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

Условие задачи

Рассчитать двухкорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания S_o = 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 t_н = 30 ˚C до t_o = 82 ˚C. Давление греющего пара P_гр = 4,5 ата. Вакуум во втором корпусе составляет P_вак = 690 мм рт. ст. Выпарная установка обсуживается барометрическим конденсатором смешения, питающегося водой с t_в = 20 ˚C. Из первого корпуса отводится E = 300 кг/час экстра-пара.

Определить:

1.  Расход греющего пара в выпарном аппарате и подогревателе;

2.  Поверхности теплообмена подогревателя и выпарных аппаратов;

3.  Расход охлаждающей воды в конденсаторе;

4.   Диаметр и высоту барометрической трубы.

Схема двухкорпусной выпарной установки

Расчет подогревателя   Исходные данные:

S_o = 12 000 кг/час;

a₁= 8 %;

a₂= 55%;

t_н= 30 ^˚C;

t_o= 82 ^˚C;

t_в^’= 20 ^˚C;

а) Справочные данные* f = y = о = 

для раствора а = 8%, t_o = 82 ^˚C

09кг/м³

= 3,91×^-6 м²/с

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

r_р = 2304 кДж/кг

t_нас = 100,7 ^˚C

r = 2253 кДж/кг

657Вт/м×К

б) Пересчет единиц

1.  Количество передаваемого тепла от конденсатора к воде

Q = S_o×r_р = 3,33кг/с×2304 кДж/кг = 7672 (кВт)

2.  Расход греющего пара

Д_гр = Q/r = 7672 / 2253 = 3,405 (кг/с)

3.  Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи

; ;

а) t = t^кон – t^кип = 18,7 ^˚C

б) Расчет A

С = 0,943 (вертикальный теплообменник); Ao = 13·10³.

Для выбора высоты теплообменника надо оценить F_ор, а для этого нужно задаться К (К < _меньш).

К_ор = 1000 Вт/м²; , в каталоге – 497 м².

H = 1400 мм

в) d_n·´s = 38х2 [6, стр. 415]

г)

д) Расчет параметра В

4.  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

К_расч = 1866 (итог четвертой итерации)

5.  Расчет поверхности теплообмена

Уточнение подбора по каталогу, при условии, что F_катал > F_расч; H_катал < 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:

S_o = 12 000 кг/час;

a_o = 8 %;

a₂ = 55 %;

t_н = 30 ˚C;

t_o = 82 ˚C;

P_гр = 4,5 ата = 4,413 бар;

P_вак = 690 мм рт. ст.;

t_в^’= 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

; ; ;

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

2.  Расчет температурных депрессий и температур кипения

При концентрации a₁ = 17,3%, t_a1  101,4 ˚С;

₁ = t_a1 – t_ст = 101,6 -100,0 = 1,4 ˚C

Во втором корпусе считаем по правилу Бабо.

Абсолютное давление P_II = P_атм – P_вак = 1,033 – 0,842 = 0,191 атм = 0,188 бар

(P_s)_ст берется из таблицы насыщенных паров для температуры кипения раствора при a₂ = 55% (t_кип = 107 ˚С). (P_s)_ст = 1,294 бар. [3, таблица 1].

; (бар)

По давлению 0,240 бар ищем температуру кипения раствора во втором корпусе: t_кип = 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.

3.  Суммарная полезная разность температур

По P_гр = 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.

4.  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 ;-\

5.  Уточнение значений W_i (W₁, W₂)

Составим тепловой баланс по второму корпусу:

Теплоемкость исходного раствора C_o = 3,94 кДж/кг×град [1]

Теплоемкость конденсата C_к = 4,23 кДж/кг×град [5]

Теплоемкость растворителя C_р = 4,20 кДж/кг×град [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 A_I и A_II.

. Принимаем K_ор = 1100 Вт/м²×K.  [м²]

С = 0,943 [5, стр. 149]

A_0I = 13,0×10³, A_0II = 12,2×10³ [5, стр 138]

По справочнику находим для F = 82 м² высоту выпарного аппарата H = 3,5 м. [6, стр. 416].

б) Расчет B_оI и B_оII.

	(бар)
	(бар)

Для выпарного аппарата выбираем материал Х-28 хлористая сталь,

 4,25 ккал/(м·град·ч)  4,94 Вт/м×К.  = 2 мм = 0,002 м

6.  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

F_расч = 48,74 м²;

₁ = 54,747 ^˚C

₂ = 25,254 ^˚C

₁+₂ = 54,747 + 25,254 = 80,000 ^˚C

невязка отсутсвует.

7.  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)

P_{11 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

8.  Новая проверка W_i и Q_i

а)

= 1,376 [кг/с]

б)

9.  Сопоставление значений Q_I и Q_II 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.

10.  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 P_конд = 0,173 бар. [3, табл. 1].

1.  Расход воды на конденсацию

2.  Расчет потока газа, который образуется в конденсаторе а) Расчет расхода парогазовой смеси

G_Г = [0,025·(G_в + W₂) + 10·W₂]×10^-3 = [0,025×(22,51 + 1,346) + 10×1,346]×10^-3 = 14,06×10^-3 кг/с

б) Расчет температуры парогазовой смеси

в) Парциальное давление газа

P_п = 0,0367 бар. [3, табл. 1].

P_Г = P_конд – P_п = 0,173 – 0,0367 = 0,136 бар.

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

3.  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 d_б.тр. = 240 мм.

б) Высота барометрической трубы (по уравнению Бернулли)

(l = 10 м по ГОСТу)

Список литературы

1.  Бурович Б.М., Горелов А.Я., Межерецкий С.М. Справочник теплофизических свойств растворов. Ташкент, 1987.

2.  Гельперин И.И, Солопенков К.Н. Прямоточная многокорпусная выпарная установка с равными поверхностями нагрева. Москва, 1975.

3.  Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. Москва, «Энергия», 1980.

4.  Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Издательство «Химия», 1981.

5.  Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва, «Энергия», 1973.

6.  Лащинский А.А, Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Москва, 1980.

7.  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 W_i (W₁, W₂)............................................................. 5

6. Подготовка к расчету поверхности теплообмена.................................. 6

а) Расчет A_I и A_II................................................................................................ 6

б) Расчет B_оI и B_оII.............................................................................................. 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 W_i и Q_i........................................................................ 7

12. Сопоставление значений Q_I и Q_II 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

* Взяты из [1], [2] и [3].