Содержание
1. Введение
2. Задание
3. Расчетная часть
4. Заключение
5. Список литературы
Приложения
Введение
Выпариванием называется процесс концентрирования жидких растворов твёрдых веществ при температуре кипения путём частичного удаления растворителя в парообразном состоянии.
Концентрирование растворов методом выпаривания - один из наиболее распространённых технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности.
Концентрированные растворы, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.
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 выносными и соосными 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 данной курсовой работе рассчитывается трехступенчатая выпарная установка поверхностного типа с естественной циркуляцией. Выпариваемым раствором является каустическая сода (NaOH).
Преимущества аппаратов с естественной циркуляцией:
. Высокий коэффициент теплопередачи при большой разности температур.
. Простота механической очистки от накипи.
. Относительно невысокая стоимость.
Недостатки аппаратов с естественной циркуляцией:
. Низкий коэффициент теплопередачи при малой разности температур и низкой температуре кипения.
. Плохая теплопередача при выпаривании вязких жидкостей.
. Большие производственные площадь и масса.
. Относительно большое время пребывания продукта в аппарате.
Области применения аппаратов с естественной циркуляцией:
. Выпаривание чистых растворов.
. Выпаривание малоагрессивных жидкостей (корпус из химически стойких материалов имеет очень высокую стоимость).
. Выпаривание растворов, образующих мягкую накипь, допускающую механическую очистку поверхности теплообмена.
Задание
Рассчитать прямоточную выпарную установку для концентрирования 50 т/ч 7% водного раствора каустической соды (NaOH). Конечная концентрация раствора 40 % (масс). Раствор поступает на выпарку подогретым. Абсолютное давление греющего водяного пара 1,3 МПа. Высота греющих труб 4м. Давление в барометрическом конденсаторе 0,02 МПа. Число часов использования расчетной производительности 7500 ч/год. Стоимость пара 800 руб/Гкал. Затраты за теплосъем в конденсаторе 40 руб/Гкал. Стоимость площади нагрева 23000 руб/м2.
Расчетная часть
1) Общее количество выпаренной воды из уравнения материального баланса
,
2) В первом приближении количество выпаренной воды по корпусам принимаем равным, т.е.
3) Концентрации раствора на выходе из ступеней
;
;
;
;
4) Распределение перепада давлений по ступеням:
Разность между давлением греющего пара и давлением пара в барометрическом конденсаторе
;
На каждый корпус примем
;
Абсолютные давления по корпусам:
В I корпусе 
;
Во II корпусе 
;
В III корпусе 
;
В IV корпусе 
;
5) Определение по паровым таблицам температуры конденсации вторичного пара и удельные теплоты парообразования для принятых давлений
| № ступени | p, МПа | ts, С | r, кДж/кг |
| греющий пар | 1,3 | 191,6 | 1971,3 |
| 0,98 | 179,01 | 2017,5 | |
| 0,66 | 162,6 | 2073,7 | |
| 0,34 | 137,86 | 2151,3 | |
| 0,02 | 60,09 | 2358,1 |
6) По конечным концентрациям раствора 
с помощью таблицы определяем температуру кипения раствора и температурную депрессию
:
№ ступени Концентрация NaOH, % Температура кипения при н. у., С Температурная депрессия при н. у. 
Температурная депрессия (перерачет)
| ||||
| 8,82 | 102,5 | 2,5 | 4,0 | |
| 11,91 | 103,7 | 3,7 | 5,4 | |
| 18,34 | 107,0 | 7,0 | 8,9 | |
| 39,98 | 127,0 | 27,0 | 18,3 |
В связи с тем, что "нормальная” температурная депрессия выбрана для атмосферного давления, а давление вторичного пара по корпусам отличается от атмосферного, то необходимо провести перерасчет температурной депрессии по формуле
,
где 
температура вторичного пара, К;
rв - теплота парообразования воды при температуре вторичного пара, кДж/кг.
,
Суммарная температурная депрессия составит
7) Расчет температурных потерь от гидростатического эффекта
Для определения температурных потерь за счет гидростатического эффекта необходимо рассчитать оптимальный уровень заполнения греющих трубок и давления раствора в аппаратах на уровне половины длины греющих трубок (у середины греющих трубок).
