Выпарная трехкорпусная установка...

ВведениеВыпаривание – это процесс концентрирования растворов, заключающихся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении. Этот процесс заключается в том, что путем нагревания, а иногда и понижения давления некоторую часть растворителя переводят в парообразное состояние и в виде пару удаляют из жидкой смеси.Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. Таким образом, выпаривание является типичным процессом переноса теплоты от более нагретого теплоносителя – греющего пара – к кипящему раствору.Процесс выпаривания широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов, выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации, а иногда – для выделения растворителя.1 Описание технологической схемы установкиТехнологическая схема трехкорпусной выпарной установки представлена на рисунке 1Рисунок 1 – Технологическая схема трехкорпусной выпарной установкиИсходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем -- в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5.Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 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 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.2 Устройство выпарного аппарата с выносной греющей камеройПри размещении греющей камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.Аппарат с выносной нагревательной камерой (рисунок 2) имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.Рисунок 2 - Выпарной аппарат с выносной нагревательной камерой: 1 – нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – необогреваемая циркуляционная труба; 4 – брызгоуловительВыносная греющая камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт каждой нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к ее корпусу две камеры.Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу исходного раствора производят, как показано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный нар отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа получили широкое распространение.3 Технологический расчет3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарный аппаратовПоверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:F = Q/K∆tп (1) гдеQ - тепловая нагрузка, Вт;∆tп - полезная разность температур, оС;K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К).Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур ∆tп необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений. Первое приближениеПроизводительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:W=Gн(1-Xн/Xк) (2) гдеGН - производительность установки по исходному раствору, кг/с;ХН - начальная концентрация гидроксида натрия в растворе, % масс.;ХК - конечная концентрация гидроксида натрия в растворе, % масс. GН = 45000 кг/ч = 12,50 кг/с; ХН = 3%; ХК = 32%.Подставив в формуле (2), получим:W=12,50∙(1-3/32,0)= 11,328 кг/с3.1.1 Концентрация упариваемого раствораРаспределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением.ω1: ω2: ω3=1,0:1,1:1,2 Тогда ω1 =1,0W/(1,0+1,1+1,2)=1,0W/3,3 (3)ω2 =1,1W/(1,0+1,1+1,2)=1,1W/3,3 (4)ω3 =1,2W/(1,0+1,1+1,2)=1,2W/3,3 (5)Получаем:ω1 =1,0∙11,328 /3,3=3,43 кг/сω2 =1,1∙11,328/3,3=3,78 кг/сω3 =1,2∙11,328/3,3=4,12 кг/с Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:x1 = Gн∙xн/(Gн- ω1) (6)x2 = Gн∙xн/(Gн- ω1- ω2) (7)x2 = Gн∙xн/(Gн- ω1- ω2- ω3) (8)Подставив, находим:x1 = 12,50 ∙0,03∙ (11,328 -3,43) = 0,0414; 4,14%x2 = 12,50 ∙0,03∙ (11,328 -3,43-3,78) = 0,0709; 7,09%x3 = 12,50 ∙0,03∙ (11,328 -3,43-3,78-4,12) =0,3200; 32,0%Концентрация раствора в последнем корпусе x3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора xk:xk= x3=32,0%3.1.2 Температуры кипения растворовОбщий перепад давлений в установке равен:∆Pоб = Pг1 – Рбк (9)гдеPг1 – давление греющего пара, МПа, Pг1 =4,3 атм=0,436 МПа;Рбк – давление в барометрическом конденсаторе, МПа, Рбк =0,3 атм =0,0304 МПа.По формуле (9):∆Pоб = 0,436 -0,0304= 0,4053 МПаВ первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:Рг1 = 0,436 МПаРг2 = РГ1 - ∆Роб/3 (10)Рг3 = РГ2 - ∆Роб/3 (11)Рг2 = 0,436 –0,4053/3 = 0,301 МПаРг3 = 0,301 – 0,4053/3 = 0,165 МПаДавление в барометрическом конденсаторе: Рбк = Рг3-∆Роб/3Рбк = 0,165 – 0,4053/3 = 0,0304 МПачто соответствует заданному значению Pбк.По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1]:Таблица 1 – Давление, температура и энтальпия паровP, МПа t,°CI,кДж/кгРг1 = 0,436tг1 = 146,7Iг1 = 2742,4Рг2 = 0,301tг2 = 133,6Iг2 = 2725,6Рг3 = 0,165tг3 = 114,3Iг3 = 2698,3Рбк = 0,0304tбк = 69,4Iбк = 2625,8При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (Δ'), гидростатической (Δ'') и гидродинамической (Δ''') депрессий (∑Δ=Δ' +Δ''+Δ''').Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают '''=1,0-1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса ''' = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:tвп1 = tг2 + ∆1''' (12) tвп2 = tг3 + ∆2''' (13) tвп3 = tбк + ∆3''' (14) Подставив, получим: tвп1 = 133,6 + 1 = 134,6 °Сtвп2 = 114,3 + 1 = 115,3 °Сtвп3 = 69,4 + 1 = 70,4°ССумма гидродинамических депрессий:∑∆''' = ∆1''' + ∆2''' + ∆3''' (15)∑∆''' = 1+1+1=3°CПо температурам вторичных паров определим их давления. Они равны сответственно в (Па) [1] : Pвп1 = 3,092∙105 Па Рвп2 = 1,723∙105 Па Рвп3 = 3,18∙104 ПаГидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Pср каждого корпуса определяется по уравнению:Pср = Рвп + ρgH(1-ε)/2 (16)где H – высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ – плотность кипящего раствора, кг/м3; ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3/м3.Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000 Вт/м2, аппаратов с принудительной циркуляцией q=40000-50000 Вт/м2. Примем q=20000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна: Fop = Q/q = ω1∙r1/q (17)где r1 = 2124,32– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.Fop = 3,43∙2124,32∙103 /20000 = 364,6 м2По ГОСТ 11987 – 81[2] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и выносной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 5 м при диаметре dн=38 мм и толщине стенке δст=2 мм. При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет e=0,4 – 0,6. Примем ε=0,5. Плотность водных растворов, в том числе раствора NaОН [3,4], при соответствующих концентрациях и температурах в корпусах равна:x1 =4,14% x2 = 7,09% x3 = 32,00% ρ1 = 1020 кг/м3, ρ2 = 1070 кг/м3, ρ3 =1349 кг/м3. Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:Рср1 = Рвп1 + ρ1gH(1-ε)/2 (18)Рср1 = 3,092∙105 + 1020∙5∙9,81(1-0,5)/2 = 3,22∙105 ПаРср2 = Рвп2 + ρ2gН(1-ε)/2 (19)Рср2 = 1,723∙105 + 1070 ∙5∙9,81(1-0,5)/2 = 1,85∙105 ПаРср3 = Рвп3 + ρ3gН(1-ε)/2 (20)Рср3 = 3,18∙104 + 1349 ∙5∙9,81(1-0,5)/2 = 4,83∙104 ПаЭтим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1,5]:Таблица 2 - Температура кипения и теплоты испарения растворителяP, МПа t, °Cr,кДж/кгРср1= 0,322tср1 = 135,7rвп1 = 2157,8Рср2= 0,180tср2 = 117,4rвп2 = 2210,1Рср3 = 0,0483tср3 = 78,8rвп3 = 2311,9Определим гидростатическую дипрессию по корпусам:Δ1'' = tср1 - tв1 (21)Δ2'' = tср2 - tв2 (22)Δ3'' = tср3 - tв3 (23)Δ1'' =135,7- 134,6= 1,1оС Δ2'' =117,4– 115,3 = 2,1оСΔ3'' = 78,8-70,4=8,4оССумма гидростатических депрессий:∑∆'' = ∆1'' + ∆2'' + ∆3'' (24)∑∆'' = 1,1+2,1+8,4 =11,5°CТемпературную депрессию Δ' определим по уравнению:Δ'=1,62·10-2·Δ'атмТ2/rвп (25)где T- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; Δ'атм - температурная депрессия при атмосферном давлении [4, приложение 4.5]. x1 = 4,14% ∆атм1' = 1,2 x2 = 7,09% ∆атм2' = 1,9 x3 = 32,0% ∆атм3' = 19,2 Находим значение Δ' по корпусам: ∆1' = 1,62∙10-2∙1,2∙(135,7+ 273)2 /2157,8=1,5°C∆2' = 1,62∙10-2∙2,0∙(117,4+ 273)2 /2210,1= 2,1°C∆3' = 1,62∙10-2∙9,9∙(78,8+ 273)2 /2311,9=16,6°C Сумма температурных депрессий:∑∆' = ∆1' + ∆2' + ∆3' (26)∑∆' = 1,5+2,1+16,6=20,2°CТемпературы кипения растворов в корпусах равны (в °C):tк1 = tг2 + ∆1' + Δ1''+ ∆1''' (27)tк2 = tг3 + ∆2' + Δ2''+ ∆2''' (28)tк3 = tбк + ∆3' + Δ3''+ ∆3''' (29)tк1 = 133,6 +1,1+1,5+1=137,2оСtк2 = 114,3 +2,1+2,1+1=119,5 оСtк3 = 69,4+8,4+16,6+1=95,4 оС3.1.3. Полезная разность температур Полезная разность температур по корпусам равны:∆tп1= tг1-tк1 (30)∆tп1 = 146,7–137,2= 9,1°С∆tп2 = tг2-tк2 (31)∆tп2 = 133,6 -119,5= 14,1°С∆tп3 = tг3-tк3 (32)∆tп3 = 114,3 -95,4=18,9°СОбщая полезная разность температур:∑∆tп = ∆tп1 + ∆tп2 + ∆tп3 (33)∑∆tп = 9,5+ 14,1+18,9=42,5°СПроверим общую разность температур:∑∆tп = tг1-tбк-(∑∆' + ∑∆'' + ∑∆''' ) (34)∑∆tп= 146,7-69,4-20,2-11,5-3=61,1°С3.1.4 Определение тепловых нагрузок. Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:Q1 = D(Iг1-i1) = 1,03∙[Gн∙cн∙(tк1-tн)+ ω 1∙(Iвп1-cв∙tк1) +Qконц] (35)Q2 = ω 2∙(Iг2-i2) = 1,03∙[(Gн- ω 1)∙c1∙(tк2-tк1)+ ω 2(Iвп2-cв∙tк2)+ Qконц2] (36)Q3 = ω 2∙(Iг3-i3) = 1,03∙[(Gн- ω 1- ω 2)∙c2∙(tк3-tк2)+ ω 3∙(Iвп3-cв∙tк3) + Qконц3] (37)W= ω 1 + ω 2 + ω 3 (38)где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; сН,с1,с2 - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг∙К) [3,4]; Qконц, Qконц2, Qконц3 - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; tн=tвп1+'н=134,6 +1=135,6 (где 1н - температурная депрессия для исходного раствора); можно принять:Iвп1 = 2725,6 кДж/кг i1 = 618,1 кДж/кгIвп2 = 2698,3 кДж/кг i2 = 561,7 кДж/кгIвп3 =2625,8 кДж/кг i3 = 479,7 кДж/кгПолучим систему уравнений:Q1=D(2742,4-618,1)=1,03∙[12,5∙4,17∙(137,2-135,7)+ ω 1∙(2725,6 -4,19∙137,2)]Q2= ω1(2725,6-561,7)=1,03[(12,5- ω1)∙4,03∙(119,5-137,2)+ω2(2698,3 -4,19∙119,5)]Q3= ω2(2698,3-479,7)=1,03[(12,5- ω1- ω2)∙3,617 (95,4-119,5)+ ω3(2625,8- -4,19∙95,4)]ω 1 + ω 2 + ω 3 = 11,328Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:D =3,471 кг/с; ω1=3,391 кг/с; ω2 = 3,677 кг/с; ω3 =4,211 кг/сQ1= 7374,558 кВт; Q2 = 7337,794 кВт; Q3 = 8157,771 кВт;Результаты сведены в таблицу 3.