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
. (1)
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
, (3)
.
2.2
Тепловой расчёт установки
Определяем теплоёмкость раствора, поступающего на выпарку с0
, кДж/кг0
С
, (4)
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
. (5)
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.
, (9)
.
Определяем количество воды, выпаренной во втором корпусе w2
, кг/кг раствора
, (10).
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
, %
, (12)
.
Определяем концентрацию раствора во втором корпусе b2
, %
, (13)
.
Определяем теплоёмкость раствора в первом корпусе c1
, кДж/кг0
С
, (14)
Определяем теплоёмкость раствора во втором корпусе c2
, кДж/кг0
С
, (15)
.
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.
Род депрессии | Корпус I | Корпус II |
Физико-химическая ∆1
|
0,708 | 1,74 |
Гидростатическая ∆2
|
1 | 1 |
Род депрессии | Корпус I | Корпус II |
Гидравлическая ∆3
|
1 | 0,5 |
Суммарная ∑∆ | 2,708 | 3,24 |
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
Р, МПа | tн
, 0 С |
h, кДж/кг | r, кДж/кг |
Рн
= 0,5 |
143,62 | 2738,5 | 2133,8 |
Р1
= 2,15 |
122,53 | 2710,25 | 2195,8 |
Р2
= 0,3 |
69,12 | 2625,3 | 2336 |
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.
. (17)
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.
.(18)
Отношение коэффициентов теплопередачи по корпусам принимаем предварительно на основании справочной литературы, К1
/К2
= 2.
В результате получаем систему уравнений
(19)
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
Наименование параметров | I корпус | II корпус | ||
Обозначение | Величина | Обозначение | Величина | |
Температура, 0
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’’
h’’
|
2738,5 2718,6 |
h’
h’
|
2708,8 2631,05 |
Теплота парообразования вторичного пара, r, кДж/кг | r1
|
2178,7 | r2
|
2328 |
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
Наименование физико-химических констант | I корпус | II корпус | ||
Вода | Раствор | Вода | Раствор | |
Плотность – ρ, кг/м3
|
936 | 1055,52 | 976,2 | 1231,96 |
Теплоёмкость – с, кДж/кг | 4,263 | 3,9 | 4,179 | 3,0 |
Вязкость – ν *
106 , м2 /с |
0,237 | 0,41 | 0,478 | 0,981 |
Теплопроводность – λ, Вт/м *
0 К |
0,686 | 0,59 | 0,659 | 0,36 |
Определяем коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке для первого корпуса α1
, Вт/(м2
0
С)
. (24)
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];
; (26)
.
Определяем коэффициент теплопередачи для первого корпуса K1
, Вт/ (м2
0
С)
; (27)
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
, (29)
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 %, что допустимо.
Проверяем полученные концентрации раствора:
в первом корпусе b1
, %
, (39)
< 17,91 %
Принятая концентрация составляет b1
= 17,91%.
во втором корпусе b2
, %
, (40)
= 41%
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
, (41)
.
для второго корпуса F2
, м2
, (42)
.
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
, (45)
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
=, V =
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
Наименование штуцера | Расход пара |
Давление пара |
Плотность | Секундный расход |
Скорость пара |
Диаметр, мм |
|
Вход греющего пара | 357,2 | 0,4 | 2,162 | 0,0459 | 20 | 0,054 | 60 |
Выход вторичного пара | 385,85 | 0,215 | 1,2073 | 0,089 | 20 | 0,075 | 80 |
Выход конденсата греющего пара | 357,2 | - | 925,5 | 0,0001 | 1 | 0,012 | 15 |
Вход раствора | 1000 | - | 1065,73 | 0,000261 | 1 | 0,018 | 20 |
Вход упаренного раствора | 263,3 | - | 1231,96 | 0,00006 | 0,5 | 0,005 | 10 |
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
. (50)
где α2
– коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м2 0
К;
. (51)
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
. (52)
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
; (55)
С0
Из основного уравнения теплопередачи определяем поверхность теплообменного аппарата F, м2
Q = K*F*∆t;
; (56)
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
Наименование | I корпус | II корпус |
Длина труб, м | 3 | 1,5 |
Число теплообменных труб в одном аппарате, шт. | 1 | 1 |
Число параллельных потоков | 1 | 1 |
Диаметр теплообменных труб, мм | 38 * 3,5 | 57 * 4 |
Диаметр труб кожуха, мм | 57 * 4 | 85*4 |
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.
11 А.М. Бакластов "Промышленные тепломассообменные процессы и установки", М.: "Энергоатомиздат" 1986.