Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 52
Содержание
Введение 1.1 Литературный обзор по теории и технологии процесса выпарки 1.2 Обоснование выбора и описание технологической схемы 1.3 Выбор конструкционных материалов аппаратов 2.1Материальный баланс установки 2.2 Тепловой расчёт установки 2.3 Определение расхода греющего пара 2.4 Определение поверхности теплопередачи, выбор типа выпарного аппарата 2.5 Расчёт и выбор вспомогательного оборудования (насос, конденсатоотводчик, барометрический конденсатор) 2.6 Расчёт диаметров трубопроводов и штуцеров 2.7 Расчёт толщины теплоизоляционных покрытий 2.8 Расчёт и выбор теплообменника исходной смеси 3. Основные требования техники безопасности при эксплуатации выпарных установок Список используемой литературы Введение Выпаривание — термический процесс концентрирования растворов твердых веществ, при кипении и частичном удалении жидкого растворителя в виде пара. В химической и смежной с ней отраслях промышленности 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 требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многостадийные многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов. В технике процесс выпаривания (упаривания) получил широкое распространение, так как многие вещества (сахар, поваренная соль, щелочные металлы, аммиачная селитра и многие другие) получают в виде слабых водных растворов, а в готовом для потребления, хранения или транспорта виде они должны быть полностью или частично обезвожены.Таким образом, выпарная установка является важным элементом оборудования многих предприятий химической, пищевой и других отраслей промышленности. От правильного её расчёта и конструирования нередко зависит нормальная работа цеха или завода в целом. В общем случае выбор схемы выпарной установки является задачей оптимального поиска и выполнятся технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.Впервые выпаривание, как технологический процесс получило применение в производстве сахара. В России в 1802 г. был построен первый сахарный завод с применением упаривания сахарного сиропа. Глубокое научное обоснование и анализ процессов выпарки дан в 1915 г. русским ученым И. А. Тищенко в монографии "Современные выпарные аппараты и их расчёт". 1.1.Литературный обзор по теории и технологии процесса выпарки
Выпаривание – термический процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ при кипении и удалении жидкого нелетучего растворителя в виде паров. Выпаривание применяют для концентрирования растворов в производстве минеральных солей, органических полупродуктов и удобрений, белково-витаминных концентратов, кормовых дрожжей и других продуктов, а также для регенерации различных растворов (с целью возврата их в технологический цикл) и термического обезвреживания промышленных стоков. Растворитель может превращаться в пар при кипении жидкости или при поверхностном её испарении. В выпарных аппаратах применяется более интенсивный из этих способов превращения растворителя в пар, а именно кипение. Впервые выпаривание получило промышленное применение в производстве сахара, а в дальнейшем и в химической промышленности. При концентрировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса. В элементарном виде процесс выпаривания можно осуществить в простом открытом или закрытом сосуде, наполненном раствором, при подводе к нему тепла для кипения и отводе образующихся паров в атмосферу или в конденсирующее устройство. Выпарные аппараты по принципу работы и конструктивному оформлению имеют много общего с испарителями, применяемыми на электростанциях. Но процесс выпарки водных растворов в выпарных аппаратах имеет принципиальное отличие от процесса кипения чистой воды в испарителях. Понижение температуры образующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-химической температурной депрессией. Обозначив её через ∆1
, можем написать ∆1
= tр
– υ где tр
– температура кипения раствора, 0
С; υ – температура образующихся паров воды, 0
С. Физико-химическая температурная депрессия различна для разных растворов. Она больше у растворов веществ с малым молекулярным весом. Для раствора одного и того же вещества физико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением его концентрации. Под концентрацией раствора понимают отношение массы сухого вещества в растворе к общей массе раствора в процентах где b – массовая концентрация раствора, %; W – количество растворителя или воды в растворе, кг; Gсух.
– количество растворённого или сухого вещества в растворе, кг. При выпарке вес сухого вещества в растворе остаётся постоянным, а количество растворителя (воды) уменьшается, а концентрация раствора увеличивается На практике выпаривание часто ведут и под вакуумом и под давлением. В таких случаях физико-химическая температурная депрессия может быть вычислена по приближённой формуле И.А. Тищенко где ∆1
– искомая физико-химическая температурная депрессия при давлении выпаривания; ∆’1
– депрессия, взятая из таблиц, при атмосферном давлении; Т – температура кипения чистого растворителя, 0
К; r – скрытая теплота парообразования для воды при давлении выпаривания, кДж/кг. Наличие физико-химической температурной депрессии понижает полезную разность температур между первичным и вторичным паром в выпарном аппарате. С повышением концентрации раствора увеличиваются его вязкость, плотность и температурная депрессия и понижаются теплоёмкость и теплопроводность. Удельную теплоёмкость раствора определяют по формуле, кДж/(кг*0
С) где ссух.
– удельная теплоёмкость безводного нелетучего вещества, раствор которого выпаривается (определяется по справочнику), кДж/(кг*0
С); св
– теплоёмкость воды, св
= 4,19 кДж/(кг*0
С); b – процентное содержание вещества в растворе. Вследствие увеличения вязкости растворов и понижения их теплопроводности и теплоёмкости уменьшается и коэффициент теплоотдачи αр
от греющей стенки к кипящему раствору. 1.2 Обоснование выбора и описание технологической схемы производства
В промышленности применяются многокорпусные выпарные установки, обеспечивающие экономию греющего пара. С увеличением числа корпусов уменьшается удельный расход пара, но увеличивается стоимость установки. Выбор числа ступеней выпарной станции производится на основе технико-экономических расчётов. Выпарная станция может компоноваться из одной, двух и более параллельно действующих выпарных установок. Различают следующие схемы выпарных установок: 1. по давлению вторичного пара в последней ступени: а) работающие под разрежением; б) под давлением; в) при ухудшенном вакуумом. 2. в зависимости от технологии обработки раствора при выпарке: а) одностадийные; б) многостадийные. В многостадийных установках сгущённый раствор отбирается из выпарной установки и направляется для дополнительной обработки (отстаивание, фильтрация), а затем вновь поступает в выпарные аппараты для дальнейшего сгущения. 3. по взаимному направлению потоков греющего пара и выпариваемого раствора: а) прямоточные; б) противоточные; в) с параллельным питанием раствора; г) со смешанным током. По принципу работы выпарные установки разделяются на непрерывно и периодически действующие. В установках непрерывного действия неконцентрированный (слабый) раствор непрерывно подаётся в аппарат, а упаренный (крепкий) раствор непрерывно отводится из него. В аппаратах периодического действия жидкость подаётся в аппарат, выпаривается до необходимой, более высокой концентрации, затем упаренный раствор удаляется из аппарата. Опорожнённый аппарат снова заполняется неконцентрированным раствором. Периодическое выпаривание применяется в установках небольшой производительности, когда сгущённая жидкость не поддаётся откачке насосом, либо в тех случаях, когда необходимо выпарить весь растворитель. Аппараты непрерывного действия более экономичны в тепловом отношении, поскольку в них отсутствуют потери, связанные с расходом теплоты на периодический разогрев аппарата. В большинстве случаев аппараты непрерывного действия компонуются в многокорпусные выпарные установки, представляющие собой несколько соединённых друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающемуся по направлению от первого корпуса к последнему. В каждом последующем корпусе устанавливается большая концентрация раствора, чем в предыдущем. По давлению внутри аппарата выпарные установки разделяются на работающие при избыточном и атмосферном давлении и вакууме. Вакуум в выпарных аппаратах применяется в следующих случаях: 1. когда раствор под влиянием температуры разлагается, изменяет цвет, запах. 2. когда раствор при атмосферном давлении имеет высокую температуру кипения, т.е. обладает большой физико-химической температурной депрессией, и требует высоких параметров греющего пара. 3. когда греющий теплоноситель имеет низкую температуру и, следовательно, нужно снижать температуру кипения раствора. 4. для увеличения располагаемого температурного перепада в многокорпусной установке. В тех случаях, когда получаемый в результате выпаривания раствора вторичный пар может быть использован как теплоноситель в других теплообменных установках и поэтому нет надобности удорожать выпарную установку подключением вакуум-насоса и конденсатора, может оказаться более рациональным выпаривание под давлением. В качестве греющего теплоносителя наибольшее применение в выпарных установках получил водяной пар. Наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева, хорошо компонующиеся и занимающие меньшую площадь. Во всех конструкциях выпарных аппаратов для облегчения очистки поверхности нагрева от накипеобразований пар поступает в межтрубное пространство, а раствор подогревается и кипит в трубках. Выпарные аппараты с паровым обогревом можно разбить на три группы: с естественной циркуляцией раствора, с принудительной циркуляцией раствора и плёночные аппараты. Движущей силой естественной циркуляции раствора является разность весов столба жидкости в опускных трубах и парожидкостной эмульсии в подъёмных за счёт разности плотностей ρж
и ρэ
. При работе выпарного аппарата образующаяся в трубках парожидкостная эмульсия поступает в сепаратор, где происходит сепарация, - пар уходит в паропровод вторичного пара, а жидкость поступает в циркуляционную трубу и при непрерывной выпарке смешивается с раствором, поступающим на выпарку, и вновь поступает в греющие трубки. Для осаждения влаги во всех сепарирующих устройствах обычно используют три фактора: действие силы тяжести, под влиянием которой капельки воды выпадают из потока пара; силу контактного взаимодействия, т.е. прилипание водяных капель к поверхности сепаратора; центробежный эффект, в результате которого при движении влажного пара по кривой траектории капельки жидкости отбрасываются к периферии, т.е. к стенкам сепаратора и стекает вниз. В большинстве случаев эти три способа механического воздействия на влажный пар используются одновременно или сочетаются в разнообразной последовательности и в разной степени. Для уменьшения колебания рабочего давления в выпарных аппаратах целесообразно в сепараторе и в нагревательной камере иметь минимальные объёмы жидкости и вводить парожидкостную смесь в сепаратор над свободной поверхность раствора. Для устойчивой работы аппарата на выпускной трубе, подающей парожидкостную эмульсию в сепаратор, устанавливают стабилизатор (трубчатку из полых трубок). Циркуляции жидкости в аппарате обусловлена разностью гидростатических напоров жидкости на входе в кипятильные трубки и выходе из них. Если пар, образующийся из раствора (вторичный пар одного выпарного аппарата), направить в греющую камеру другого выпарного аппарата и поддерживать во втором аппарате такое давление, чтобы температура этого пара была больше температуры кипения раствора во втором аппарате, то в нём тоже может происходить выпаривание, как и в первом аппарате. Для возможности кипения раствора в каждом корпусе необходимо обеспечить соответствующую разность между температурами вторичного пара предыдущего корпуса и кипящего раствора следующего за ним корпуса. Выпаривание раствора в многокорпусных установках позволяет достичь значительной экономии пара, а следовательно, и топлива по сравнению с однокорпусным выпариванием при одинаковых производительностях. Однако с увеличением числа корпусов увеличивается расход металла, начальные затраты на установку и амортизационные отчисления, расходы на текущие ремонты и, кроме того усложняется эксплуатация, поэтому в большинстве случаев на практике применяют выпарные установки с греющими поверхностями нагрева с тремя или четырьмя корпусами. выпарной трубопровод теплообменник штуцер 1.3 Выбор конструкционных материалов аппаратов
Выбор конструкционных материалов для проектируемого аппарата определяется особенностями протекающего в нем технологического процесса, свойствами рабочих веществ, их параметрами и характером механической нагрузки. В свою очередь технологические свойства конструкционного материала предопределяют способ изготовления из него деталей аппарата. Теплообменные аппараты изготовляют обычно на специализированных заводах. Значительная часть продукции этих заводов нормализована и представлена в каталогах и ценниках. Кроме специализированных заводов, теплообменники, изготовляют по индивидуальным заказам и чертежам неспециализированные машиностроительные заводы и мастерские. Независимо от места проектирования и изготовления теплообменные аппараты, предназначенные для работы под давлением выше 0,7 ат избыточных, должны соответствовать правилам Проматомнадзора в отношении устройства, монтажа и м эксплуатации. В соответствии с "Правилами устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением" за правильность конструкции сосуда, его расчет на прочность и выбор материала отвечает организация, разработавшая конструкцию и выполнившая ее расчет. Все изменения, могущие возникнуть в процессе изготовления или монтажа сосуда, должны быть согласованы между организацией, составляющей проект, и организацией, потребовавшей изменения проекта, оформлены в виде протокола и подписаны обеими сторонам. Основным материалом для изготовления теплообменной аппаратуры служит прокатная сталь различных марок. Стальные теплообменные аппараты нашли широкое применение в энергетической, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, легкой и других отраслях промышленности. Многие аппараты массового применения (теплофикационные подогреватели, конденсаторы, испарители, выпарные аппараты, ректификационные колонны некоторых типов и др.) нормализованы и изготовляются специализированными заводами и цехами в больших количествах. Аппарат изготовляют на основе технологического процесса, степень совершенства которого определяет качество, трудоемкость и сроки изготовления изделия, а также потребность в механосборочном и специальном оборудовании и квалифицированной рабочей силе. Технологический процесс выбирают обычно после сопоставления нескольких вариантов. В технологическом процессе предусматривается порядок изготовления отдельных деталей и узлов и последовательность сборки изделия. В первой части разработки технологического процесса содержатся подробные сведения о качестве и порядке изготовления аппарата в соответствии с техническими условиями: класс аппарата, марки материалов по ГОСТ, способы заготовительных операций, условия сварки, требования к сварным швам, режимы термической обработки, методы межоперационного и окончательного контроля, условия испытания готового изделия. Вторая часть разработки технологического процесса посвящается выбору рациональных операций обработки деталей, последовательности рабочих операций, а также выбору наиболее рациональных оборудования, инструмента и приспособлений. В третьей части разработки определяется квалификация рабочих для различных операций технологического процесса, трудоемкость работ по каждой операции и по всему процессу изготовления изделия, продолжительность каждой операции, количество расходуемых вспомогательных материалов, размер необходимой производственной площади и место монтажа. Разработанный технологический процесс изготовления деталей и сборки аппарата вносят в технологическиекарты и инструкции. Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде сахар интервале изменения концентраций от 10 до 65% [6]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии её менее 0,1мм/год, коэффициент теплопроводности l=58 Вт/(м*К). 2.1 Материальный баланс установки
Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки Описание схемы
Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки показана на схеме. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается в теплообменник (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем — в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате. Первый корпус обогревается 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 1-го корпуса. Самопроизвольный перетек раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения (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 во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом II подается в промежуточную емкость упаренного раствора. Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков. Определяем количество раствора после выпарки Gк
, кг/ч где G0
– количество исходного раствора, поступающего на выпарку, кг/ч; b0
– начальная концентрация раствора, %; bк
– конечная концентрация раствора, %. Определяем количество воды, выпаренной в установке, W, кг/ч W = G0
– Gк
, (2) W = 1000 – 268,3 = 731,7. Определяем количество воды, выпаренной на 1кг раствора, поступающего на выпарку, w, кг/кг 2.2
Тепловой расчёт установки
Определяем теплоёмкость раствора, поступающего на выпарку с0
, кДж/кг0
С где ссух.
– теплоёмкость сухого растворённого вещества сахара, ссух.
= 1,29 кДж/кг0
С /2, с. 112/; св
– теплоёмкость воды, св
= 4,19 кДж/кг0
С. Определяем перепад давления, приходящийся на один корпус ∆Р, бар где Р0
– давление греющего пара, бар; Рк
– давление в последнем корпусе, бар; n – число корпусов, n = 2; Определяем давление во втором корпусе Р1
, бар Р1
= Р0
- ∆Р, (6) Р1
= 4 – 1,85 = 2,15. Определяем давление во втором корпусе Р2
, бар Р2
= Р1
- ∆Р, (7) Р2
= 2,15 – 1,85 = 0,3. Определяем количество тепла, поступающее в подогреватель с экстра паром q, кДж/кг q = ε1
* r1
. (8) где r1
– скрытая теплота парообразования при давлении Р1
в первом корпусе из таблицы воды и водяного пара при Р1
= 2,15бар, r1
= 2195,8 кДж/кг /3/. q = 0,04 * 2195,8 = 87,832. Составляем тепловой баланс для первого выносного подогревателя. Определяем температуру исходного раствора tx
на выходе из первого подогревателя, исходя из уравнения теплового баланса, 0
С c0
(tx
– t’0
) = ε1
*
r*
ηn
; где ε1
– количество экстра пара из первого корпуса, кг/кг; ηn
– коэффициент сохранения теплоты подогревателем, принимаем ηn
= 1.t’
0
– начальная температура раствора, 0
С. Определяем количество воды, выпаренной во втором корпусе w2
, кг/кг раствора Определяем количество воды, выпаренной в первом корпусе w1
, кг/кг раствора w1
= w – w2
, (11) w1
= 0,7317 – 0,34585 = 0,38585. Определяем концентрацию раствора в первом корпусе b1
, % Определяем концентрацию раствора во втором корпусе b2
, % Определяем теплоёмкость раствора в первом корпусе c1
, кДж/кг0
С Определяем теплоёмкость раствора во втором корпусе c2
, кДж/кг0
С По справочным данным /1, с.152/ на основании концентрации раствора на выходе из первого корпуса и концентрации раствора на выходе из второго корпуса определяем физико-химическую температурную депрессию при атмосферном давлении, а затем по формуле Тищенко делаем пересчёт.По таблицам воды и водяного пара по давлению Р1
и Р2
в первом и втором корпусе определяем температуру вторичного пара, которая в дальнейшем нужна для определения температуры кипения раствора. Гидростатическую депрессию ∆2
принимаем равной 1, для первого и второго корпуса.Гидравлическую депрессию ∆3
принимаем: для первого корпуса ∆3
= 1; для второго корпуса ∆3
= 0,5. Результаты сводим в таблицу 1. Таблица 1 Физико-химическая температурная депрессия споправкой на давление. Составляем таблицу 2 для записи давлений, температур, энтальпий и скрытой теплоты парообразования для греющего и вторичного пара, для первого и второго корпуса. Таблица 2 Параметры пара Определяем полную разность температур в установке ∆t’
, 0
С ∆t’ = tn
- Ө2
. (16) где tn
– температура греющего пара, 0
С; Ө2
– температура во втором корпусе при давлении Р2
, 0
С. ∆t’ = 143,62 – 69,2 = 74,5. Согласно заданию, оба корпуса должны иметь одинаковые поверхности нагрева, в соответствии с этим полезная разность температур распределяется между корпусами прямо пропорционально их тепловым нагрузкам и обратно пропорционально коэффициенту теплопередачи, т.е. где ∆t1
и ∆t2
– полезные разности температур по корпусам, 0
С;К1
и К2
– коэффициенты теплопередачи;Q1
и Q2
– тепловые нагрузки по корпусам; Тепловые нагрузки корпусов могут быть приняты пропорциональными количествам выпариваемой в них воды с поправкой в дальнейшем на явление самоиспарения и увеличение скрытой теплоты парообразования во втором корпусе. Отношение коэффициентов теплопередачи по корпусам принимаем предварительно на основании справочной литературы, К1
/К2
= 2. В результате получаем систему уравнений где ∆t – полезная разность температур, равная полной разности температур минус суммарная депрессия для первого и второго корпуса, 0
С ∆t = ∆t’ – ∑∆, (20) ∆t = 74,5 – 5,948 = 68,552. На основании полученных результатов и данных, взятых из таблиц водяного пара, составляем температур и энтальпий пара и жидкости. Таблица 3 температуры и энтальпии пара и жидкости Температура, 0
С греющего пара кипения раствора вторичного пара конденсата tн
t1
Ө1
τ1
143,62 124,328 122,53 143,62 Ө’1
t2
Ө2
τ2
123,328 72,36 69,12 123,328 Энтальпия, кДж/кг греющего пара вторичного пара h’’
0
h’’
1
2738,5 2718,6 h’
0
h’
1
2708,8 2631,05 Температура кипения раствора в I корпусе t1
