Расчет и подбор двухкорпусной выпарной установки непрерывного действия для выпаривания нитрата калия

Условие задачи


Рассчитать двухкорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания So = 12 000 кг/час раствора соли KNO3 от начальной концентрации a1 = 8% вес. до конечной a2 = 55 % вес. Слабый раствор соли подогревается в теплообменнике от tн = 30 ˚C до to = 82 ˚C. Давление греющего пара Pгр = 4,5 ата. Вакуум во втором корпусе составляет Pвак = 690 мм рт. ст. Выпарная установка обсуживается барометрическим конденсатором смешения, питающегося водой с tв = 20 ˚C. Из первого корпуса отводится E = 300 кг/час экстра-пара.

Определить:

Расход греющего пара в выпарном аппарате и подогревателе;

Поверхности теплообмена подогревателя и выпарных аппаратов;

Расход охлаждающей воды в конденсаторе;

Диаметр и высоту барометрической трубы.

Схема двухкорпусной выпарной установки

Расчет подогревателя


Исходные данные:

So = 12 000 кг/час;

a1= 8 %;

a2= 55%;

tн= 30 ˚C;

to= 82 ˚C;

tв’= 20 ˚C;

а) Справочные данные* f = y = о = 

для раствора а = 8%, to = 82 ˚C

09кг/м3

= 3,91Ч-6 м2/с

 = · = 3,91Ч-6 м2/с·09кг/м = 3,94519·10-3 ПаЧс

rр = 2304 кДж/кг

tнас = 100,7 ˚C

r = 2253 кДж/кг

657Вт/мЧК

б) Пересчет единиц

Количество передаваемого тепла от конденсатора к воде

Q = SoЧrр = 3,33кг/сЧ2304 кДж/кг = 7672 (кВт)

Расход греющего пара

Дгр = Q/r = 7672 / 2253 = 3,405 (кг/с)

Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи

; ;

а) t = tкон – tкип = 18,7 ˚C

б) Расчет A

С = 0,943 (вертикальный теплообменник); Ao = 13·103.

Для выбора высоты теплообменника надо оценить Fор, а для этого нужно задаться К (К < меньш).

Кор = 1000 Вт/м2; , в каталоге – 497 м2.

H = 1400 мм

в) dn·ґs = 38х2 [6, стр. 415]

г)

д) Расчет параметра В

Расчет коэффициента теплопередачи

№ итерации К новое К
1 1000 1940,997
2 1940,997 1860,799
3 1860,799 1866,738
4 1866,738 1866,293
5 1866,293 1866,326
6 1866,326 1866,324
7 1866,324 1866,324

Красч = 1866 (итог четвертой итерации)

Расчет поверхности теплообмена

Уточнение подбора по каталогу, при условии, что Fкатал > Fрасч; Hкатал < 1,4 м

Выбираем одноходовой теплообменник типа ТН или ТЛ: F = 239 м2, H = 1,2 м, Ч-3 м.

Расчет двухкорпусной выпарной установки

Исходные данные:

So = 12 000 кг/час;

ao = 8 %;

a2 = 55 %;

tн = 30 ˚C;

to = 82 ˚C;

Pгр = 4,5 ата = 4,413 бар;

Pвак = 690 мм рт. ст.;

tв’= 20 ˚C;

E = 300 кг/час.

а) Справочные данные из [1] и [2]


a%, масс 0 5 10 15 20 25 30 40 60 8 55
tкип, ˚С 100 100,5 100,9 101,2
102,1
104,1 108,2 100,7 107,0
= q 1 0,98 0,96 0,94 0, 92 0,9 0,88 0,84 0,76 0,968 0,78


б) Пересчет единиц

; ; ;

Расчет количества выпаренной воды и распределение ее по корпусам. Расчет концентрации a1

Расчет температурных депрессий и температур кипения

При концентрации a1 = 17,3%, ta1  101,4 ˚С;

1 = ta1 – tст = 101,6 -100,0 = 1,4 ˚C

Во втором корпусе считаем по правилу Бабо.

Абсолютное давление PII = Pатм – Pвак = 1,033 – 0,842 = 0,191 атм = 0,188 бар

(Ps)ст берется из таблицы насыщенных паров для температуры кипения раствора при a2 = 55% (tкип = 107 ˚С). (Ps)ст = 1,294 бар. [3, таблица 1].

; (бар)

По давлению 0,240 бар ищем температуру кипения раствора во втором корпусе: tкип = 64,08 ˚C. Определяем при давлении 0,188 бар:  58,7 ˚C [3, таблица 2].

Поправка Стабникова не вводится, т.к. растворение соли KNO3 является эндотермическим [4, таблица XXXVII].

II = t кип – II = 64,0 – 58,7 = 5,3 ˚C.

Суммарная полезная разность температур

По Pгр = 4,5 ата  4,4 бар находим по таблице насыщенных паров [3, таблица 2] находим T1 = 147,1 ˚C.

Г(1-2) примерно от 1 до 3 ˚C. Принимаем Г(1-2) = 1,7 ˚C.

(˚С)

Распределяем произвольно по корпусам:

1 = 40 ˚C;

2 = 40 ˚C.

Таблица первого приближения


Символ I приближение

Предварительный вариант Окончательный вариант

I корпус II корпус I корпус II корпус
T 147,1 104 143,9
40 40

t 107,1 64
64
1,4 5,3
5,3
101,7 58,7
58,7
Г 1,7 1,7

a% 17,3 55 17,3 55
Pгр 4,4 0,239 4,5
P 1,29 0,188
0,188
h 2742 2616 2742
i 2713 2607
2607

t – температура кипения раствора. t = T – 

 – температура вторичного пара  = t - 

P – давление внутри корпуса (по таблице свойств воды и пара на линии насыщения при t)

по таблице сухого насыщенного пара ;-

Уточнение значений Wi (W1, W2)

Составим тепловой баланс по второму корпусу:

Теплоемкость исходного раствора Co = 3,94 кДж/кгЧград [1]

Теплоемкость конденсата Cк = 4,23 кДж/кгЧград [5]

Теплоемкость растворителя Cр = 4,20 кДж/кгЧград [5]


= 1,384 [кг/с]

Подготовка к расчету поверхности теплообмена


А – множитель в выражени для коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности нагрева;

B – множитель в выражении для коэффициента теплоотдачи от поверхности нагрева к кипящему раствору.

а) Расчет AI и AII.

. Принимаем Kор = 1100 Вт/м2ЧK. [м2]

С = 0,943 [5, стр. 149]

A0I = 13,0Ч103, A0II = 12,2Ч103 [5, стр 138]

По справочнику находим для F = 82 м2 высоту выпарного аппарата H = 3,5 м. [6, стр. 416].

б) Расчет BоI и BоII.


 (бар)

(бар)

Для выпарного аппарата выбираем материал Х-28 хлористая сталь,

 4,25 ккал/(м·град·ч)  4,94 Вт/мЧК.  = 2 мм = 0,002 м

Расчет комплексов для расчетного уравнения

Корпус

I 386,3 2813 1402 51562 37,22 43,54
II 336,6 2341 1146 153146 53,50 81,78
— 5154 2548 — 90,72 123,61

ст1 = ст2, ст1 = ст2.

Определение поверхности теплообмена F


Используя в программе Microsoft ® Excel 97 функцию поиска определенного результата для ячейки с помощью подбора значения другой ячейки, находим F для  = 80 ˚С.


F, м2 F4/3

F1/3

66,348 268,598 19,190 38,401 4,048 22,410 80,000


Уточнение 1 и 2

Fрасч = 48,74 м2;

1 = 54,747 ˚C

2 = 25,254 ˚C

1+2 = 54,747 + 25,254 = 80,000 ˚C

невязка отсутсвует.

Уточненный конечный вариант таблицы


Символ II приближение

Предварительный вариант Окончательный вариант

I корпус II корпус I корпус II корпус
T 147,1 104 147,1 103,2
40 40 40,8 39,2
t 107,1 64 106,3 64
1,4 5,3 1,4 5,3
101,7 58,7 104,9 58,7
Г 1,7 1,7 1,7 1,7
a% 17,3 55 17,3 55
Pгр 4,4 0,24 4,5 1,13
P 1,29 0,188 1,2 0,188
h 2742 2616 2742 2659
i 2713 2607 2684 2607

P1 - по  (по таблице насыщенных паров)

P11 гр - по T из таблицы

t – температура кипения раствора. t = T – 

 – температура вторичного пара  = t - 

P – давление внутри корпуса (по таблице свойств воды и пара на линии насыщения при t)

по таблице сухого насыщенного пара ;-1,1,1267 1,1668

Новая проверка Wi и Qi

а)

= 1,376 [кг/с]

б)

Сопоставление значений QI и QII и Q’I и Q’II

Расхождение менше 5%  найденные значения тепловых нагрузок Q1 = 3462 кВт, Q2 = 1260 кВт, потоков W1 = 1,384 кг/с, W2 = 1,346 кг/с, Q1 = 3462 кВт, Q2 = 1260 кВт., поверхности F = 50 м2 и параметров процесса (см. табл.) принимаем как окончательные.