Таблица 3 – Расчет полезноной разности температур ПараметрКорпус123Производительность по испаряемой воде, ω, кг/с3,3913,6774,211Концентрация растворов x, %4,147,0932,00Давление греющих паров Pг , МПа0,43570,30060,1655Температура греющих паров tг , °C146,7133,6114,3Температурные потери Σt , град3,65,126,0Температура кипения раствора tk, °C137,2119,595,4Полезная разность температур ∆tп, град9,514,118,93.1.5 Выбор конструкционного материалаВыбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего NaОН в интервале изменения концентраций от 3 до 32,0%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость корозии ее не менее 0,1 мм/год, Коэффициент теплопроводности :λСТ = 25,1 Вт/(м∙К)3.1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи.Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:K1=11α1+Σδλ+1α2 (39)гдеα1 - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара, Втм2∙К; Σδλ - суммарное термическое сопротивление, м2∙К/ Вт;α2-коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках, Втм2∙К.Примем , что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки ст/ст и накипи н/н. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:∑δ/λ = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 0,00033 м2∙К/ ВтКоэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке  равен [4]:α1=2,044r1∙ρж2∙λж3μж1∙H∙Δt (40)где r1- теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; ρж,λж , μж1 - соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/м∙К), вязкость (Па∙с), конденсата при средней температуре пленки. ПЕРВЫЙ КОРПУСРасчет Δt1- ведут методом последовательных приближений. Расчет проведен с помощью программы Microsoft Excel. В первом приближении примем Δt1=1,47℃ . Тогда tпл=tг1-Δt1/2 (41)где Δt1 - разность температур конденсации пара и стенки, град.tпл=146,7-1,592=145,9℃Теплофизические свойства конденсата пара при данной температуре пленки представлены в таблице 4 [1,5].Таблица 4 – Теплофизические свойства конденсата пара при температуре пленки в первом корпусе выпарной установкиНаименованиеЗначениеУдельная теплота конденсации пара, r12124319 Дж/кгПлотность конденсата, ρж936,4 кг/м3Динамическая вязкость конденсата, μж 0,00019 Па∙сТеплопроводность конденсата, λж 0,685 Вт/(м∙К)α1=2,04422124319∙936,4 2∙0,68530,00019∙5∙1,59=9100,03 Вт/(м2∙К)Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение q=α1∙Δt1=ΔtcmΣδλ=α2∙Δt2 (42)где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; Δtст - перепад температур на стенке, град; Δt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град. Отсюда Δtcm=α1∙Δt1∙Σδλ (43)Δtcm=9100,03 ∙1,59∙ 0,00033=4,77 градТогда Δt2=tп1-Δtcm- Δt1 (44)Δt2=9,5-4,77-1,59=3,14 град Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен:α2=Aq0.6=780q0.6λ11,3ρ10,5ρп10,06σ10,5rж10,6ρ00,66c10,3μ10,3 (45)Физические свойства кипящего раствора NaОН сведем в таблицу 5. Таблица 5 - Физические свойства кипящего раствора NaОНПараметрКорпус123Теплопроводность раствора λ, Вт/(м·К)0,7250,7110,704Плотность растворов ρ, кг/м3955982,01031,0Теплоемкость раствора с, Дж/ (кг·К)41504124,04010,0Вязкость раствора µ, Па·с 0,0001990,0002480,000425Поверхностное натяжение σ, Н/м0,0720,0750,076Теплота парообразования rв, Дж/кг215776222101142311853Плотность пара ρп, кг/м31,751,040,28Подставив численные значения в формулу (45), получим:α2=780q0.60,7251,3∙9550,5∙1,750,060,0720,5∙21577620,6∙0,5790,66∙41500,3∙0,0001990,3==14,71(α1∆t1)0.6=14,719100,03∙1,59=4614,47 Вт/м2∙КПроверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: q' = α1∙∆t1 (46)q' =9100,03∙1,59 = 14483 Вт/м2 q'' = α2∙∆t2 (47)q'' =4614,47 ∙3,14 = 14483 Вт/м2 Как видим, q'=q''.Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%.Находим коэффициент теплопередачи по формуле (39):K1=119100,03+0,00033+14614,47 =1523,74 Вт/(м2∙К)ВТОРОЙ КОРПУС В первом приближении примем Δt1=2,77 град. Тогда tпл2=tг2-Δt1/2 (48)tпл2=133,6-2,77 2=132,2 ℃Теплофизические свойства конденсата пара при данной температуре пленки представлены в таблице 6 [1,5].Таблица 6 – Теплофизические свойства конденсата пара при температуре пленки во втором корпусе выпарной установкиНаименованиеЗначениеУдельная теплота конденсации пара, r12163903 Дж/кгПлотность конденсата, ρж943,0 кг/м3Динамическая вязкость конденсата, μж 0,000209 Па∙сТеплопроводность конденсата, λж 0,684 Вт/(м∙К)α1=2,0442163903 ∙943,0 2∙0,68430,000209∙5∙2,77=7792,07 Вт/(м2∙К)Δtcm=7792,07∙2,77∙ 0,00033=7,11 градТогда Δt2=tп2-Δtcm- Δt1 (49)Δt2=14,1-7,11 -2,77 =4,24 градα2=780q0.60,7111,3∙982,00,5∙1,040,060,0750,5∙22101140,6∙0,5790,66∙4124,00,3∙0,0002480,3==12,77(α1∆t1)0.6=12,777792,07 ∙2,77=5086,10 Вт/м2∙КПроверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: q' =7792,07 ∙2,77=21572 Вт/м2 q''= 5086,10∙4,24 =21572 Втм2Как видим, q'=q''.Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%.Находим коэффициент теплопередачи:K2=117792,07 +0,00033+1 5086,10=1527,58 Вт/(м2∙К)ТРЕТИЙ КОРПУС В первом приближении примем Δt1=4,0 град. Тогда tпл3=tг3-Δt1/2 (50)tпл3=114,3 -4,02=112,4 ℃Теплофизические свойства конденсата пара при данной температуре пленки представлены в таблице 7 [1,5].Таблица 7 – Теплофизические свойства конденсата пара при температуре пленки в третьем корпусе выпарной установкиНаименованиеЗначениеУдельная теплота конденсации пара, r12218594 Дж/кгПлотность конденсата, ρж952,6 кг/м3Динамическая вязкость конденсата, μж 0,000256 Па∙сТеплопроводность конденсата, λж 0,685 Вт/(м∙К)α1=2,0442218594∙952,6 2∙0,68530,000256∙5∙4,0 =6856,48 Вт/(м2∙К)Δtcm=6856,48 ∙4,0∙ 0,00033=8,96 градТогда Δt2=tп3-Δtcm- Δt1 (51)Δt2=18,9-8,96-4,0=6,0 градα2=780q0.60,7041,3∙1031,00,5∙0,280,060,0760,5∙23118530,6∙0,5790,66∙4010,00,3∙0,0004250,3==9,90(α1∆t1)0.6=9,906856,48 ∙4,0=4530,56 Вт/м2∙КПроверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: q'=6856,48 ∙4,0=27165 Вт/м2 q'' =4530,56∙6,0 =27165 Вт/м2 Как видим, q'=q''.Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%.Находим коэффициент теплопередачи:K3=116856,48+0,00033+1 4530,56 =1436,26 Вт/(м2∙К)3.1.7 Распределение полезной разности температурПолезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства из поверхностей теплопередачи: (52) где ∆tnj, Qj, Kj - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j- го корпуса.Q1 = 7374,558 кВтQ2 = 7337,794 кВтQ3 = 8157,771 кВтПодставив численные значения, получим:Δtп1=7374,558/1523,74 7374,558/1523,74 +7337,794/1527,58 +8157,771/1436,26∙42,5Δtп1=13,4 градΔtп2=7337,794/1527,58 7374,558/1523,74 +7337,794/1527,58 +8157,771/1436,26∙42,5Δtп2=13,3 градΔtп3=8157,771/1436,267374,558/1523,74 +7337,794/1527,58 +8157,771/1436,26∙42,5Δtп3=15,8 градПроверим общую полезную разность температур установки:ΣΔtп=Δtп1+Δtп2+Δtп3 (53)ΣΔtп=13,4+13,3+15,8 =42,5 ℃Сравнение полезных разностей температур ∆tп, полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено ниже:Таблица 8 - Сравнение полезных разностей температурПараметрКорпус123∆tп распределенные в 1-м приближении, град13,413,315,8∆tп предварительно рассчитанные, град9,514,118,93.1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачиВ 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 Δ', Δ'', Δ''' для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже в таблице 9Таблица 9 - Параметры растворов и паров по корпусамПараметрКорпус123Производительность по испаряемой воде, ω, кг/с3,3913,6774,211Концентрация растворов x, %4,1367,08732,000Температура греющего пара в 1-ом корпусе tr , 0С146,73Полезная разность температур ∆tп, град13,413,315,8Температура кипения раствора tk, °C133,3116,395,4Температура вторичного параtвп = tк - (∆' + ∆'') , °C130,7112,270,4Давление вторичного пара Рвп, Па0,275140,154300,031744Температура греющего пара tr = tвп - ∆''', °C-129,7111,2Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):Iвп1 = 2720,9 кДж/кг; Iвп2 = 2694,4 кДж/кг; Iвп3 = 2626,8 кДж/кгQ1=1,03∙[12,5∙ 4,17∙ (133,3-135,6)+3,391∙(2720,9-4,19∙133,3)]=7428,803 кВтQ2=1,03∙[(12,5-3,391)∙ 3,617∙ (116,3-133,3)+3,677∙(2694,4-4,19∙116,3)]==7783,061 кВтQ3=1,03∙[(12,5-3,391-3,677)∙ 3,356(95,4-116,3)+4,211(2626,8 -4,19∙95,4)]=9266,382 кВтВторое приближение В первом приближении примем Δt1=2,67 град. Тогда tпл1=146,7-2,672=145,4 ℃α1=2,0442124319 ∙936,4 2∙0,68530,000190∙5∙2,67 =7992,25 Вт/(м2∙К)Δtcm=7992,25 ∙2,67∙ 0,00033=7,05 градТогда Δt2=13,4-7,05-2,67=3,71 градα2=780q0.60,7251,3∙9550,5∙1,520,060,0720,5∙21577620,6∙0,5790,66∙41500,3∙0,0001990,3==14,53(α1∆t1)0.6=14,537992,25∙2,67=5757,95 Вт/м2∙КПроверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: q'=7992,25∙2,67= 21379 Вт/м2 q'' =5757,95∙3,71= 21379 Вт/м2 Как видим, q'=q''.Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%.Находим коэффициент теплопередачи:K1=117992,25+0,00033+1 5757,95 =1591,15 Вт/(м2∙К)ВТОРОЙ КОРПУС В первом приближении примем Δt1=2,52 град. Тогда tпл2=133,3-2,522=132,0℃α1=2,0442163903 ∙943,0 2∙0,68430,000209∙5∙2,52=7975,12 Вт/(м2∙К)Δtcm=7975,12∙2,52∙ 0,00033=6,63 градТогда Δt2=13,3-6,63-2,52 =4,18 градα2=780q0.60,7111,3∙982,00,5∙0,890,060,0750,5∙22101140,6∙0,5790,66∙4124,00,3∙0,0002480,3==12,60(α1∆t1)0.6=12,607975,12 ∙2,52=4814,20 Вт/м2∙КПроверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: q'=7975,12 ∙2,52 =20120 Вт/м2 q''=4814,20 ∙4,18 =20120 Вт/м2 Как видим, q'=q''.Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%.Находим коэффициент теплопередачи:K2=117975,12 +0,00033+14814,20=1508,77 Вт/(м2∙К)ТРЕТИЙ КОРПУС В первом приближении примем Δt1=2,95 град. Тогда tпл3=116,3-2,952=114,9℃α1=2,0442218594∙952,6 2∙0,68530,000256∙5∙2,95 =6856,48 Вт/(м2∙К)Δtcm=6856,48∙2,95∙ 0,00033=7,19 градТогда Δt2=15,8-7,19-2,95=5,63 градα2=780q0.60,7041,3∙1031,00,5∙0,200,060,0760,5∙23118530,6∙0,5790,66∙4010,00,3∙0,0004250,3==9,66(α1∆t1)0.6=9,666856,48∙2,95=3872,54 Вт/м2∙КПроверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: q'=6856,48∙2,95=21797 Вт/м2 q''=3872,54∙5,63= 21797Вт/м2 Как видим, q'=q''.Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%.