, 0
C t1
= Ө1
+ (∆1
k
+ ∆2
1
k
); t1
= 122,53 +1,708 = 124,328 (21) Температура греющего пара II корпуса Ө’
1
, 0
C Ө’
1
= Ө1
– ∆3
1
k
; (22) Ө’
1
= 124,328 – 1 = 123,328 Температура кипения раствора во II корпусе t2
, 0
C t2
= Ө2
+ (∆1
2
k
+ ∆2
2
k
+ ∆3
2
k
);(23) t2
= 69,12 + 3,24 = 72,36 Составляем таблицу физических параметров раствора. Физические парам5етры воды ρ, c, ν, λ определяем по корпусам по температурам кипения раствора в корпусе [9]. Теплоемкость раствора по корпусам определена выше (п. 5.10, п. 5.11). Плотность раствора можно определить по правилу аддитивности, зная концентрацию и плотность чистых компонентов при данной температуре [11], кг/м3
: ρр
= ρсух
* b+ ρв
(1- b); где ρсух
– плотность безводного нелетучего вещества сахара[4], ρсух
= 1600кг/м3
ρв
– плотность растворителя, воды ( при температуре кипения в корпусе); кг/м3
b – долевое содержание ( концентрация) массы вещества в растворе(п.5.8, п.5.9) ρр1
= 1600* 0,1791 + 936(1 – 0,1791) =1054,92 ρp
1
= 1600*0, 41 + 976,2(1 – 0,41) = 1231,96 Удельная теплоемкость, теплопроводность водных растворов в зависимости от концентрации раствора и температуры определяется из графиков [12] Таблица 4 Физико-химические величины для воды и раствора I и II корпусов Определяем коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке для первого корпуса α1
, Вт/(м2
0
С) где H – высота трубок, принимаем H =4 м; диаметр трубок 38*2 [2] принимаем ∆t = tн
– tст
, принимаем ∆t = 2 0
С с последующей проверкой; В’
= 5700 + 56 tн
– 0,09 tн
2
. (25) В’
= 5700 + 56*143,62 – 0,09*143,622
= 11886,32 Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для первого корпуса α2
, Вт/(м2
0
С), принимаем скорость р – ра w = =1,5м/с [2]; Определяем коэффициент теплопередачи для первого корпуса K1
, Вт/ (м2
0
С) гдеδст
– толщина стенки, δст
= 2 мм;λст
– теплопроводность материала стенки, λст
= 58 Вт/(м 0
К);δнак
– толщина накипи, м, для первого корпуса δнак
= 1мм /2/;λнак
– теплопроводность накипи, λн
= 1,163 Вт/(м 0
К), Проверяем принятую в расчёте разность температур ∆t, 0
С Определяем коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке для второго корпуса α1
, Вт/(м2
0
С) В’
= 5700 + 56 tн
– 0,09 tн
2
. (28) В’’
= 5700 + 56*123,328 – 0,09*123,3282
= 11237,488; Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости для второго корпуса α2
, Вт/(м2
0
С), принимаем скорость раствора w = = 2,5м/с [2] Определяем коэффициент теплопередачи для второго корпуса K2
, Вт/ (м 0
К) где δнак
– толщина накипи, м , для второго корпуса δнак
= 2 мм /2/. Проверяем принятую разность температур ∆t, 0
С 2.
3
Определение расхода греющего пара
Определяем расход греющего пара в первом корпусе на 1 кг неконцентрированного раствора d1
, кг/кг раствора Где w – общее количество воды, выпаренной в двух корпусах на 1кг раствора W = w1
+w2,
кг/кг раствора W = 0,38585 + 0,34585 = 0,7317 (30) При решении уравнений теплового баланса корпусов обозначим коэффициенты при d1
– через x1
, x2
; коэффициенты при с0
– через y1
, y2
; коэффициенты при ε – через z1
, z2
, тогда получим x2
= 2 – β2
*cв
+ σ2
; y2
= 2β1
+ β2
; z1
= 1. Если раствор поступает в первый корпус при температуре кипения, то t0
= t1
и β1
= 0. Так как установка работает без перепуска конденсата, то σ2
= 0. x2
= 2 – 0,0241*4,19 = 1,8991 y2
= β2
= 0,0241 Определяем полный расход пара D, кг/ч D = d1
* G0
, (31) Определяем количество воды, выпаренной в первом корпусе на 1 кг раствора w1
, кг/ч w1
= d1
*α1
+ c0
*β1
, (32) Так как α1
= 1 и β1
= 0, то w1
= d1
= 0,3572. Определяем всё количество воды выпаренной в первом корпусе W1
’
, кг/ч W1
’
= d1
* G0
, (33) W1
’
= 0,3572 * 1000 = 357,2. Определяем количество воды, выпаренной во втором корпусе на 1 кг раствора w2
, кг/ч w2
= w1
– ε1
+ (c0
– cв
*w1
)β2
, (34) w2
= 0,3572 – 0,04 + (3,871 - 4,19*0,3572)0,0241 = 0,3744. Определяем всё количество воды, выпаренной во втором корпусе W2
’
, кг/ч W2
’
= w2
* G0
, (35) W2
’
= 0,3744 * 1000 = 374,4. Определяем количество воды, выпаренной во всей установке WII
, кг/ч WII
= W1
’
+ W2
’
, (36) WII
= 357,2 + 374,4 = 731,6. Расхождение с предварительно найденным количеством выпариваемой воды 731,7 – 731,6 = 0,1 кг/ч, что допустимо. 2.
