивление стенки 13 EMBED Equation.3 1415 и накипи 13 EMBED Equation.3 1415 равно 13 EMBED Equation.3 1415, при этом не учитываем термическое сопротивление загрязнений со стороны пара.
13 EMBED Equation.3 1415м2
·К/Вт
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара
·1 к стенке [1] равен:
13 EMBED Equation.3 1415,
где r1 – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг [1,549c];
·Ж1 – плотность (кг/м3) [1,537с],
·Ж – теплопроводность (Вт/м
·К) [1,537с],
·Ж – вязкость (Па
·с) [1,537с] конденсата при средней температуре плёнки, соответственно:
tпл=tГ1-
·t1/2,

·t1 – разность температур конденсации пара и стенки, град. Расчёт
·1 ведут методом последовательных приближений.
1-ое приближение.
Примем –
·t1=0,0005 К, тогда:
tпл=151,1-0,0005/2=151,1(С.
Проверяем правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
13 EMBED Equation.3 1415Вт/м2
·К
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо:
13 EMBED Equation.3 1415,
где q – удельная тепловая нагрузка, Вт\м2;

·tСТ – перепад температур на стенке, К;

·t2 – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, К.

·tСТ=
·1
·
·t1
·
·
·/
·=77218
·0,0005
·2,87
·10-4=0,011K.
Тогда

·t2=
·tП1-
·tCT-
·t1=8,14-0,011-0,0005=8,13K
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для режима пузырькового кипения в вертикальных пузырьковых трубах при условии естественной циркуляции раствора равен:
13 EMBED Equation.3 1415;

В аппаратах с вынесенной зоной кипения, а также в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечиваются высокие скорости движения растворов в трубках греющей камеры и, как следствие этого, устойчивый турбулентный режим течения. Поэтому для вычисления коэффициентов теплоотдачи со стороны жидкости используется эмпирическое уравнение:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415;
13 EMBED Equation.3 1415;
где V1 – скорость движения раствора по трубам.
13 EMBED Equation.3 1415;
Значения физических свойств, входящих в критерии подобия, находят при средней температуре потока, равной:
13 EMBED Equation.3 1415.
Для нашего случая:
13 EMBED Equation.3 1415Вт/м2


Наименование параметра
1-й корпус
2-й корпус
3-й корпус
Литература

1
Теплопроводность раствора,
·, Вт/м
·К
0,573
0,573
0,573
[7,327c]

2
Плотность раствора,
·, кг/м3
1048
1062
1087
[3,531c]

3
Теплоёмкость раствора, С, Дж/кг
·К
3230
3230
3230
[3,637c]

4
Вязкость раствора,
·, Па
·с
1,5
·10-3
1,5
·10-3
1,5
·10-3
Приложение 3

5
Поверхностное натяжение,
·, Н/м
0,0738
0,0738
0,0738
Приложение 3

6
Теплота парообразования, rВ, Дж/кг
2117
·103
2153
·103
2197
·103
[1,549c]

7
Плотность пара,
·П, кг/м3
2,614
1,913
1,261
[1,549c]

8
Плотность пара при 1 атм.,
·0, кг/м3
0,579
0,579
0,579
[1,549c]

q2=
·2
·
·t2=61,183
·8,13=497,418 Вт/м2










13PAGE 15















Лист

Дата

Подп.

№ докум.

Лист

Изм.



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 23675977
    Размер файла: 191 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий