Курсовая работа: Расчет и подбор выпарной установки

Курсовая работа: Расчет и подбор выпарной установки

Оглавление

1.  Введение.

2.  Описание технологической схемы выпарной установки.

3. Теплотехнический расчёт выпарных аппаратов.

3.1. Расчёт общего количества выпаренной воды.

3.2. Расчет депрессий.

3.2.1. Гидравлические депрессии между корпусами.

3.2.2. Температурные депрессии.

3.3. Суммарная полезная разность температур.

3.4. Заполнение предварительной таблицы.

3.5. Уточнение значений W1, W2, W3 .

3.6. Расчёт предварительных значений тепловых потоков:

3.7. Расчёт комплексов А1, А2, А3, Во1, Во2, Во3.

3.7.1. Расчёт A-комплексов.

 3.7.2. Расчёт Во.

3.8. Выбор конструкционного материала для выпарного аппарата.

3.9. Расчёт поверхности теплообмена.

3.9.1. Расчёт комплексов для нахождения поверхности нагрева корпусов.

3.9.2 Расчёт поверхности теплообмена.

3.10. Заполнение окончательного варианта таблицы.

3.11. Уточнение значений W1, W2, W3 .

3.12. Расчёт окончательных значений тепловых потоков:

3.13. Оценка погрешности определения.

3.14. Расход греющего пара в первом корпусе.

3.15. Выбор стандартного выпарного аппарата.

3.16. Расчёт тепловой изоляции аппарата.

3.16.1. Теплоперенос при конденсации греющего пара.

3.16.2. Теплоперенос через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала.

3.16.3. Теплоперенос от наружной поверхности изоляции в окружающую среду.

3.16.4. Расчёт толщины изоляции.

4. Механический расчёт аппаратов выпарных установок.

4.1. Греющая камера.

4.1.1. Расчёт толщины стенки греющей камеры.

4.1.2. Расположение труб в греющей камере.

4.1.3. Крепление кипятильных труб в трубной решетке.

4.1.4.Расчёт толщины трубной решетки.

4.2. Сепаратор.

4.2.1.  Высота и диаметр сепаратора.

4.2.2.  Брызгоотделитель.

4.3.Днища и крышки.

4.3.1. Расчёт эллиптической крышки сепаратора.

4.3.2. Подбор эллиптического днища сепаратора.

4.3.3. Подбор конического днища сепаратора.

4.3.4. Подбор конической крышки.

4.4.  Основные штуцера выпарного аппарата.

5. Узел подогрева исходного раствора.

5.1. Тепловая нагрузка аппарата.

5.2. Движущая сила процесса.

5.3. Расход греющего пара.

5.4. Выбор конструкционного материала теплообменника.

5.5. Ориентировочный выбор теплообменника.

5.6. Расчёт коэффициента теплопередачи К.

5.6.1.Расчёт коэффициента теплоотдачи от поверхности трубки к раствору.

5.6.3. Расчёт коэффициента теплопередачи К.

5.7. Расчёт поверхности теплообмена.

5.8. Подбор теплообменника по каталогу.

5.9. Расчёт толщины тепловой изоляции.

6. Блок создания и поддержания вакуума.

6.1. Расчёт барометрического конденсатора смешения.

6.1.1. Расход охлаждающей воды Gв.

6.1.2. Диаметр конденсатора.

6.1.3. Высота барометрической трубы.

6.1.4. Барометрический ящик.

6.2. Расчёт производительности вакуум-насоса.

7.1.1. Конденсатоотводчик для отвода конденсата из теплообменника, обогревающего исходный раствор до температуры кипения.

7.1.2. Конденсатоотводчик для отвода конденсата из первого корпуса выпарной установки.

7.1.3. Конденсатоотводчик для отвода конденсата из второго корпуса выпарной установки.

7.1.4. Конденсатоотводчик для отвода конденсата из третьего корпуса выпарной установки.

7.2. Ёмкости.

7.2.1. Ёмкость для исходного раствора.

7.2.2. Ёмкость для исходного раствора.

8. Список литературы.

1. Введение.

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твёрдых веществ при температуре кипения путём частичного удаления растворителя в парообразном состоянии. Выпариванию подвергают водные растворы твёрдых веществ, и удаляемый растворитель представляет собой водяной пар, так называемый вторичный пар.

Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространённых технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. Число действующих выпарных установок исчисляется многими сотнями.

Единой классификации выпарных аппаратов не существует, но целесообразными являются классификации по поверхности нагрева и свойствам используемых теплоносителей. Наибольшее распространение получили аппараты, обогреваемые конденсирующимся водяным паром, реже – топочными газами и высокотемпературными органическими теплоносителями, очень редко – электрическим током.

Наиболее простыми являются выпарные аппараты в виде вертикальных полых цилиндров или чашеобразные. Аппараты бывают:

·  С внутренними вертикальными нагревательными камерами;

·  С наружными циркуляционными трубами;

·  С подвесной нагревательной камерой;

·  С соосными и выносными нагревательными камерами;

·  Плёночные аппараты.

Также бывают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией. Движущей силой естественной циркуляции является разность гидростатических давлений жидкости в циркуляционной трубе или кольцевом канале и парожидкостной смеси.

В данном курсовом проекте мной рассмотрен выпарной аппарат с выносной греющей камерой и кипением в трубках. Выпариваемым раствором является сульфат аммония.

Место постройки проектируемой установки - город Ижевск. Последний корпус этой трёхкорпусной выпарной установки работает под разряжением.

Преимуществами такой выпарной установки являются:

1.  благодаря вакууму может быть создана большая полезная разность температур, что и даёт возможность осуществить многократное использование тепла и этим снизить расход пара на выпаривание;

2.   низкая температура кипения в последних корпусах служит большей гарантией от пригорания и разложения продукта в случае упаривания растворов органических веществ;

3.   большая гибкость выпарной установки в работе и приспособляемость к колебаниям нагрузки, так как конденсатор служит буфером, воспринимающим эти колебания.

Недостатки этой установки:

1.  несколько более сложное оборудование, так как необходимо иметь барометрический конденсатор смешения для создания вакуума;

2.  несколько большая площадь здания для установки под разряжением;

3.  потеря вторичного пара из последнего корпуса, используемого лишь частично в виде тепла охлаждающей воды в смеси с конденсатом при температуре около 500С;

4.  пониженная температура вторичного пара последних корпусов, это требует увеличения поверхности нагрева теплообменной аппаратуры, обогреваемой экстра-паром из выпарной установки.

2.  Описание технологической схемы выпарной установки.

Исходный разбавленный раствор из промежуточной ёмкости Е1 подаётся центробежным насосом в теплообменник Т, где исходный раствор подогревается до температуры кипения экстра-паром, отведённым из первого корпуса. Затем раствор подаётся в первый корпус выпарной установки АВ1.

Тип всех корпусов выпарной установки – выпарной аппарат с выносной греющей камерой и кипением в трубках. Здесь выпариваемый раствор поднимается по трубкам камеры, через подъёмную циркуляционную трубу поступает в сепаратор, откуда отделившийся вторичный пар, пройдя через брызгоуловитель, покидает аппарат. Раствор же опускается по нижней циркуляционной трубе в нижнюю часть нагревательной камеры, вновь поднимается по её трубам и т. д. Исходный раствор вводится в спускную циркуляционную трубу, а упаренный - отводится из нижней части сепаратора.

Первый корпус обогревается водяным паром, поступающим с ТЭЦ. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус АВ2. Как уже было ранее сказано, часть вторичного пара - экстра-пар – направляется в качестве греющего в теплообменник Т и на бытовые нужды. Во второй корпус АВ2 направляется частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус АВ3 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения КБ, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующейся паро-воздушной смеси вакуум-насосом. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подаётся в промежуточную ёмкость упаренного раствора Е2.

Конденсат греющего пара из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.

3. Теплотехнический расчёт выпарных аппаратов.

3.1. Расчёт общего количества выпаренной воды.

W = S0*(1-a0/a3) = 12000*(1-7/49) = 10285,7кг/ч

Предположим, что с учётом отвода экстра-пара в первом корпусе выпаренная вода между корпусами распределилась следующим образом:

 W2 = W3 = (W-E1)/3 = (10285,7-300)/3 = 3328,5 кг/ч

 W1 = W2+E1 =3328,5 +300 = 3628,5 кг/ч

Найдём концентрации а1 и а2:

 W1 = S0*(1-a0/a1)

 a1 = a0/(1-W1/s0)=7/(1-3628,5/12000) = 10,04% масс.

 W1+W2 = S0*(1-a0/a2)

 a2 = a0/(1-(W1+W2)/S0)=7/(1-6957/12000)=16,67% масс.

3.2. Расчет депрессий.

3.2.1. Гидравлические депрессии между корпусами принимаем равными 1.50С.

3.2.2. Температурные депрессии.

Для корпусов 1 и 2 депрессии берутся в предположении, что давления в них мало отличаются от атмосферного: d и d2 берутся при а1 и а2 как стандартные.

а1=10,04%масс. d =100,4-100,0=0,40С (1, стр. 37) 

а2=16,67%масс. d2 =1,20С (1, стр. 37)

Для третьего корпуса значения t3, d3 и q3 находятся строго, т. к. здесь точно известны концентрация а3 и давление Р3: по правилу Бабо, если нужно, то с поправкой Стабникова В.Н.