4
Определение поверхности теплопередачи, выбор типа выпарного аппарата
Проверяем количество тепла, передаваемое в: в первом корпусе на 1 кг раствора q1
, кДж/кг раствора q1
= d1
* r0
, (37) q1
= 0,3572 * 2133,8 = 762,19. во втором корпусе на 1 кг раствора q2
, кДж/кг раствора q2
= (w1
– ε1
) r1
, (38) q2
= (0,3572 – 0,04) 2178,7 = 691,1 Определяем отношение полученных количеств тепла q2
/q1
. Оно должно быть близким к принятому ранее Q2
/Q1
. q2
/q1
= 691,1/762,19 = 0,9067. В предварительном расчёте это отношение было принято 0,8963. Таким образом расхождение Проверяем полученные концентрации раствора: в первом корпусе b1
, % Принятая концентрация составляет b1
= 17,91%. во втором корпусе b2
, % Принятая концентрация составляет b2
= 41%. Так как расхождение полученных величин с ранее принятыми незначительно, повторного расчёта не требуется, а если значительно то делаем перерасчет. Определяем поверхности нагрева установки: для первого корпуса F1
, м2
для второго корпуса F2
, м2
Принимаем к установке выпарной аппарат с выносным кипятильником с поверхностью нагрева F [13] по ГОСТ 11987, F1
= F2
= 10м2
. Основные размеры аппарата: – номинальная площадь поверхности нагрева F – 10 м2
; – наружный диаметр корпуса Dн.
– 600 мм; – диаметр циркуляционной трубы D1
– 200 мм; – длина трубок l – 4000 мм; – общая высота аппарата H – 12000 мм; – количество трубок – 75 шт. - диаметр труб, d - 38 * 2мм - диаметр греющей камеры,Д – 400мм 2.
5
Расчёт и выбор вспомогательного оборудования (насос, конденсатоотводчик, барометрический конденсатор)
Выбираем центробежный насос для подачи исходного раствора. Принимаем сопротивление каждого подогревателя равное 3,5*103
Па. Определяем напор насоса ∆рн
, МПа ∆рн
= 1,25 (∆рпод.1
+ ∆рпод.2
+ р1
); (43) ∆рн
= 1,25 (3,5*103
+ 3,5*103
+ 0,215*106
) = 0,278 * 106
где Δрпод.1
, Δрпод.2
– сопротивление каждого подогревателя, принимаем равное 3,5 * 103
Па [12] р1
– давление в I корпусе, согласно расчета табл. 2. Для определение подачи раствора: м3
/с V = V = где ρ0 –
плотность раствора, поступающего на выпорку при b0
= 11% ρ0
= ρсух
*b0
+ ρв
(1 – b0
) где ρв
– плотность воды при t0
´
= 10˚C, ρв
= 999,7 ρ0
= 1600*0,11 + 999,7(1 – 0,11) = 1065,73 По [5] выбираем центробежный насос марки Х8/30 со следующими техническими характеристиками: Подача – 2,4*10-3
м3
/с Напор – 0,3 МПа Частота вращения – 48,3 об/с Электродвигатель – BАО -32 - 2 Мощность – 4 кВт Выбираем вакуум-насос для создания вакуума во II корпусе Определяем производительность вакуум-насоса Gвозд.
, кг/с Gвозд.
= 2,5 * 10-5
(w2
+ Gв
) + 0,01 * w2
. (44) где 2,5*10-5
– количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; w2
– количество воды выпаренной во втором корпусе на кг раствора, кг/ч;Gв
– расход воды, кг/с Где t0
"
– температура отсасываемого воздуха, 0
С; tн
– температура вторичного пара второго корпуса, 0
С. t0
"
= tн
– (5 ÷ 7) = 69,12 – 5 = 64,12 0,01 – количества газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров. Gвозд.
= 2,5 * 10-5
(0,3744 + 3,96) + 0,01 * 0,3744 = 3,84*10-3
. Определяем объёмную производительность вакуум - насоса Vвозд.
