15

Условие задачи

Рассчитать двухкорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания S_o = 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 t_н = 30 ˚C до t_o = 82 ˚C. Давление греющего пара P_гр = 4,5 ата. Вакуум во втором корпусе составляет P_вак = 690 мм рт. ст. Выпарная установка обсуживается барометрическим конденсатором смешения, питающегося водой с t_в = 20 ˚C. Из первого корпуса отводится E = 300 кг/час экстра-пара.

Определить:

1. Расход греющего пара в выпарном аппарате и подогревателе;

2. Поверхности теплообмена подогревателя и выпарных аппаратов;

3. Расход охлаждающей воды в конденсаторе;

4. Диаметр и высоту барометрической трубы.

Схема двухкорпусной выпарной установки

W₁ ₁

G_в t_в^’

V_Г

_Г2

_Г1

T₂ D₂

h₂

C_к2 D_кр T₂

t₂ C₂

S₂ a₂

W₁ - E₁

i₁

E₁

C_к D_к T₁

t₁ C₁

S₁ a₁

P_г h₁

D_г T_г

t_o C_o

S_o a_o

P₁

P₂

W₂ ₂

i₂

Расчет подогревателя

Исходные данные:

S_o = 12 000 кг/час;

a₁= 8 %;

a₂= 55%;

t_н= 30 ^˚C;

t_o= 82 ^˚C;

t_в^’= 20 ^˚C;

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

для раствора а = 8%, t_o = 82 ^˚C

09кг/м³

= 3,91^-6 м²/с

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

r_р = 2304 кДж/кг

t_нас = 100,7 ^˚C

r = 2253 кДж/кг

657Вт/мК

б) Пересчет единиц

1.Количество передаваемого тепла от конденсатора к воде

Q = S_or_р = 3,33кг/с2304 кДж/кг = 7672 (кВт)

2.Расход греющего пара

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

3.Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи

; ;

а) t = t^кон – t^кип = 18,7 ^˚C

б) Расчет A

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

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

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

H = 1400 мм

в) d_n·s = 38х2 [6, стр. 415]

г)

д) Расчет параметра В

4.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

К_расч = 1866 (итог четвертой итерации)

5.Расчет поверхности теплообмена

Уточнение подбора по каталогу, при условии, что F_катал > F_расч; H_катал < 1,4 м

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

Расчет двухкорпусной выпарной установки

Исходные данные:

S_o = 12 000 кг/час;

a_o = 8 %;

a₂ = 55 %;

t_н = 30 ˚C;

t_o = 82 ˚C;

P_гр = 4,5 ата = 4,413 бар;

P_вак = 690 мм рт. ст.;

t_в^’= 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

t_кип, ˚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

; ; ;

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

2. Расчет температурных депрессий и температур кипения

При концентрации a₁ = 17,3%, t_a1  101,4 ˚С;

₁ = t_a1 – t_ст = 101,6 -100,0 = 1,4 ˚C

Во втором корпусе считаем по правилу Бабо.

Абсолютное давление P_II = P_атм – P_вак = 1,033 – 0,842 = 0,191 атм = 0,188 бар

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

; (бар)

По давлению 0,240 бар ищем температуру кипения раствора во втором корпусе: t_кип = 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.

3. Суммарная полезная разность температур

По P_гр = 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.

4. 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

P_гр

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 ;-\

5. Уточнение значений W_i (W₁, W₂)

Составим тепловой баланс по второму корпусу:

Теплоемкость исходного раствора C_o = 3,94 кДж/кгград [1]

Теплоемкость конденсата C_к = 4,23 кДж/кгград [5]

Теплоемкость растворителя C_р = 4,20 кДж/кгград [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 A_I и A_II.

. Принимаем K_ор = 1100 Вт/м²K. [м²]

С = 0,943 [5, стр. 149]

A_0I = 13,010³, A_0II = 12,210³ [5, стр 138]

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

б) Расчет B_оI и B_оII.

(бар)

(бар)

Для выпарного аппарата выбираем материал Х-28 хлористая сталь,

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

6. 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

F^4/3

F^1/3

66,348

268,598

19,190

38,401

4,048

22,410

80,000

Уточнение ₁ и ₂

F_расч = 48,74 м²;

₁ = 54,747 ^˚C

₂ = 25,254 ^˚C

₁+₂ = 54,747 + 25,254 = 80,000 ^˚C

невязка отсутсвует.

7. 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)

P_{11 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

8. Новая проверка W_i и Q_i

а)

= 1,376 [кг/с]

б)

9. Сопоставление значений Q_I и Q_II 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.

10. 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 P_конд = 0,173 бар. [3, табл. 1].

1. Расход воды на конденсацию

2. Расчет потока газа, который образуется в конденсаторе

а) Расчет расхода парогазовой смеси

G_Г = [0,025·(G_в + W₂) + 10·W₂]10^-3 = [0,025(22,51 + 1,346) + 101,346]10^-3 = 14,0610^-3 кг/с

б) Расчет температуры парогазовой смеси

в) Парциальное давление газа

P_п = 0,0367 бар. [3, табл. 1].

P_Г = P_конд – P_п = 0,173 – 0,0367 = 0,136 бар.

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

3. 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 d_б.тр. = 240 мм.

б) Высота барометрической трубы (по уравнению Бернулли)

(l = 10 м по ГОСТу)

Список литературы

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

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

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

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

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

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

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

Содержание

*^* Взяты из [1], [2] и [3].