Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия

Министерство сельского хозяйства

Российской Федерации

Технологический институт –

филиал ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. А.П. Столыпина»

 

 

 

 

 

Курсовой проект

По предмету «Процессы и аппараты»

Тема проекта:

«Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия»

 

 

 

 

Выполнил студент очной формы обучения:

Проверил преподаватель:

 

 

 

 

 

 

 

Димитровград, 2011 г.

 

Введение

 

Технологическая схема выпарной установки

В химической промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Принципиальная технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рис.1.1.

Исходный раствор подается из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3 в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки.

Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в третий корпус 6 , обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в емкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в котором при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в конденсаторе) и через не плотности трубопроводов, отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом.

Смесь охлаждающей воды и конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9. Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков.

Выбор выпарных аппаратов

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами раствора.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа∙с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Растворы чувствительные к повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию – в прямоточных аппаратах с восходящей пленкой.

Типы и основные размеры выпарных аппаратов представлены в ГОСТ 11987–81.

 

 

Задание на расчет выпарной установки

Цель расчета выпарной установки – расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеров основного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего в технологическую схему установки.

Задание на курсовое проектирование

Рассчитать и спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для концентрирования водного раствора CaCl2:

1. Производительность установки по выпаренной влаге –4000 кг/ч;
2. Содержание сухих веществ: начальная – 5%; конечная – 20%
3. Давление греющего пара – Р=0,6 МПа;
4. Давление в барометрическом конденсаторе – Рбк=0,0147 МПа;
5. Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения;
6. Схема выпаривания - прямоточная; циркуляция естественная.

 

 

1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Технологический расчёт выпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи

 

 

где F – поверхность теплопередачи, м2;

Q – тепловая нагрузка, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); 

– полезная разность температур, К.

Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов по корпусам и их температуры кипения. Первоначально определим эти величины по материальному балансу, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.

 

 

 

1.1 Расчёт концентраций выпариваемого  раствора

Производительность установки по выпариваемой воде определяем по формуле:

 

где w – производительность по выпаренной воде, кг/с;

Gн – производительность по исходному раствору, кг/с;

xн, xк – соответственно начальная и конечная концентрация раствора, масс. доли,

 = 0,833 кг/с.

На основании практических данных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами в соотношении

W1:W2:W3 = 1,0:1,1:1,2

Тогда:

 

 

 

Проверка:

W1+W2+W3= W=0,252+0,278+0,303=0,833 кг/с.

Рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

 

 

 

 

 

Концентрация раствора в третьем корпусе x3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора xк.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Определение температур кипения  раствора

Температура кипения раствора в корпусе определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса и температурных потерь.

,(1.3)

      где  – соответственно температурная, гидростатическая и   гидравлическая депрессии, К.

Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆P распределяется между корпусами поровну:

 

 

где PГ1 – давление греющего пара в первом корпусе, МПа;

      Pбк – давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет:

PГ1=0,6 МПа

PГ2 = PГ1 – ∆P = 0,6 – 0,1951 = 0,4049 МПа

PГ3 = PГ2 – ∆P = 0,4049 – 0,1951 = 0,2098 МПа

Pбк = PГ3 – ∆P = 0,1432 – 0,1951 = 0,0147 МПа

По давлению греющего пара находим его температуру и энтальпию I по корпусам.

Таблица 1.1 Температуры и энтальпии паров.

Давление, МПа	Температура, ºС	Энтальпия, кДж/кг
PГ1=0,6	tГ1=159	IГ1=2756,6
PГ2=0,4049	tГ2=144	IГ2=2739,0
PГ3=0,2098	tГ3=122	IГ3=2709,5
Pбк=0,0147	tбк =53	Iбк=2596,6

 

 

 

 

1.2.1 Определение температурных потерь

Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной , гидростатической и гидродинамической депрессиями.

а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают  = 1,0 – 1,5 ºС на корпус. Примем , тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

tвп1 = tГ2 + = 144+1=145 ºС

tвп2 = tГ3 + = 122+1=123 ºС

tвп3 = tбк + = 53+1=54 ºС

Сумма гидродинамических депрессий:

 

По температурам вторичных паров определим их давления.

 

Таблица 1.2 – Давления и теплоты парообразования вторичного пара

Температура, ºС	Давление, МПа	Теплота парообразования, кДж/кг
tвп1=145	Pвп1=0,4155	rвп1 = 2129,7
tвп2=123	Pвп2=0,2182	rвп2 = 2194,4
tвп3=54	Pвп3=0,015	rвп3 = 2372,2

 

б) Гидростатическая депрессия  обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Pср каждого корпуса определяется по уравнению:

 

 

 

,где H – высота кипятильных труб в аппарате, м;

        ρ – плотность кипящего раствора, кг/м3

        g – ускорение свободного падения, м/с2

Для выбора значения H нужно ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000 ÷ 50000 Вт/м2. Примем q = 40000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно будет равна:

 

 

По ГОСТ 11987—81 для выпарного аппарата с естественной циркуляцией ближайшая будет поверхность – 16 м2 при диаметре труб 38x2 мм и длине труб Н = 4000 мм.

Плотность раствора по корпусам ρu можно рассчитать по следующим зависимостям:

 

 

где  – средняя концентрация раствора в корпусе, %;

                 Tu – температура раствора в корпусе, ºК

 

 

 

 

 

 

 

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:

 

 

 

 

 

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования (табл. 1.3):

 

Таблица1.3 – Температуры кипения и теплоты парообразования

Давление, МПа	Температура,ºС	Теплота парообразования, кДж/кг
P1ср = 0,426	t1ср=148	r1ср=2120,4
P2ср = 0,2287	t2ср=124	r2ср=2191,6
P3ср = 0,0255	t3ср=65	r3ср=2345

 

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам

 

 

 

Сумма гидростатических депрессий составляет:

 

 

 

 

в) Температурная депрессия определяется по уравнению:

 

 

 

 

 

Сумма температурных депрессий равна:

 

Тогда температуры кипения растворов по корпусам равны:

 

 

 

 

 

1.3 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в первом корпусе D, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде W, тепловые нагрузки по корпусам Q и удельный расход греющего пара d определяются по следующим уравнениям

 

 

 

 

 

где D – расход греющего пара в первом корпусе, кг/с;

IГ1,i1 – энтальпия пара и конденсата, соответственно, кДж/кг;

 

Полученные данные сводим в табл.1.4.

Таблица 1.4 – Параметры растворов и паров по корпусам

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	0,252	0,278	0,303
Концентрация растворов, x, %	6	10	20
Давление греющих паров, PГ	0,6	0,4049	0,2098
Температура греющих паров tГ, ºC	159	144	122
Температурные потери, , ºC	4,52	2,63	10,98
Температура кипения раствора tк ,ºC	148,52	124,63	63,98
Полезная разность температур ∆tп, ºC ()	10,48	19,37	58,02