Задание на расчёт двухкорпусной прямоточной выпарной установки




Требуется выпаривать = 4,72 кг/с водного раствора сульфата аммония ((NH4)2SO4) от начальной концентрации = 14% масс. до конечной концентрации (во II корпусе) = 45% масс. Температура раствора на входе в I корпус =102 . Первый корпус обогревается насыщенным водяным паром с давлением . Из I корпуса отбирается поток экстра-пара кг/с. Остаточное давление во II корпусе .

Оба корпуса выпарной установки изготавливаются из стали марки ОХ21Н5Т (теплопроводность такой стали )

 

 

Определить

1) Поверхности теплообмена корпусов (условие равенства).

2) Расход греющего пара Dгр.

 

 

Расчётная схема двухкорпусной выпарной установки

 

Схема узла выпаривания в виде двух корпусов с обозначениями потоков и характеристик процесса представлена на рис.1. Обозначения на схеме и в формулах совпадают с принятыми в учебнике [1] с одним исключением: вместо ср (теплоемкость растворителя) в учебнике здесь будет (теплоемкость воды).

 

Следует отметить, что полная технологическая схема выпарной установки помимо узла выпаривания включает также подогреватель исходного раствора, насос, блок создания вакуума, ёмкости, конденсатоотводчики [4] и при выполнении курсового проекта должна быть представлена в полном объёме.

 

 

Рис.1 Схема 2-х корпусной установки

 

Описание технологической схемы выпарной установки в двух корпусах

 

Водный раствор сульфата аммония с параметрами = 4,72 кг/с; =102 ; = 14% масс. поступает в I корпус, обогреваемый греющим паром. Раствор в трубах кипит при температуре и в виде смеси (пар + жидкость) поступает в сепарационное пространство, где происходит её разделение на вторичный пар с параметрами ; и упаренный раствор с параметрами ; , которые выводятся из корпуса.

Упаренный раствор из I корпуса переходит во II корпус. Во втором корпусе происходит его дальнейшее упаривание до заданной конечной концентрации за счёт теплоты, отдаваемой при конденсации вторичного пара, поступающего из I корпуса. Часть вторичного пара из I корпуса в виде экстра-пара Е идёт на производственные нужды. Циркуляция раствора в аппарате естественная.

Вторичный пар из II корпуса с параметрами ; поступает в барометрический конденсатор смешения [1], где он, контактируя с водой, конденсируется, значительно уменьшая свой объём, в результате чего образуется вакуум.

 

 

Расчет установки.

 

Выполнен строго по предложенному в [1] на стр. 714 алгоритму

 

4.1. Общее количество выпаренной воды

Предварительное распределение W по корпусам выполним с учетом отбираемого экстра-пара :

Проверка:

4.2. Концентрация раствора в I корпусе находится из формулы , отсюда:

 

Температурную депрессию в I корпусе находим как стандартную по =21,5% масс (по таблице №3 приложения данного пособия): . Более удобно находить по графику (рис. 2.), построенному по табличным данным. Значения температурной депрессии различных солей в зависимости от концентрации приведены также в [2,3].

 

Рис. 2. Зависимость стандартной температурной депрессии от концентрации водного раствора (NH4)2SO4.

 

 

Расчет температуры кипения t2 и температурной депрессии d2 для II корпуса

При концентрации = 45% температура кипения раствора при атмосферном давлении (рис. 2) равна (следовательно, стандартная депрессия ).

Депрессия при малом давлении (во II корпусе) меньше стандартной и может быть рассчитана по правилу Бабó:

 

= константа Бабó (С)

 

Давление насыщенных паров воды при температуре кипения раствора (при стандартных условиях ) составляет (найдена по таблице №2 приложения данного пособия), так что константа Бабо равна: .

Тогда давление насыщенных паров воды при температуре кипения раствора будет равна:

 

 

По этому давлению в таблицах для насыщенного водяного пара (таблица №2 приложения данного пособия) находим температуру кипения раствора во II корпусе . Поскольку температура вторичного пара во II корпусе определяется по заданному и равна , то температурная депрессия, найденная по правилу Бабо равна

 

 

Истинная температурная депрессия для некоторых концентрированных растворов может рассчитана точно с помощью поправки [1]:

 

 

Расчет по предлагаемой в [1] методике возможен лишь для веществ с известными значениями дифференциальных теплот растворения. При отсутствии последних иногда пользуются поправкой Стабникова, приведенной в [3] в виде таблицы. По известным P/PS и остаточном давлении во II корпусе P2 (мм.рт.ст.) находим приближенно*

 

 

Рабочая температура кипения раствора во втором корпусе

 

 

Гидравлическую депрессию при переходе вторичного пара из I корпуса во II корпус принимаем равной

 

4.3. Суммарная полезная разность температур и её предварительное распределение

 

Суммарная полезная разность температур (формула (9.23) учебника [1]):

 

 

Здесь Т1 = 138 найдена по давлению греющего пара в I корпусе .

Предварительно распределяем найденное значение на и в пропорции: . Так как + = , то находим = и =

4.4. Определение параметров ведения процесса в корпусах

Зная и заполняем таблицу предварительного варианта I приближения С использованием формул: , , , .

 

 

№   п/п Название Символ Ед. изм. I приближение II приближение
Предварительное Окончательное I корп. II корп.
I корп. II корп. I корп. II корп.
  Температура греющего пара Тг   100,2   100,5    
  Полезная разность температур 34,3 51,4 34,0 51,7    
  Температура кипящего раствора t 103,7 48,8   48,8    
  Температурная депрессия 1,8 3,4 1,8 3,4    
  Температура вторичных паров 101,9 45,4 102,2 45,4    
  Гидравлическая депрессия 1,7 1,7    
  Давление греющего пара Ргр бар 3,48 1,04 3,48 1,05    
  Давление в сепараторе P бар 1,08 0,101 1,09 0,101    
  Энтальпия Гр. пара h кДж кг            
Втор. пара i кДж кг            
  Концентрация раствора a % масс 21,5   21,0      
  Количество выпаренного растворителя W кг/с 1,653 1,597 1,573 1,677    
                         

 

Найденная по последней формуле температура кипения раствора во II корпусе t2 должна, естественно, совпадать с найденной в пункте 4.2 этого расчета. Это совпадение свидетельствует лишь о правильном заполнении таблицы. По найденным температурам греющего и вторичного паров находят недостающие давления (с помощью таблицы №2 Приложения данного пособия для водяного насыщенного пара), а также энтальпии этих паров (там же).

 

Расчет комплексов А1 и А2.

Для расчета этих величин необходимо задаться высотой труб в греющей камере выпарного аппарата в пределах от 2 до 6м. Лучше посмотреть высоту труб в аппаратах по каталогам [5,6]. Еще лучше принять ориентировочное значение коэффициента теплопередачи в первом корпусе на уровне , а именно: = 1800, тогда соответствующая поверхность теплообмена будет (значение Q1 берем из пункта 6 данного расчета*):

В каталогах [4,5] имеется вертикальный аппарат с вынесенной греющей камерой:

F = 63м2; высота труб Н = 4м; диаметр труб . Материал – сталь ОХ21H5T,

теплопроводность стали [3].

Для вертикальных труб – находим по таблице 1 Приложения данного пособия:

 

Температура
  T1=138 T2=100,2
Теплопроводность конденсата   0,685   0,683
Плотность конденсата    
Вязкость конденсата 204 282
Теплота парообразования    

 

При расчете комплексов А1 и А2 величину r необходимо подставлять в Дж /кг!

Тогда

 

Расчет величин B01 и B02.

 

Эти величины рассчитываются по формулам:

Для I корпуса

Для II корпуса

 

Здесь и - рабочие давления в корпусах, бар.

 

Относительные коэффициенты теплоотдачи в корпусах I и II для водных растворов неорганических веществ находим по формуле:

Для I корпуса молярная масса раствора М1 (при концентрации а1 = 0,215 кг/кг) рассчитывается с помощью формулы

, где и – молярные массы вещества и воды.

Для (NH4)2SO4 значение .

Для II корпуса M2:

 

Кинематическая вязкость воды при температуре ее кипения под атмосферным давлением равна (естественно, одна и та же при расчете разных корпусов)

Кинематические вязкости растворов и находим при их температурах кипения под атмосферном давлением в зависимости от концентрации (эти зависимости для двух веществ представлены на рис.3):

Рис. 3. Зависимость вязкости ν, м2/с (×106) кипящих под атмосферным давлением растворов (NH4)2SO4 и NaOH от концентрации [2].

 

 

Отношение в корпусах согласно правилу Бабо зависит лишь от концентрации раствора. Константа Бабо для раствора во II корпусе найдена ранее в пункте 2 расчета: .

 

В I корпусе при концентрации a1 = 21,5% температура кипения при атмосферном давлении равна 101,8 . Соответствующее этой температуре давление насыщенного водяного пара Ps = 1,12 атм, и константа Бабо в I корпусе равна . Тогда

 

4.5. Расчёт потоков W1 и W2 выпаренной воды в корпусах

Подставляя в формулу (9.20а) из [1] выражение получаем тепловой баланс для II корпуса в виде:

 

из которого получаем выражение для расчета :

 

Теплоемкость с0 для 14% водного раствора (NH4)2SO4 находим по таблице 4.4 в Приложении этого пособия или в [2] при температуре t1 = 103,7 : с0 =3,72 – найдена интерполяцией.

Итак, , следовательно

 

4.6. Определение тепловых нагрузок в корпусах

В I корпусе (по формуле (9.19) из [1]) находим

 

Во II корпусе (по левой формуле (9.20) из [1]):

 

 

4.7. Расчёт поверхности теплообмена в корпусах и соответствующее ей распределение по корпусам, т.е. значения и .

 

Находим F по (9.28а) из [1] для 2-х корпусной установки:

=

Находим F методом последовательной итерации, приняв F = 60 м2.

F F'
  3,914868 1564,165 17,56733 2429,035 56,02334
56,02334 3,826394 1600,332 16,74397 2315,188 55,11692
55,11692 3,805645 1609,057 16,55387 2288,903 54,91202
54,91202 3,800924 1611,056 16,51076 2282,943 54,8658
54,8658 3,799857 1611,508 16,50104 2281,598 54,85538

Итак, F = 54,86 м2.

 

С этой поверхностью теплообмена в корпусах находим разности температур в каждом корпусе; соответствующие тепловым нагрузкам Q1 и Q2 и условиям теплообмена:

Проверка правильности расчетов:

Полученная сумма точно совпадает с суммарной полезной разностью температур . При небольшом расхождении (до 1 ) разницу следует распределить между и , пропорционально их величинам.

 

4.8. Определение параметров ведения процесса по найденным и

Для этого заполняем таблицу окончательного варианта I приближения при значениях и найденных выше при полученной F (см. пункт 4 – порядок заполнения таблицы).

 

4.9. Уточнение величин W1 и W2 и тепловых нагрузок в корпусах

Уточняем величины W1 (из баланса II корпуса – см.пункт 5 этого расчета) и W2.

 

Итак, , следовательно

Тепловые нагрузки:

В I корпусе

Во II корпусе

 

4.10. Проверка правильности расчёта

Находим расхождения в значениях Qi по предварительному и окончательному вариантам I приближения:

 

Расхождения не превышают обусловленной погрешности в 5%.

При большем расхождении в значениях Qi для какого-либо корпуса необходима корректировка параметров ведения процесса. В этом случае расчёт проводят заново, ориентируясь на найденные в пункте 4.9 значения Wi, установленные в пункте 4.7 параметров процесса, уточненные температурные депрессии с учетом давлений в корпусах, а следовательно и . Вычисляют новые значения комплексов Аi и B0i и вновь решают уравнение (9.28) – находят F. С учетом нового значения поверхности теплообмена отыскивают распределение по корпусам. После реализации пунктов 4.8 и 4.9 этого алгоритма вновь сравнивают новые Qi с полученными в предыдущем расчёте и делают вывод о целесообразности следующего приближения.

 

Найденная в этом примере расчетная поверхность теплообмена каждого корпуса F = 54,86 м2 является окончательной.

 

Зная F, по каталогам [5,6] подбирается ближайший больший выпарной аппарат с высотой труб Н = 4м (так как это значение Н мы использовали при расчете A1 и A2) и толщиной стенок труб (тоже было принято в расчете).

 

Выбранный ранее (см. пункт 4 этого расчета) выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой (F = 63м2; высота труб Н = 4м; диаметр труб ) подходит.

 

Допускается превышение поверхности теплообмена выбранного аппарата по сравнению с рассчитанной на . В нашем примере запас в поверхности теплообмена составляет:

, что вполне допустимо.

 

Расход греющего пара в I корпусе находим по формуле (9.13) учебника [1]:

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица №1. Физические свойства воды на линии насыщения.

t, °C Р, бар Р, кг/м i, кДж/кг Ср, кДж/кгК X, Вт/мК ах106, м2 ^х106, Пахс vхl06, м2 Рх104, К-1 ах104, Нхм Pr
  1,013 999,9   4,212 0,560 13,2   1,789 - 0,63 756,4 13,5
  1,013 999,7 42,04 4,191 0,580 13,8   1,306 0,70 741,6 9,45
  1,013 998,2 83,91 4,183 0,597 14,3   1,006 1,82 726,9 7,03
  1,013 995,7 125,7 4,174 0,612 14,7 801,5 0,805 3,21 712,2 5,45
  1,013 992,2 167,5 4,174 0,627 15,1 653,3 0,659 3,87 696,5 4,36
  1,013 988,1 209,3 4,174 0,640 15,5 549,4 0,556 4,49 676,9 3,59
  1,013 983,1 251,1 4,179 0,650 15,8 469,9 0,478 5,11 662,2 3,03
  1,013 977,8 293,0 4,187 0,662 16,1 406,1 0,415 5,70 643,5 2,58
  1,013 971,8 335,0 4,195 0,669 16,3 355,1 0,365 6,32 625,9 2,23
  1,013 965,3 377,0 4,208 0,676 16,5 314,9 0,326 6,95 607,2 1,97
  1,013 958,4 419,1 4,220 0,684 16,8 282,5 0,295 7,52 588,6 1,75
  1,43 951,0 461,4 4,233 0,685 17,0 259,0 0,272 8,08 569,0 1,60
  1,98 943,1 503,7 4,250 0,686 17,1 237,4 0,252 8,64 548,4 1,47
  2,70 934,8 546,4 4,266 0,686 17,2 217,8 0,233 9,19 528,8 1,35
  3,61 926,1 589,1 4,287 0,685 17,2 201,1 0,217 9,72 507,2 1,26
  4,76 917,0 632,2 4,313 0,684 17,3 186,4 0,203 10,3 486,6 1,17
  6,18 907,4 675,4 4,346 0,681 17,3 173,6 0,191 10,7 466,0 1,10
  7,92 897,3 719,3 4,380 0,676 17,2 162,8 0,181 11,3 443,4 1,05
  10,03 886,9 763,3 4,417 0,672 17,2 153,0 0,173 11,9 422,8 1,03
  12,55 876,0 807,8 4,459 0,664 17,2 144,2 0,165 12,6 400,2 0,965
  15,55 863,0 852,5 4,505 0,658 17,0 136,4 0,158 13,3 376,7 0,932
  19,08 852,8 897,7 4,555 0,649 16,7 130,5 0,153 14,1 354,1 0,915
  23,20 840,3 943,7 4,614 0,640 16,5 124,6 0,148 14,8 331,6 0,898
  27,98 827,3 990,2 4,681 0,629 16,3 119,7 0,145 15,9 310,0 0,888
  33,48 813,6 1037,5 4,76 0,617 16,0 114,8 0,141 16,8 285,5 0,883
  39,78 799,0 1085,7 4,87 0,605 15,5 109,0 0,137 18,1 261,9 0,884
  46,94 784,0 1135,7 4,98 0,593 15,2 105,9 0,135 19.7 237,4 0,892
  55,05 767,9 1185,3 5,12 0,578 14,7 102,0 0,133 21,6 214,8 0,905
  64,19 750,7 1236,8 5,30 0,565 14,3 98,1 0,131 23,7 191,3 0,917
  74,45 732,3 1290,0 5,50 0,548 13,7 94,2 0,129 26,2 168,7 0,944
  85,92 712,5 1344,9 5,76 0,532 13,0 91,2 0,128 29,2 144,2 0,986
  98,70 691,1 1402,2 6,11 0,514 12,2 88,3 0,128 32,9 120,7 1,05
  112,90 667,1 1462,1 6,57 0,494 11,3 85,3 0,128 38,2 98,10 1,14
  128,65 640,2 1526,2 7,25 0,471 10,2 81,4 0,127 43,3 76,71 1,25
  146,08 610,1 1594,8 8,20 0,446 8,95 77,5 0,127 53,4 56,70 1,42
  165,37 574,4 1671,4 10,10 0,431 7,90 72,6 0,126 66,8 38,16 1,70
  186,74 528,0 1761,5 14,65 0,367 4,2 66,7 0,126   20,21 2,66
  210,53 450,5 1892,5 40,32 0,338 1,85 56,9 0,126   4,709 6,80

Таблица № 2. Физические свойства водяного пара на линии насыщения.

t, °C Р, бар ρп кг/м3 i', кДж/кг г, кДж/кг  
  0,0737 0,0512 2570,6 2403,0    
  0,1234 0,0830 2589,5 2380,0
  0,199 0,1301 2608,3 2356,9
  0,312 0,1979 2626,3 2333,0
  0,474 0,2929 2644,0 2310,0
  0,701 0,4229 2662,0 2285,0
  1,013 0,598 2675,9 2256,8
  1,43 0,826 2691,4 2230,0
  1,98 1,121 2706,5 2202,8
  2,70 1,496 2720,7 2174,3
  3,61 1,966 2734,1 2145,0
  4,76 2,547 2746,7 2114,3
  6,18 3,258 2758,0 2082,6
  7,92 4,122 2768,9 2049,5
  10,03 5,157 2778,5 2015,2
  12,55 6,397 2786,4 1978,8
  15,55 7,862 2793,1 1940,7
  19,08 9,588 2798,2 1900,5
  23,20 11,62 2801,5 1857,8
  27,98 13,99 2803,2 1813,0
  33,48 16,76 2803,0  
  39,78 19,98    
  46,94 23,72    
  55,05 28,09    
  64,19 33,19    
  74,45 39,15    
  85,92 46,21    
  98,70 54,58    
  112,90 64,72    
  128,65 77,10    
  146,08 92,76    
  165,37 113,6    
  186,74 144,0   719,7
  210,53 203,0   438,4

Таблица №3. Концентрации некоторых водных растворов, кипящих при атмосферном давлении при различных температурах.

Растворенное вещество Температура кипения, °C
                 
СаС12 5,66 10,31 14,16 17,36 20,00 24,24 29,33 35,68 40,83
КОН 4,49 8,51 11,97 14,82 17,01 20,88 25,65 31,97 36,51
КС1 8,42 14,31 18,96 23,02 26,57 32,62
К2С03 10,31 18,37 24,24 28,57 32,24 37,69 43,97 50,86 56,04
KNO3 13,19 23,66 32,23 39,20 45,10 54,65 65,34 79,53
MgCl2 4,67 8,42 11,66 14,31 16,59 20,32 24,41 29,48 33,07
MgS04 14,31 22,78 28,31 32,23 35,32 42,86
NaOH 4,12 7,40 10,15 12,51 14,53 18,32 23,08 26,21 33,77
NaCl 6,19 11,03 14,67 17,69 20,32 25,09
NaNO3 8,26 15,61 21,87 27,53 32,43 40,47 49,87 60,94 68,94
Na2S04 15,26 24,81 30,73
Na2C03 9,42 17,22 23,72 29,18 33,86
CuS04 26,95 39,98 40,83 44,47
ZnS04 20,00 31,22 37,89 42,92 46,15
NH4NO3 9,09 16,66 23,08 29,08 34,21 42,53 51,92 63,24 71,26
NH4Cl 6,10 11,35 15,96 19,80 22,89 28,37 35,98 46,95
(NH4)2SO4 13,34 23,14 30,65 36,71 41,79 49,73

 

<
Растворенное вещество Температура кипения, °C
                   
СаС12 45,80 57,89 68,94 75,85
КОН 40,23 48,05 54,89 60,41 64,91 68,73 72,46 75,76 78,95 81,63
КС1


Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: