Курсовая работа: Конструирование выпарной установки

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 = t_р – υ

где t_р – 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;

G_сух. – 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 с_сух. – удельная теплоёмкость безводного нелетучего вещества, раствор которого выпаривается (определяется по справочнику), кДж/(кг*⁰ С);

с_в – теплоёмкость воды, с_в = 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 α_р 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 ρ_ж и ρ_э .

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 G_к , кг/ч

. (1)

где G₀ – количество исходного раствора, поступающего на выпарку, кг/ч;

b₀ – начальная концентрация раствора, %;

b_к – конечная концентрация раствора, %.

.

Определяем количество воды, выпаренной в установке, W, кг/ч

W = G₀ – G_к , (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 с_сух. – теплоёмкость сухого растворённого вещества сахара, с_сух. = 1,29 кДж/кг⁰ С /2, с. 112/;

с_в – теплоёмкость воды, с_в = 4,19 кДж/кг⁰ С.

.

Определяем перепад давления, приходящийся на один корпус ∆Р, бар

. (5)

где Р₀ – давление греющего пара, бар;

Р_к – 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 t_x на выходе из первого подогревателя, исходя из уравнения теплового баланса, ⁰ С

c₀ (t_x – t’₀ ) = ε_{1 *} r_* η_n ;

где ε₁ – количество экстра пара из первого корпуса, кг/кг;

η_n – коэффициент сохранения теплоты подогревателем, принимаем η_n = 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.

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’ = t_n - Ө₂ . (16)

где t_n – 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

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 :

ρ_р = ρ_сух * b+ ρ_в (1- b);

где ρ_сух – плотность безводного нелетучего вещества сахара[4], ρ_сух = 1600кг/м³

ρ_в – плотность растворителя, воды ( при температуре кипения в корпусе); кг/м³

b – долевое содержание ( концентрация) массы вещества в растворе(п.5.8, п.5.9)

ρ_р1 = 1600* 0,1791 + 936(1 – 0,1791) =1054,92

ρ_{p 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/(м^{2 0} С)

. (24)

где H – высота трубок, принимаем H =4 м; диаметр трубок 38*2 [2] принимаем ∆t = t_н – t_ст , принимаем ∆t = 2 ⁰ С с последующей проверкой;

В^’ = 5700 + 56 t_н – 0,09 t_н 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/(м^{2 0} С), принимаем скорость р – ра w = =1,5м/с [2];

; (26)

.

Определяем коэффициент теплопередачи для первого корпуса K₁ , Вт/ (м^{2 0} С)

; (27)

гдеδ_ст – толщина стенки, δ_ст = 2 мм;λ_ст – теплопроводность материала стенки, λ_ст = 58 Вт/(м ⁰ К);δ_нак – толщина накипи, м, для первого корпуса δ_нак = 1мм /2/;λ_нак – теплопроводность накипи, λ_н = 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/(м^{2 0} С)

;

В^’ = 5700 + 56 t_н – 0,09 t_н 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/(м^{2 0} С), принимаем скорость раствора w = = 2,5м/с [2]

;

.

Определяем коэффициент теплопередачи для второго корпуса K₂ , Вт/ (м ⁰ К)

;

где δ_нак – толщина накипи, м , для второго корпуса δ_нак = 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 +w_2, 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 *c_в + 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 – c_в *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 W_II , кг/ч

W_II = W₁ ^’ + W₂ ^’ , (36)

W_II = 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 D_н. – 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, в - 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 ∆р_н , МПа

∆р_н = 1,25 (∆р_под.1 + ∆р_под.2 + р₁ ); (43)

∆р_н = 1,25 (3,5*10³ + 3,5*10³ + 0,215*10⁶ ) = 0,278 * 10⁶

где Δр_под.1 , Δр_под.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 ρ_{0 –} плотность раствора, поступающего на выпорку при b₀ = 11%

ρ₀ = ρ_сух *b₀ + ρ_в (1 – b₀ )

где ρ_в – плотность воды при t₀ ^´ = 10˚C, ρ_в = 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 G_возд. , кг/с

G_возд. = 2,5 * 10^-5 (w₂ + G_в ) + 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;G_в – расход воды, кг/с

Где t₀ ^" – температура отсасываемого воздуха, ⁰ С;

t_н – температура вторичного пара второго корпуса, ⁰ С.

t₀ ^" = t_н – (5 ÷ 7) = 69,12 – 5 = 64,12

0,01 – количества газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.

G_возд. = 2,5 * 10^-5 (0,3744 + 3,96) + 0,01 * 0,3744 = 3,84*10^-3 .

Определяем объёмную производительность вакуум - насоса V_возд. , м³ /мин

, (45)

гдеR – универсальная газовая постоянная, Дж/кмоль*К;

М_возд – молекулярная масса воздуха, принимаем М_возд = 29 кг/кмоль

t_возд – температура воздуха, принимаем t_н = 20 ⁰ С;

t_возд = t_н +4+0,1(t_к – t_н )

t_возд = 20+4+0,1(64,12 – 20) = 28,4

Р_возд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Р_возд = Р_бк – Р_н . (46)

гдеР_н – давление сухого насыщенного пара при t⁰ = 28,4 ⁰ С,

P_н = 0,389 бар = 0,00389МПа = 3890 Па .

Р_возд = 0,03 – 0,003890 = 0,026110

Принимаем V_возд = 1,5 м³ /мин. Зная эту величину и остаточное давление Р_бк = 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:

d_бк =

где р - плотность паров, кг/м³ ;

ν- скорость паров, м/с.

d_бк =

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 d_тк = 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 = р_о – (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 G_к = 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, в = 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 в = 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, ρ_п =2,162 кг/м³

V =

Принимаем к установке штуцер диаметром в = 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, ρ_п1 = 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 G_K - 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

2. 7 Расчёт толщины теплоизоляционных покрытий

Определяем толщину тепловой изоляции δ_н , 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/м^{2 0} К;

. (51)

гдеt_ст2 – температура поверхности изоляции со стороны окружающей среды, для аппаратов, работающих в закрытом помещении не должна превышать t_ст2 = 45 ⁰ С;t_ст1 – температура изоляции со стороны аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 , принимаем равный температуре греющего параt_ст1 = 143,62 ⁰ С;t_ок – температура окружающей среды (воздуха), t_ок = 20 ⁰ С.

α₂ = 9,3 + 0,058(45 – 20) = 10,75

Определяем толщину изоляции δ_и , м

. (52)

где λ_и – коэффициент теплопроводности изоляции, принимаем совелит, λ_и = 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 = в * 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 – t_x ) = 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.

11 А.М. Бакластов "Промышленные тепломассообменные процессы и установки", М.: "Энергоатомиздат" 1986.