Находим коэффициент теплопередачи:K3=116856,48 +0,00033+1 3872,54=1382,29 Вт/(м2∙К)Распределение полезной разности температур:Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства из поверхностей теплопередачи:Подставив численные значения, получим:Δtп1=7428,803/1591,157428,803/1591,15 +7783,061/1508,77+9266,382/1382,29 ∙42,5Δtп1=12,0 градΔtп2=7783,061/1508,777428,803/1591,15 +7783,061/1508,77+9266,382/1382,29 ∙42,5Δtп2=13,3 градΔtп3=9266,382/1382,297428,803/1591,15 +7783,061/1508,77+9266,382/1382,29 ∙42,5Δtп3=17,3 градПроверим общую полезную разность температур установки:ΣΔtп=12,0+13,3+17,3=42,5℃Сравнение полезных разностей температур ∆tп, полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено ниже: Таблица 10 - Сравнение полезных разностей температур ∆tп,ПараметрКорпус123∆tп в 1-м приближении13,413,315,8∆tп во 2-м приближении12,013,317,3Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышают 10%.Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:F1 = Q1∙103 / K1∙∆tп1 (54)F1 = 7428,803∙103/1591,15 ∙12,0= 388,6 м2 F2 = Q2∙103 / K2∙∆tп2 (55)F2 = 7783,061∙103/ 1508,77∙13,3= 388,6 м2 F3 = Q3∙103 / K3∙∆tп3 (56)F3 = 9266,382∙103/1382,29∙17,3= 388,6 м2 Выбираем аппарат с поверхностью теплопередачи F =450 м2По ГОСТ 11987 – 81[3,4] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:Таблица 11 – Техническая характеристика выпарного аппаратаНаименованиеЗначение12Номинальная поверхность теплообмена F, м2450Диаметр труб d, мм38x2Высота труб H, мм5000Продолжение таблицы 1112Диаметр греющей камеры dk, мм1600Диаметр сепаратора dc, мм4000Диаметр циркуляционной трубы dц, мм1000Общая высота аппарата Ha, мм15000Масса аппарата Ma, кг318003.2 Определение толщины тепловой изоляцииТолщину тепловой изоляции δн находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:αвtcm-tв=λнδнtcm1-tcm2 (56)где αв=9,3+0,058tcm2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2·К); tcm2- температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, tcm2выбирают в интервале 35-45 °С; tcm1- температура изоляции со стороны аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению термическим сопротивлением слоя изоляции tcm1 принимают равной температуре греющего пара; tв- температура окружающей среды (воздуха), °С; λн - коэффициент теплвопроводности изоляционного материала, Вт/(м·К).Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:tст2 = 40 °Сtв = 20 °С αв=9,3+0,058∙40=11,62 Вт/(м2·К) В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности λ=0,09 Вт/ (м·К). Тогда получимδн=0,09(146,7-40,0)11,62∙(40,0-20,0)=0,041 мПринимаем толщину тепловой изоляции 0,041 м и для других корпусов.4 Расчет вспомогательного оборудования4.1 Расчет барометрического конденсатораДля создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще при температуре окружающей среды (около 20 °С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуума – насоса откачивают неконденсирующие газы.Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуума – насоса.4.1.1 Расход охлаждающей воды Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:Gв=w3(Iб.к.-cвtк)cв(tк-tн) (57)гдеIб.к. – энтальпия паров в барометрическом конденсатора, Дж/кг; tн – начальная температура охлаждающей воды, оС; tк – конечная температура смеси воды и конденсата, оС.Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров: tк=tб.к.-3 (58)tк=69,4-3=66,4℃ТогдаGв=4,211(2625,797-4190∙66,4)4190(66,4-20)=50,85 кг/с4.1.2 Диаметр конденсатораДиаметр барометрического конденсатора dбк определяют из уравнения расхода:dбк=4∙w3ρ∙π∙v (59)где ρ – плотность паров, кг/м3, υ – скорость паров, м/сПри остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров υ = 15-25 м/с. Тогдаdбк=4∙4,2110,17∙3,14∙20=1,43 мПо нормалям НИИХИММАШа подбираем конденсатор диаметров, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметров dбк=1600 мм. 4.1.3 Высота барометрической трубы.В соответствии с нормалями, внутренёний диаметр барометрической трубы dбт равен 300 мм.Скорость воды в барометрической трубе v=4Gв+w3ρ∙π∙dбт2 (60)v=436,03 +1,7941000∙3,14∙0,32=0,78 м/сВысота барометрической трубы Hбт=Bρв∙g+1+ξ+λHбтdбтvв22g+0,5 (61)где B – вакуум в барометрическом, Па; ∑ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений; λ – коэффициентов трения в барометрической трубе; 0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.B=Ратм-Рбк=98000-30397,5=67602,5 Па (62)∑ξ=ξвх+ξвых=0,5+1,0=1,5где ξвх, ξвых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее. Коэффциент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:Re=vв∙dбт ∙ρвμвRe=0,78 ∙0,3∙10000,54∙10-3=432955,8При Re =432955,8, λ = 0,014.Hбт=67602,5 1000∙9,81+1+1,5+0,014Hбт0,30,7822∙9,81+0,5Hбт=7,5 м4.2 Расчет производительности вакуум – насосаПроизводительность вакуум – насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора: Gвозд = 2,5∙10-5∙(ω3+Gв)+0,01∙ω3 (63)где 2,5∙10-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды: 0,01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Gвозд = 2,5∙10-5∙(4,211+50,85)+0,01∙4,211=0,0435 кг/сОбъемная производительность вакуум – насоса равна: (64)где R – универсальнпя газовая постоянная, Дж/(кмоль К); Мвозд - молекулярная масса воздуха, кг/моль, Мвозд = 29 кг/моль; tвозд – температура воздуха, °С; Pвозд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:tвозд =tн+4+0,1(tк- tн)= 20+4+0,1(66,4- 20)=28,6 °C (65)Давление воздуха равно: (66)где Pп –давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд = 28,6°C. Подставив, получим:Рвозд=30397,5-3917,1=26480,4 ПаТогдаVвозд=8310∙(273+28,6)∙0,043529∙26480,4=0,142 м3с=8,5 м3минЗная объёмную производительность Vвозд и остаточное давление по каталогу [4, прил. 4,7] подбираем вакуум-насос типа ВВН-12 мощностью N=20 кВт.Выводы Выполнен технологический расчет трехкорпусной выпарном аппарате с естествееной циркуляцией раствора гидроксида натрия. Подобран трубчатый стальной выпарной аппарат по ГОСТ 11987-81, основанный на выполненном расчете площади поверхности нагрева аппарата Fобщ = 450 м2 и с выносной греющей камерой с высотой трубы H = 5 м. Выполнен расчет вспомогательного оборудования − барометрического конденсатора. По нормалям определен диаметр барометрического конденсатора  dбк = 1600 мм и диаметр трубы dбт = 300 мм.Список литературыПавлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб пособие для вузов/ К.Ф. Павлов, П. Г. Рамонков, А.А. Носков. – М. : Альянс, 2007. – 576 с. 2. ГОСТ 11987 – 81. Аппараты выпарные трубчатые.3. Зайцев И. Д., Асеев Г. Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. М.: Химия, М.: Химия, 1988. – 416 c.;4 . Дытнерский Ю.И. основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: химия, 1991.-496 с.;5. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. - 424 с.