Выпарная установка К2СО3

 

4.5 Выбор конструктивного материала

 

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора Са₂СO₃в интервале изменения концентраций от 7 до 47 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки XI7. Скорость коррозии ее менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λ_ст = 25,1 Вт/(м · К).

 

4.6 Расчёт коэффициентов теплопередачи

 

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса K₁ определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

                                                                       (13)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

(м² · К)/Вт

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке равен [1]:

                                                                     (14)

где r₁ — теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

ρ_ж1, λ_ж1, μ_ж1 — соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность Вт/(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки t_пл = t_r1-∆t₁/2, где ∆t₁ — разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет α₁ ведут методом последовательных приближений.

В первом приближении примем ∆t₁ = 2,0 град.

Тогда

= Вт/(м²·К),

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору показано на рисунке

 

 

Рисунок 15 Распределение температур в процессе теплопередачи от пара к кипящему раствору через многослойную стенку:

1 – пар; 2 – конденсат; 3 – стенка; 4 – накипь; 5 – кипящий раствор

град

Тогда

град

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен:

                                                   (15)

Вт/(м²·К)

Физические свойства раствора в условиях кипения приведены в таблице 5 .

 

Таблица 5

 

Параметр	Корпус
	1	2	3
Теплопроводность раствора λ, Вт/(м∙К)	0,58	0,59	0,69
Плотность раствора ρ, кг/м3	1044	1130	1535
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг∙К)	3670	3440	2732
Вязкость раствора μ, Па∙с	0,1·10-3	0,29·10-3	0,7·10-3
Поверхностное натяжение σ, Н/м	0,058	0,066	0,099
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2036∙103	2124∙103	2330∙103
Плотность пара ρ, кг/м3	3,54	2,1	0,095

 

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Вт/м²

Вт/м²

Как видим,

Для второго приближения примем ∆t₁ = 3,5 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0 град, рассчитываем α₁ по соотношению:

Вт/(м²∙К)

Тогда получим:

град

град

Вт/(м²∙К)

Вт/м²

Вт/м²

Очевидно, что .

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и при помощи программы Auto CAD  точно определяем = 3,2 град.

Отсюда получим:

Вт/(м²∙К)

град

град

Вт/(м²∙К)

Вт/м²

Вт/м²

Как видим,  .

Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 %, на этом расчет коэффициентов α₁ и α₂ закончим.

Находим К₁:

Вт/(м²∙К)

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂.

В первом приближении примем ∆t₁ =4,0 град.

Вт/(м²∙К)

град

град

 

Вт/(м²·К)

Вт/м²

Вт/м²

Как видим,

Для второго приближения примем ∆t₁ = 8,0 град.

Вт/(м²∙К)

град

град

Вт/(м²∙К)

Вт/м²

Вт/м²

Как видим,

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем = 7,1 град.

Вт/(м²∙К)

град

град

Вт/(м²∙К)

Вт/м²

Вт/м²

Как видим,  .

Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 %, на этом расчет коэффициентов α₁ и α₂ закончим.

Вт/(м²∙К)

Рассчитаем теперь коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К₃

В первом приближении примем ∆t₁ =30,0 град.

Вт/(м²∙К)

град

град

Вт/(м²·К)

Вт/м²

Вт/м²

Как видим,

Для второго приближения примем ∆t₁ = 32,0 град.

Вт/(м²∙К)

град

  град

Вт/(м²∙К)

Вт/м²

Вт/м²

Как видим,

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем = 30,2 град.

Вт/(м²∙К)

град

  град

Вт/(м²∙К)

Вт/м²

Вт/м²

Как видим,  .

Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 %, на этом расчет коэффициентов α₁ и α₂ закончим.

Найдем K₃.

Вт/(м²∙К)

 

1.7 Распределение полезной разности температур

 

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

где - полезная разность температур для j-го корпуса;

      Q_j, тепловая нагрузка для j-го корпуса;

       K_j - коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

град

град

град

Проверим общую полезную разность температур установки:

град

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (1)

м²

м²

м²

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности F_ор.

Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условия равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур  представлено ниже:

 

	Корпус
	1	2	3
Распределённые в 1-м приближении значения ,0С	22,77	41,5	41,33
Предварительно рассчитанные значения ,0С	14,33	22,76	68,51

 

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки.

В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

 

1.8 Уточненный расчёт поверхности теплопередачи

 

Второе приближение. В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах, где суммарные температурные потери незначительны, во втором приближении принимаем такие же значения , и для каждого корпуса, как в первом приближении.

Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены в таблице

 

Таблица 6 Параметры растворов и паров по корпусам после перераспределения температур

 

Параметры	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде ω, кг/с	2,75	3,02	3,21
Концентрация растворов х, %	9,4	15,2	47,0
Температура греющего пара в 1-м корпусе tr1, 0С	191,6	-	-
Полезная разность температур , град	22,77	41,5	41,33
Температура кипения раствора tк=tr - , 0С	168,83	132,5	105,6
Температура вторичного пара tВП=tк – ( ), 0С	166,56	129,26	87,81

 

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

 

Q₁ = 5946 кВт;

Q₂ = 5829 кВт;

Q₃ = 6653 кВт;

 

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам:

К₁= 2246 Вт/(м²∙К)

К₂= 1208 Вт/(м²∙К)

К₃= 1382 Вт/(м²∙К)

 

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

где - полезная разность температур для j-го корпуса;

       Q_j, тепловая нагрузка для j-го корпуса;

        K_j - коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

град

град

град

Проверка суммарной полезной разности температур:

Сравнение полезных разностей температур, полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведем ниже:

 

Таблица 7

 

	Корпус
	1	2	3
Значения во 2-м приближении, 0С	22,52	41,25	41,83
Значения в 1-м приближении, 0С	22,77	41,5	41,33

 

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышают 5 %.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

 

 

 

 

Заключение

 

В курсовом проекте был  изучен процесс выпаривания. Выбрана  и описана принципиальная схема  трехкорпусной выпарной установки, рассмотрено устройство выпарных аппаратов с естественной циркуляцией, и вынесенной греющей камерой. Приведены расчеты основного аппарата и по окончанию были получены следующие данные:

 

Данная работа содержит:

Таблиц - 7

Рисунков – 15                                                                                                         

Источников литературы -4

 

Основные показатели, полученные при расчёте, сведены  в таблицу.

По- ГОСТ 11987—81  выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками (см. [2] Приложение V.2):

 

Номинальная поверхность теплообмена	FH	125 м3
Диаметр труб	d	38х2 мм
Высота труб	Н	4000 мм
Диаметр греющей камеры, не менее	dК	1000 мм
Диаметр сепаратора, не более	dС	2200 мм
Диаметр циркуляционной трубы, не более	dЦ	700 мм
Общая высота аппарата, не более	На	13500 мм
Масса аппарата, не более	Ма	11500 кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л., Химия, 1976.
2. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Москва, Химия, 1983.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е, М., Химия, 1973.
4. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчёты. Л., Химия, 1977.