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

1

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



W1 1

Gв tв’

VГ

Г2

Г1

T2   D2 

    h2

Cк2 Dкр T2

t2 C2

S2 a2

W1 - E1

i1

E1

Cк Dк T1

t1 C1

S1 a1

Pг h1

Dг Tг 

to Co

So ao 

P1

P2

W2 2

i2
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

= 3,91-6 м2/с

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

rр = 2304 кДж/кг

tнас = 100,7 ˚C

r = 2253 кДж/кг

657Вт/мК

б) Пересчет единиц



Количество передаваемого тепла от конденсатора к воде

Q = Sorр = 3,33кг/с2304 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·s = 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, -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/кгград	[1]

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

Теплоемкость растворителя		Cр = 4,20 кДж/кгград	[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/м2K. 	 [м2]

С = 0,943		[5, стр. 149]

A0I = 13,0103, 	A0II = 12,2103		[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/мК.  = 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]10-3 = [0,025(22,51 + 1,346) + 101,346]10-3 = 14,0610-3 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	2

		4.	Расчет коэффициента теплопередачи	3

		5.	Расчет поверхности теплообмена	3

	Расчет двухкорпусной выпарной установки	3

	Исходные данные:	3

	а) Справочные данные из [1] и [2]	3

	б) Пересчет единиц	3

		1.	Расчет количества выпаренной воды и распределение ее по корпусам. Расчет концентрации a1	4

		2.	Расчет температурных депрессий и температур кипения	4

		3.	Суммарная полезная разность температур	4

		4.	Таблица первого приближения	5

		5.	Уточнение значений Wi (W1, W2)	5

		6.	Подготовка к расчету поверхности теплообмена	6

	а) Расчет AI и AII.	6

	б) Расчет BоI и BоII.	6

		7.	Расчет комплексов для расчетного уравнения	6

		8.	Определение поверхности теплообмена F	7

		9.	Уточнение 1 и 2	7

		10.	Уточненный конечный вариант таблицы	7

		11.	Новая проверка Wi и Qi	7

		12.	Сопоставление значений QI и QII и Q’I и Q’II	8

		13.	Расход греющего пара в первом корпусе	8

	Расчет барометрического конденсатора	8

		1.	Расход воды на конденсацию	8

		2.	Расчет потока газа, который образуется в конденсаторе	8

	а) Расчет расхода парогазовой смеси	8

	б) Расчет температуры парогазовой смеси	8

	в) Парциальное давление газа	8

	г) Объемный поток отсасываемого газа (по ур-ю Менделеева-Клапейрона)	8

		3.	Расчет барометрической трубки	9

	а) Расчет диаметра барометрической трубки по уравнению Бернулли	9

	б) Высота барометрической трубы (по уравнению Бернулли)	9

	Список литературы	9

	Содержание	10