Определяем плотность раствора при t=80 С
| № ступени | концентрация NaOH, % | ρр, кг/м3 |
| 8,82 | 1050,0 | |
| 11,91 | 1084,0 | |
| 18,34 | 1145,0 | |
| 39,98 | 1358,0 |
Оптимальную высоту заполнения трубок раствором находим по эмпирической формуле
где 
длина греющих трубок, м.
Гидростатическое давление столба у середины греющих трубок
Давление раствора в корпусах у середины греющих трубок
, 
По данным 
находим значения температур конденсации пара у середины греющих трубок 
и рассчитываем значения потерь температур за счет гидростатического эффекта (гидростатическую депрессию):
Суммарные потери температуры за счет гидростатического эффекта составят
8) Определение температурных потерь от гидравлических сопротивлений 
9) Температурные потери по ступеням
| № корпуса |  ,   ,  , ΣΔ,
| |||
| 4,0 | 0,2 | 5,2 | ||
| 5,4 | 0,5 | 6,9 | ||
| 8,9 | 1,0 | 10,9 | ||
| 18,3 | 15,9 | 35,2 | ||
| ВСЕГО | 36,6 | 58,2 |
10) Суммарная полезная разность температур для МВУ
11) Определение температуры кипения раствора по ступеням
12) Определение температур греющего пара по корпусам равна температуре конденсации по ступеням
13) Расчет параотбора по ступеням
с0=4,11 кДж/кг·К (t=140 С)
14) Расчет количества выпариваемой воды по ступеням МВУ
15) Расчет расхода раствора на выходе из ступеней
16) Расчет концентраций раствора по ступеням
Так как изменились концентрации растворов по ступеням необходимо повторить расчет с 6 пункта.
ПЕРЕСЧЕТ С 6 ПУНКТА
) По конечным концентрациям раствора 
с помощью таблицы определяем температуру кипения раствора и температурную депрессию 
:
№ ступени Концентрация NaOH, % Температура кипения при н. у., С Температурная депрессия при н. у. 
Температурная депрессия (перерасчет)
| ||||
| 9,66 | 102,82 | 2,82 | 4,6 | |
| 14,57 | 105,0 | 5,0 | 7,4 | |
| 25,22 | 113,53 | 13,53 | 17,2 | |
| 39,87 | 127,80 | 27,80 | 21,2 |
В связи с тем, что "нормальная” температурная депрессия выбрана для атмосферного давления, а давление вторичного пара по корпусам отличается от атмосферного, то необходимо провести перерасчет температурной депрессии по формуле
,
где 
температура вторичного пара, К;
rв - теплота парообразования воды при температуре вторичного пара, кДж/кг.
Суммарная температурная депрессия составит
) Расчет температурных потерь от гидростатического эффекта
Для определения температурных потерь за счет гидростатического эффекта необходимо рассчитать оптимальный уровень заполнения греющих трубок и давления раствора в аппаратах на уровне половины длины греющих трубок (у середины греющих трубок).
Определяем плотность раствора при t=80 С
| № ступени | концентрация NaOH, % | ρр, кг/м3 |
| 9,66 | 1059,2 | |
| 14,57 | 1109,5 | |
| 25,22 | 1213,4 | |
| 39,87 | 1354,0 |
Оптимальную высоту заполнения трубок раствором находим по эмпирической формуле
где
длина греющих трубок, м.
Гидростатическое давление столба у середины греющих трубок
Давление раствора в корпусах у середины греющих трубок
По данным 
находим значения температур конденсации пара у середины греющих трубок 
и рассчитываем значения потерь температур за счет гидростатического эффекта (гидростатическую депрессию):
Суммарные потери температуры за счет гидростатического эффекта составят
19) Определение температурных потерь от гидравлических сопротивлений
;
20) Температурные потери по ступеням
| № корпуса |  ,   ,  , ΣΔ,
| |||
| 4,6 | 0,4 | 6,0 | ||
| 7,4 | 0,5 | 8,9 | ||
| 17,2 | 1,3 | 19,5 | ||
| 21,2 | 15,9 | 38,1 | ||
| ВСЕГО | 50,4 | 19,8 | 72,5 |
21) Суммарная полезная разность температур для МВУ
22) Определение температуры кипения раствора по ступеням
23) Определение температур греющего пара по корпусам равна температуре конденсации по ступеням
24) Расчет параотбора по ступеням с0=4,11 кДж/кг·К (t=140 С)
25) Расчет количества выпариваемой воды по ступеням МВУ
26) Расчет расхода раствора на выходе из ступеней
27) Расчет концентраций раствора по ступеням
ВТОРОЙ ПЕРЕСЧЕТ С 6 ПУНКТА
) По конечным концентрациям раствора 
с помощью таблицы определяем температуру кипения раствора и температурную депрессию
:
№ ступени Концентрация NaOH, % Температура кипения при н. у., С Температурная депрессия при н. у. Температурная депрессия (перерачет)
| ||||
| 9,57 | 102,78 | 2,78 | 4,5 | |
| 14,29 | 104,87 | 4,87 | 7,2 | |
| 25,36 | 113,64 | 13,64 | 17,3 | |
| 39,87 | 128, 19 | 28, 19 | 21,5 |
В связи с тем, что "нормальная” температурная депрессия выбрана для атмосферного давления, а давление вторичного пара по корпусам отличается от атмосферного, то необходимо провести перерасчет температурной депрессии по формуле
,
где температура вторичного пара, К;
rв - теплота парообразования воды при температуре вторичного пара, кДж/кг.
Суммарная температурная депрессия составит
) Расчет температурных потерь от гидростатического эффекта
Для определения температурных потерь за счет гидростатического эффекта необходимо рассчитать оптимальный уровень заполнения греющих трубок и давления раствора в аппаратах на уровне половины длины греющих трубок (у середины греющих трубок).
Определяем плотность раствора при t=80 С
| № ступени | концентрация NaOH, % | ρр, кг/м3 |
| 9,57 | 1058,2 | |
| 14,29 | 1106,5 | |
| 25,36 | 1214,0 | |
| 39,87 | 1356,9 |
Оптимальную высоту заполнения трубок раствором находим по эмпирической формуле
где длина греющих трубок, м.
Гидростатическое давление столба у середины греющих трубок
Давление раствора в корпусах у середины греющих трубок
По данным 
находим значения температур конденсации пара у середины греющих трубок 
и рассчитываем значения потерь температур за счет гидростатического эффекта (гидростатическую депрессию):
Суммарные потери температуры за счет гидростатического эффекта составят
30) Определение температурных потерь от гидравлических сопротивлений 
;
31) Температурные потери по ступеням
| № корпуса |  ,  , , ΣΔ,
| |||
| 4,5 | 0,4 | 5,9 | ||
| 7,2 | 0,5 | 8,7 | ||
| 17,3 | 1,3 | 19,6 | ||
| 21,5 | 15,9 | 38,4 | ||
| ВСЕГО | 50,5 | 19,8 | 72,6 |
32) Суммарная полезная разность температур для МВУ
33) Определение температуры кипения раствора по ступеням
34) Определение температур греющего пара по корпусам равна температуре конденсации по ступеням
35) Расчет параотбора по ступеням с0=4,11 кДж/кг·К (t=140 С)
36) Расчет количества выпариваемой воды по ступеням МВУ
37) Расчет расхода раствора на выходе из ступеней
38) Расчет концентраций раствора по ступеням
39) Расчет коэффициента теплопередачи осуществляется с помощью Microsoft Excel и PascalABC, используя метод половинного деления доверительного интервала.
α1 - коэффициент теплоотдачи от пара стенке
α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки пару
Аt - функция, зависящая от температуры конденсации пара.
Φ - множитель, учитывающий физические свойства жидкости.
m1=-0,25, m2=2,33
Толщина стенки δ=3 мм. λ=46,5Вт/м2·К.
| № ступени | b, % | ср, | ρр, кг/м3 | μр, мПас | λр, Вт/м2 | φ | Аt | А1 | А2 | ΔТ, K |
| 9,57 | 3,98 | 1058,2 | 0,251 | 0,736 | 0,993 | 7517,0 | 10843,3 | 365,9 | 6,7 | |
| 14,27 | 3,81 | 1106,3 | 0,378 | 0,74 | 0,899 | 7495,3 | 10811,9 | 219,0 | 7,7 | |
| 25,31 | 3,44 | 1213,5 | 0,661 | 0,745 | 0,754 | 7427,5 | 10714,2 | 90,4 | 5,2 | |
| 39,87 | 3,04 | 1356,9 | 0,947 | 0,746 | 0,625 | 7320,5 | 10559,8 | 24,8 | 39,4 |
Составляем функцию
Получаем
| № ступени | K, Вт/м К |
| 1038,95 | |
| 1054,17 | |
| 725, 19 | |
| 1157,71 |
40) Пароотбор по ступеням
41) Количество выпаренной воды
42) Расчет факторов пропорциональности
43) Распределение полезной разности температур по ступеням
44) Расчет уточненных температур кипения по корпусам
45) Расчет уточненных температур греющего пара по ступеням
46) Расчет температуры вторичных паров
47) Уточнение давления и удельной теплоты парообразования по ступеням
| № ступени | tвтор ,̊ С | r, кДж/кг | P, МПа |
| 169,1 | 2017,5 | 0,773 | |
| 161,4 | 2073,7 | 0,639 | |
| 154,2 | 2152,3 | 0,531 | |
| 81,3 | 0,049 |
Так как уточненные температуры кипения отличаются от тех, что приняты в начале расчета, то необходимо провести повторный расчет,
ПЕРЕСЧЕТ С 28 ПУНКТА I
48) Расчет коэффициента теплопередачи
| № ступени | b, % | ср, | ρр, кг/м3 | μр, мПас | λр, Вт/м2 | φ | Аt | А1 | А2 | ΔТ, K |
| 9,57 | 3,98 | 1058,2 | 0,251 | 0,736 | 0,993 | 7509,6 | 10835,0 | 359,9 | 16,8 | |
| 14,27 | 3,81 | 1106,3 | 0,378 | 0,74 | 0,899 | 7487,7 | 10804,4 | 210,3 | 15,2 | |
| 25,31 | 3,44 | 1213,5 | 0,661 | 0,745 | 0,754 | 7413,2 | 10707,1 | 83,4 | 13,5 | |
| 39,87 | 3,04 | 1356,9 | 0,947 | 0,746 | 0,625 | 7309,1 | 10552,8 | 21,8 | 6,5 |
Получаем
| № ступени | K, Вт/м К |
| 1293,17 | |
| 1227,48 | |
| 1089,98 | |
| 554,32 |
49) Расчет параотбора по ступеням
с0=4,11 кДж/кг· К (7 %, t=140̊С)
) Расчет количества выпаренной воды по ступеням МВУ
51) Расчет факторов пропорциональности
) Распределение полезной разности температур по ступеням
53) Расчет уточненных температур кипения по корпусам
54) Расчет уточненных температур греющего пара по ступеням
многоступенчатая выпарная установка теплоотдача
55) Расчет температуры вторичных паров
56) Уточнение давления и удельной теплоты парообразования по ступеням
| № ступени | tвтор ,̊ С | r, кДж/кг | P, МПа | |
| 162,3 | 2017,5 | 0,665 | ||
| 2073,7 | 0,313 | |||
| 2152,3 | 0,143 | |||
| 81,8 | 0,049 | |||
ПЕРЕСЧЕТ С 38 ПУНКТА II
57) Расчет коэффициента теплопередачи
| № ступени | b, % | ср, | ρр, кг/м3 | μр, мПас | λр, Вт/м2 | φ | Аt | А1 | А2 | ΔТ, K |
| 9,57 | 3,98 | 1058,2 | 0,251 | 0,736 | 0,993 | 7512,6 | 10838,0 | 363,9 | 13,5 | |
| 14,27 | 3,81 | 1106,3 | 0,378 | 0,74 | 0,899 | 7491,7 | 10807,4 | 214,0 | 12,5 | |
| 25,31 | 3,44 | 1213,5 | 0,661 | 0,745 | 0,754 | 7416,2 | 10710,1 | 87,4 | 11,5 | |
| 39,87 | 3,04 | 1356,9 | 0,947 | 0,746 | 0,625 | 7313,1 | 10558,8 | 23,8 | 21,7 |
Получаем
| № ступени | K, Вт/м К |
| 1259,83 | |
| 1185,18 | |
| 1037,06 | |
| 1029,73 |
58) Расчет параотбора по ступеням
59) Расчет количества выпаренной воды по ступеням МВУ
60) Расчет факторов пропорциональности
62) Распределение полезной разности температур по ступеням
63) Расчет уточненных температур кипения по корпусам
64) Расчет уточненных температур греющего пара по ступеням
65) Расчет температуры вторичных паров
66) Уточнение давления и удельной теплоты парообразования по ступеням
| № ступени | tвтор ,̊ С | r, кДж/кг | P, МПа | |
| 160,9 | 2017,5 | 0,663 | ||
| 132,5 | 2073,7 | 0,290 | ||
| 106,4 | 2152,3 | 0,127 | ||
| 74,5 | 0,037 | |||
67) Расчет площади поверхности теплопередачи
) Расход греющего пара I ступени
Заключение
В данной курсовой работе был произведен расчет многоступенчатой выпарной установки поверхностного типа. Выпариваемый раствор NaOH.