Расход греющего пара в первом корпусе

В курсовой работе – по каталогу далее выбираем аппарат с F > такого-то и H < такого-то

Расчет барометрического конденсатора

Температура конденсации конд = II - Г = 58,7 – 1,7 = 57,0 (˚C).

По конд определяем давление в конденсаторе Pконд = 0,173 бар. [3, табл. 1].

Расход воды на конденсацию

Расчет потока газа, который образуется в конденсаторе

а) Расчет расхода парогазовой смеси

GГ = [0,025·(Gв + W2) + 10·W2]Ч10-3 = [0,025Ч(22,51 + 1,346) + 10Ч1,346]Ч10-3 = 14,06Ч10-3 кг/с

б) Расчет температуры парогазовой смеси

в) Парциальное давление газа

Pп = 0,0367 бар. [3, табл. 1].

PГ = Pконд – Pп = 0,173 – 0,0367 = 0,136 бар.

г) Объемный поток отсасываемого газа (по ур-ю Менделеева-Клапейрона)

Расчет барометрической трубки

а) Расчет диаметра барометрической трубки по уравнению Бернулли

Примем скорость движения жидкости по трубе: W‘б.т = 0,6 м/с.

в из таблицы при t’’.

Смотрим по сортаменту труб dб.тр. = 240 мм.

б) Высота барометрической трубы (по уравнению Бернулли)

(l = 10 м по ГОСТу)

Список литературы

Бурович Б.М., Горелов А.Я., Межерецкий С.М. Справочник теплофизических свойств растворов. Ташкент, 1987.

Гельперин И.И, Солопенков К.Н. Прямоточная многокорпусная выпарная установка с равными поверхностями нагрева. Москва, 1975.

Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. Москва, «Энергия», 1980.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Издательство «Химия», 1981.

Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва, «Энергия», 1973.

Лащинский А.А, Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Москва, 1980.

Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии (книга 1). Издательство «Химия», 1999.

Содержание


Условие задачи 1

Схема двухкорпусной выпарной установки 1

Расчет подогревателя 2

Исходные данные: 2

а) Справочные данные 2

б) Пересчет единиц 2

1. Количество передаваемого тепла от конденсатора к воде 2

2. Расход греющего пара 2

3. Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи 3

4. Расчет коэффициента теплопередачи 3

5. Расчет поверхности теплообмена 4

Расчет двухкорпусной выпарной установки 4

Исходные данные: 4

а) Справочные данные из [1] и [2] 4

б) Пересчет единиц 4

1. Расчет количества выпаренной воды и распределение ее по корпусам. Расчет концентрации a1 5

2. Расчет температурных депрессий и температур кипения 5

3. Суммарная полезная разность температур 5

4. Таблица первого приближения 7

5. Уточнение значений Wi (W1, W2) 7

6. Подготовка к расчету поверхности теплообмена 9

а) Расчет AI и AII. 9

б) Расчет BоI и BоII. 9

7. Расчет комплексов для расчетного уравнения 9

8. Определение поверхности теплообмена F 11

9. Уточнение 1 и 2 11

10. Уточненный конечный вариант таблицы 11

11. Новая проверка Wi и Qi 12

12. Сопоставление значений QI и QII и Q’I и Q’II 12

13. Расход греющего пара в первом корпусе 12

Расчет барометрического конденсатора 12

1. Расход воды на конденсацию 13

2. Расчет потока газа, который образуется в конденсаторе 13

а) Расчет расхода парогазовой смеси 13

б) Расчет температуры парогазовой смеси 13

в) Парциальное давление газа 13

г) Объемный поток отсасываемого газа (по ур-ю Менделеева-Клапейрона) 13

3. Расчет барометрической трубки 13

а) Расчет диаметра барометрической трубки по уравнению Бернулли 13

б) Высота барометрической трубы (по уравнению Бернулли) 14

Список литературы Error: Reference source not found

Содержание Error: Reference source not found


* Взяты из [1], [2] и [3].