Согласно правилу Бабо, отношения давления паров растворителя над раствором Р к давлению паров над чистым растворителем Рs при температуре кипения раствора не зависит от рабочего давления и температуры его кипения:

 Р/Рs = (Р/Рs)ст = const

Т. о. Температура кипения раствора 49% (NH4)2SO4 при атмосферном давлении

t = 1070С. (3, стр. 510) Рsст = 1,294 бар=1,294*105 Па (2, стр. 17)

Const = (Р/Рs)ст =9,81*104/1,294*105 = 0,758

Тогда Рs=Р/ const=0,197/0,758=0,260 бар

По (2, стр. 23) находим искомую температуру кипения раствора, равную температуре кипения воды: t3 = 64,080С. Найдём q3:Р3=0,197 бар, то по (2, стр. 23) q3=58,70С.

Тогда d3реал = t3 - q3=64,08 - 58,7 = 5,38 0С.

3.3. Суммарная полезная разность температур:

Dс= Т1q3dd2-d3dгd2г = 147,1-58,7-0,4-1,2-5,38-1=80,420С

d2г примерно от 1 до 3 С. Принимаем dг = 1С

где давление греющего пара 0,4МПа (= 3,94ат), то по (2, стр.43) Т1=147,1 0С.

Dс=DD2+D3

D1:D2:D3=1 : 1,1 : 1,5

D1= 22,340С

D2= 24,570С

D3= 33,510С.

3.4. Заполнение предварительной таблицы.

Значения давлений и энтальпий взяты из (2, стр. 17).

3.5. Уточнение значений W1, W2, W3 .

Уточнение значений W1, W2, W3 на основе величин, содержащихся в предварительном варианте таблицы, путём совместного решения системы уравнений:

Q1=D1(h1-ck1T1)=S0c0(t1-t0)+W1(i1-cpt1)

Q2=(W1-E1)(h2-ck2T2)=S1c1(t2-t1)+W2(i2-cpt2)

Q3=W2(h3-ck3T3)=S2c2(t3-t2)+W3(i3-cpt3), которые описывают тепловые балансы корпусов (кроме первого корпуса) и дoполненный уравнением:

 W= W1+ W2+ W3.

Пусть X1 = h1 – ck1T1 = 2117,1 кДж/кг

X2 = h2 – ck2T2 = 2208,4 кДж/кг

X3 = h3 – ck3T3 = 2300,5 кДж/кг

Y1 = t1 – t0 = 21,7 0С

Y2 = t2 – t1 = -33,9 0С

Y3 = t3 – t2 = -46,0 0С

Z1 = i1 – cpt1 = 2193,3 кДж/кг

Z2 = i2 – cpt2 =2279,9 кДж/кг

Z3 = i3 – cpt3 = 2390,8 кДж/кг, где Со – теплоёмкость исходного раствора (10% (NH4)2SO4 при температуре кипения t0 = 101,5 0С): Со=3,65 кДж/кгК (4, стр.59).

По (3, стр.535) находим:

ck1 = 1,005 ккал/кгК = 4,21 кДж/кгК (при 150,0 0С)

ck2 = 1,002 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 118,8 0С)

ck3 = 1,000 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 83,6 0С)

cp =4,18 кДж/кгК

Т.о., W1 = X2E2/(X2+cpY2) + Soc0Y2/(X2+cpY2)+ +Z2W2/(X2+cpY2) = 1,1031 W2 +2009,7

W2 = Y3S0c0/(X3+cpY3+Z3) + Z3W/(X3+cpY3+Z3)-(cpY3+Z3) * W1/(X3+cpY3+Z3) = -0,4887 W1 +5630,7

Решая систему уравнений, получим:

W1 = 5342 кг/ч

W2 = 3021 кг/ч

W3 = 3638 кг/ч.

3.6. Расчёт предварительных значений тепловых потоков:

Q1 = S0c0(t1-t0)+W1(i1-cpt1) = =20000*3,65*21,7+5342*2193,3=13,3*106 кДж/ч = 3,69*106 Вт

Q2=(W1-E1)(h2-ck2T2)=(5342-3000)*2208,4=5,17*106 кДж/ч= =1,44*106 Вт

Q3=W2(h3-ck3T3)=3021*2300,5=6,95*106 кДж/ч =1,93*106 Вт.

3.7. Расчёт комплексов А1, А2, А3, Во1, Во2, Во3.

3.7.1. A-комплекс, включающий теплофизические величины и зависящие от температур Т.

Примем высоту труб Н = 4000мм = 4м.

Для вертикальных труб:

А=0,94(l3r2rg/mH)1/4

Справочные данные: l,r, m - (3,стр.512); r- (3, стр. 523).

Ускорение свободного падения g = 9,82 м/с2. Заполним таблицу:

3.7.2. Во – коэффициенты отражающие свойства кипящего раствора и зависящие от давлений а, следовательно, и температур кипения в корпусах:

B0i = B0iB*j3,33, где B0iB = 46р0,57,

j - относительный коэффициент теплоотдачи для водных растворов неорганических веществ. j при пузырьковом кипении (NH4)2SO4 при атмосферном давлении найдем из графика зависимости j-а. График 1 строим на основании данных таблицы (1, стр. 40):

при а=10% j = 0,84

а=20% j = 0,68

На основании данных графика, заполняем таблицу:

Страницы: 1, 2