, м3
/мин гдеR – универсальная газовая постоянная, Дж/кмоль*К; Мвозд
– молекулярная масса воздуха, принимаем Мвозд
= 29 кг/кмоль tвозд
– температура воздуха, принимаем tн
= 20 0
С; tвозд
= tн
+4+0,1(tк
– tн
) tвозд
= 20+4+0,1(64,12 – 20) = 28,4 Рвозд
– парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па. Рвозд
= Рбк
– Рн
. (46) гдеРн
– давление сухого насыщенного пара при t0
= 28,4 0
С, Pн
= 0,389 бар = 0,00389МПа = 3890 Па . Рвозд
= 0,03 – 0,003890 = 0,026110 Принимаем Vвозд
= 1,5 м3
/мин. Зная эту величину и остаточное давление Рбк
= 0,026110 МПа подбираем вакуум-насос типа ВВН 1,5 .Из каталога насосов [с.48] остаточным давлением –0,015 МПа, мощностью электродвигателя – N = 2,1 кВт, число оборотов – n = 1500 мин -1
. Расчёт диметра барометрического конденсатора Диаметр барометрического конденсатора d
бк
определяют из уравнения расхода: dбк
= где р - плотность паров, кг/м3
; ν- скорость паров, м/с. dбк
= При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104
Па скорость паров ν
принимают 15 – 25 м/с принимают 15 м/с. По нормалям НИИХИММАША [12] подбираем конденсатор диаметром, равным расчётному или ближайшему большему. Выбираем барометрический конденсатор диаметр dтк
= 500 мм [табл. 10.2, 11] . Выбираем барометрический конденсатор. – толщина стенки аппарата – 5 мм; – расстояние от верхней полки до крышки аппарата – 1300 мм; – расстояние от нижней полки до днища аппарата – 1200 мм; – расстояние между осями конденсатора и ловушкой – 675 мм; – высота установки H = 4300 мм; – ширина установки Т = 1300 мм; – расстояние между полками – 220; 260; 320; 360; 390; Условные проходы штуцеров: – для входа пара А – 300 мм; – для входа воды Б – 100 мм; – для выхода парогазовой смеси В – 80 мм; – для барометрической трубы Г – 125 мм; – для входа парогазовой смеси на ловушках И – 80 мм; – для выхода парогазовой смеси на ловушках Ж – 50 мм; – для барометрической трубы на ловушках Е – 50 мм По расходу греющего пара Д, кг/с и перепаду давления Δр = ро
– (0,12 ÷ 0,15)МПа, выбираем конденсатоотводчик с закрытым поплавком.[11 стр. 310] Он действует следующим образом: пар поступает в корпус конденсатоотводчика, постепенно заполняя его конденсатом на 2/3 объёма. При этом поплавок всплывает и при помощи рычага открывает клапан для выпуска конденсата. С удалением конденсата поплавок опускается и закрывает выпускное отверстие и тем самым прекращает вытеснение конденсата. – максимальная производительность Gк
= 780 т/ч; – перепад давления до Δр = 1,2 МПа; – условный проход – 32 мм. 2.
6
Расчёт диаметров трубопроводов и штуцеров
Определяем диаметр штуцера на вход сырого раствора. Определяем диаметр штуцера d1
, м d1
= где V - объёмный расход сырого раствора, м/с; w - скорость движения сырого раствора, w = 1 м/с [10]. d1
= V = где G0
- количество исходного раствора, поступающего на выпарку, кг/ч; ρ0
- плотность исходного раствора, 1065,73 кг/м3
. V = К установке принимаем штуцер диаметром 20мм Определяем штуцер на выход конденсата. Определяем диаметр штуцера d2
,м d2
= где w – скорость движения конденсата, w = 1 м/с [10] d2
= где D1
- полный расход пара, D = 357,2 кг/ч ρ - плотность конденсата, из таблиц, при Р 0
= 0,4 МПа, ρ = 922,5кг/м3
. V= Принимаем к установке штуцер диаметром d = 15 мм Определяем штуцер на вход пара. Определяем диаметр штуцера d3
, мм d3
= где w - скорость движения пара, w = 20 м/с[10]. d3
= V = где р - плотность греющего пара, из таблиц, при Р0
= 0,4 МПа, ρп
=2,162 кг/м3
V = Принимаем к установке штуцер диаметром d = 60 мм Определяем штуцер на вход вторичного пара. Определяем диаметр штуцера d4
, мм d4
= где w - скорость движения вторичного пара, w = 20 м/с [10]. V = где W1
- всё количество воды, выпаренной в первом корпусе, кг/ч; р - плотность вторичного пара, из таблиц, при Р1
= 0,215 МПа, ρп1
= 1,2073 кг/м3
. V = Принимаем к установке штуцер диаметром d4
= 80 мм Определяем штуцер на выход концентрированного раствора. Определяем диаметр штуцера d5
, мм d5
= где w – скорость движения упаренного раствора, w = 0,5 м/с [10] d5
= V = где GK
- количество раствора после выпарки, кг/ч; р - плотность концентрированного раствора, из таблиц расчёта, ρ р2
= 1231,96 кг/м3
. V = Принимаем к установке штуцер диаметром d5
= 10мм Расчет сводим в таблицу 5 Таблица 5 Расход пара Давление пара Секундный расход Скорость пара Диаметр, мм 2.
7
Расчёт толщины теплоизоляционных покрытий
Определяем толщину тепловой изоляции δн
, мм, из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду где α2
– коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м2 0
К; гдеtст2
– температура поверхности изоляции со стороны окружающей среды, для аппаратов, работающих в закрытом помещении не должна превышать tст2
= 45 0
С;tст1
– температура изоляции со стороны аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1
, принимаем равный температуре греющего параtст1
= 143,62 0
С;tок
– температура окружающей среды (воздуха), tок
= 20 0
С. α2
= 9,3 + 0,058(45 – 20) = 10,75 Определяем толщину изоляции δи
, м где λи
– коэффициент теплопроводности изоляции, принимаем совелит, λи
= 0,09 Вт/м 0
К /9/. 2.
8
Расчёт и выбор теплообменника исходной смеси и барометрического конденсатора
Определяем тепловую нагрузку первого подогревателя Q1
, кВт Q1
= D * r(53) D = ε * G0
(54) D = 0,04 * 1000 = 40 кг/ч Q1
= 40/3600 * 2195,8 = 24,4 Температурный график имеет вид Из основного уравнения теплопередачи определяем поверхность теплообменного аппарата F, м2
Q = K*F*∆t; Определяем тепловую нагрузку второго подогревателя Q2
, кВт Q2
= G0
/3600 * c0
(t1
– tx
) = 1000/3600 * 3,871 * 91,638 = 98,54 Температурный график имеет вид Из основного уравнения теплопередачи определяем поверхность теплообменного аппарата F, м2
Q = K*F*∆t; Принимаем теплообменники "труба в трубе" со следующими техническими характеристиками. Таблица 6. Основные параметры теплообменников 3.
Основные требования техники безопасности при эксплуатации выпарных установок
1. Требования настоящей главы Правил распространяются на выпарные установки периодического и непрерывного действия, работающие под давлением или разрежением. 2. Для подогрева раствора, поступающего в первый корпус, до температуры, близкой к температуре кипения, необходимо устанавливать перед корпусом подогреватели, обогреваемым конденсатом или соковым паром. 3. Коммуникации подогревателей должны иметь запорные устройства дляотключения и обводные линии, а также линии для возврата подогретого раствора в промежуточный бак в периоды, когда первый корпус не может непрерывно принимать подогретый раствор. 4. Для контроля за качеством конденсата на конденсатопроводах установокдолжны быть смонтированы пробоотборники. В зависимости от качества конденсата (по химическому составу и наличию примесей) он должен собираться от всех выпарных аппаратов вместе или раздельно. 5. Для обеспечения наблюдений за уровнем раствора в выпарных аппаратах должны предусматриваться смотровые стекла. 6. Выпарные установки должны быть оснащены следующими контрольно - измерительными и регулирующими приборами: автоматическими регуляторами давления пара, поступающего в первый корпус; регистрирующим манометром на линии подачи пара в цех; манометрами на греющей камере и в паровом пространстве первого корпуса; манометрами, вакуумметрами на греющих камерах и в паровом пространстве последующих корпусов; автоматическими регуляторами уровня раствора; указывающими и сигнализирующими вакуумметрами на трубопроводах, идущих от барометрических или поверхностных конденсаторов; приборами для измерения температуры на всех выпарных аппаратах, подогревателях и барометрическом или поверхностном конденсаторе; расходомерами для учета расхода воды, поступающей в цех; расходомером для учета раствора, поступающего на выпарку; концентратомерами после каждого выпарного аппарата 7. Для обеспечения нормального режима работы выпарной установки необходимо: следить за подачей греющего пара в первый корпус и не допускать падения или повышения давления его в значительных предела (допустимы колебания в пределах 0,01 МПа (0,1 кгс/см2); поддерживать предусмотренное режимной картой распределении температур и давлений по корпусам выпарной установки; следить за непрерывностью отвода конденсата из греющих камер выпарных аппаратов а также систематически проверять качество конденсата; обеспечивать систематическое питание выпарных аппаратом раствором, подогретым до температуры, близкой к температуре кипения; следить за перепуском раствора из корпуса в корпус и систематически выводить из последнего корпуса готовый продукт, поддерживая установленный уровень раствора в аппаратах и не допуская оголения греющих камер; обеспечивать минимальные потери раствора, концентратов и теплоносителей; поддерживать разрежение в выпарных аппаратах, работающих под разрежением, на уровне, предусмотренном режимной картой, в случаях падения вакуума немедленно выявлять причины и устранять их;строго соблюдать предусмотренный график и порядок промывки выпарных аппаратов, а при необходимости производить внеочередные промывки выпарных аппаратов и их очистку; обеспечивать непрерывную и исправную работу автоматических теплоизмерительных и регулирующих приборов, арматуры, а также вспомогательного оборудования выпарной установки. 8. Схема трубопроводов выпарной установки должна исключать возможность смешения потоков греющего первичного и вторичного пара, а также потоков их конденсата. Список используемой литературы
1 Б.Н. Голубков "Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий", М.: "Энергия" 1979. 2 П.Д. Лебедев "Теплообменные, сушильные и холодильные установки", М.: "Энергия" 1972. 3 М.П. Вукалович "Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара". 4 В.А. Григорьев и В.М. Зорин "Промышленная теплоэнергетика и теплотехника", М.: "Энергоатомиздат" 1991 5 Информационный сборник насосного оборудования, М.: циптихимнефтемаш 1991. 6 А.М. Бакластов "Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок", М.: "Энергия" 1970. 7 Каталог "АО БелНасосПром". 8 И.И. Чернобыльский "Выпарные установки", издательство киевского университета 1960. 9 Е.А. Краснощёков, А.С. Сукомел "Задачник по теплопередаче", М.: "Энергия" 1980. 10 П.Д. Лебедев, А.А. Щукин "Теплоиспользующие установки промышленных предприятий", М.: "Энергия" 1970.
|