Результаты расчета:
| 1 ступень | 2 ступень | 3 ступень | 4 ступень | |
| температура греющего пара, ̊ С | 191,6 | 159,9 | 131,5 | 105,4 |
| температура кипения раствора, ̊ С | 173,4 | 116,9 | 95,2 | |
| концентрация раствора, % | 9,57 | 14,27 | 25,31 | 39,98 |
| расход раствора на выходе, кг/с | 9,813 | 6,555 | 3,827 | 2,236 |
| количество выпаренной воды кг/с | 4,075 | 3,258 | 2,524 | 1,591 |
| количество параотбора кг/с | 0,817 | 0,734 | 0,933 | - |
| коэффициент теплопередачи, Вт/м2К | 1259,83 | 1185,18 | 1037,06 | 1029,73 |
| площадь поверхности корпусов, м2 | 358,5 | 358,5 | 358,7 | 357,1 |
5) Приложение. Программа для расчёта коэффициента теплоотдачи
Const A1=10825.9;=232.0;=-0.25;=2.33;=6.9;=0.0005;
function f (x: real): real;
Begin
f: =exp (ln (abs (A1)) * ((-1) / (1+m1))) *exp (ln (abs (x)) * (1/ (1+m1))) *exp (ln (abs (T1)) * (-m1/ (1+m1))) +exp (ln (abs (A2)) * (-1/ (1+m2))) *exp (ln (abs (x)) * (1/ (1+m2))) *exp (ln (abs (T1)) * (-m2/ (1+m2))) +R*x-1;
end;
const MaxSteps=200;
var a0,b0,a,b,eps,fa,fb,t,ft: real;
step: integer;
Begin
writeln ('Нахождение корней функции методом половинного деления: ');
writeln (' Input a0: '); readln (a0);(' Input b0: '); readln (b0);: =0.001; {writeln (' Input eps: '); readln (eps); }: =f (a0); fb: =f (b0);
if ( fa*fb>0) then
Begin
writeln (' На заданном промежутке корней нет. ');
halt;
end;: =a0; b: =b0;: =0; t: =a; ft: =fa;
while ( abs (b-a) >eps) and ( step<MaxSteps) do
inc (step);: = (a+b) /2;: =f (t);
if ( fa*ft>0) then
fa: =ft;: =t;
End
b: =t;('step: ',step: 4,' t=',t,' f (t) =',ft);
end;
if ( step>MaxSteps)
then writeln ('Отсутствие сходимости. Уточните промежуток. ')
else writeln ('Найден корень с заданной точностью. ');
end.
Список литературы
1. Павлов К.Ф., Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - Л.: Химия, 1987 - 576 с.
. Плановский А.Н., Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А.Н. Плановский, П.И. Николаев. - М.: Химия, 1987-496 c.
. Ривкин С.Л., Теплофизические свойства воды и водяного пара/ С.Л. Ривкин, А.А. Александров. - М.: Энергия, 1980-423 с.
Приложения
Схема МВУ
