Трехкорпусная вакуум-выпарная установка

Министерство образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Факультет Инженерной Экологии

Кафедра ПАХТ

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ТЕМА ПРОЕКТА. 3-х корпусная вакуум-выпарная установка

Зав. кафедрой академик РАН А.М.Кутепов

Руководитель проекта профессор В.В.Бутков

Студентка Н.А.Карпунина

Группа И-37

Содержание

 

Введение

Глава 1. Технологический расчет выпарной установки

Глава 2. Выбор вспомогательного оборудования

Глава 3. Расчет барометрического конденсатора

Глава 4. Расчет теплообменного аппарата

Глава 5. Расчет штуцеров

Глава 6. Расчеты на прочность

Список литературы

Приложение. Результаты компьютерных расчетов

Введение

 

На рисунке показана принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки. Исходный раствор из промежуточной емкости 1 центробежными насосами 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 кондесатоотводчиков 12.

 

Глава 1. Технологический расчет выпарной установки

Подпрограмма 1

1)         Определяем общее количество выпаренной воды из уравнения материального баланса

2)         В первом приближении количество выпаренной воды по корпусам принимаем равным, т.е.

 

 

3) Конечная концентрация раствора по корпусам

 

Таблица 1.

№	Наименование	Обозначение	Размерность	Кол-во
1	Производительность по исходному раство-ру			10000
2	Начальная концентрация раствора			10
3	Конечная концентрация раствора			40
4	Давление греющего пара	P	Па	600000
5	Давление в барометрическом конденсаторе		Па	23998
6	Длина греющих трубок		м	5
7	Наружный диаметр греющих трубок		м
8	Количество выпаренной воды общее	W		7500
	в первом корпусе			2500
	во втором корпусе			2500
	в третьем корпусе			2500
9	Конечная концентрация раствора
	в первом корпусе			13.33
	во втором корпусе			20
	в третьем корпусе			40

 

Подпрограмма 2

1)         По конечным концентрациям раствора  с помощью таблицы XXXVI [2] определяем "нормальную" (при атмосферном давлении) температурную депрессию

и рассчитываем суммарную температурную депрессию

2)         Потери температуры пара между корпусами за счет гидравлических сопротивлений

и суммарные потери составят

3)         Суммарная полезная разность температур установки без учета суммы потерь температур за счет гидростатического эффекта

где температура греющего пара;

температура вторичного пара на входе в конденсатор.

 при давлении греющего пара

(таблица LVI [2]).

 при давлении в барометрическом конденса-торе  (таблица XXXVI [2]).

4)         Полезная разность температур по корпусам в первом приближении принимается равной, т.е.

5)         Температура кипения раствора (по корпусам)

6)         Температура греющего пара (по корпусам)

7)         Температура вторичного пара (по корпусам)

По значениям температур вторичного пара из таблиц [2] опреде-ляем значения следующих параметров: теплоты парообразования воды ; давления вторичного пара ; плотность воды  .

По значениям концентраций  и температурам кипения раствора  находим значения плотности раствора по корпусам .

Таблица 2

№	Параметры	Обозначения	Корпус			Барометрический конденсатор
			I	II	III
1	Температура греющего пара,	T	158.76	136.41	110.41	64.09
2	Полезная разность температур,		16.94	16.94	16.94
3	Температура кипения раствора,		141.82	119.47	93.47
4	Температура вторичного пара,		137.41	111.41	65.09
5	"Нормальная " температурная депрессия,		4.41	8.06	28.38
6	Конечная концентрация раствора, вес.дол.,%		13.33	20	40
7	Теплота парообразования воды, кДж/кг		2157.77	2230.33	2344.98
8	Плотность воды,		928.33	949.87	980.46
9	Давление вторичного пара, Па		336446	150972	25101
10	Плотность раствора,		1065.66	1155.42	1379.57

 

Подпрограмма 3

1)         В связи с тем, что "нормальная" температурная депрессия выбрана для атмосферного давления, а давление вторичного пара по корпусам отличается от атмосферного, то необходимо про-вести перерасчет температурной депрессии по формуле

где температура вторичного пара, К;

теплота парообразования воды при температуре вторичного пара  кДж/кг.

2)         Суммарная температурная депрессия

Для определения температурных потерь за счет гидростатичес-кого эффекта необходимо рассчитать оптимальный уровень заполнения греющих трубок и давления раствора в аппаратах на уровне половины длины греющих трубок (у середины греющих трубок).

3) Оптимальную высоту заполнения трубок раствором находим

по эмпирической формуле

где длина греющих трубок, м.

 

4) Гидростатическое давление столба у середины греющих трубок

 

5) Давление раствора в корпусах у середины греющих трубок

Таблица 3

№	Наименование	Обозначение	Корпус
			I	II	III
1	Действительная температурная де-прессия,		5.58	8.65	22.41
2	Суммарная темпе-ратурная депрес-сия,		36.64
3	Оптимальная высота заполнения трубки, м		2.26	2.74	4.09
4	Гидростатическое давление столба раствора, Па		11813	15529	27676
5	Давление раствора у середины грею-щих трубок, Па		348259	166501	52777

Подпрограмма 4

Для определения истинных значений температур греющего па- ра, вторичного пара, кипения раствора в трубках и на верхнем уровне трубки, полезной разности температур по корпусам необходимо рассчитать температурные потери за счет гидростатического давления.

1)         По данным  находим по таблице [2] значения температур кипения воды у середины греющих трубок

и рассчитываем значения потерь температур за счет гидроста- тического эффекта (гидростатическую депрессию):

Суммарные потери температуры за счет гидростатического эффекта составят

2)         Суммарная полезная разность температур для установки

Для расчета в первом приближении ориентировочно принима- ем соотношение тепловых нагрузок аппаратов

и соответственно коэффициентов теплопередачи

Исходя из условия получения равных поверхностей нагрева для каждого корпуса установки полезная разность температур по корпусам может быть определена по уравнению

3)         Распределение полезной разности температур по корпусам

 

4)         Температура кипения раствора в трубках составит

5) Температура кипения раствора на верхнем уровне по корпусам:

6)         Температура вторичного пара по корпусам:

Таблица 4

№	Наименование	Обо-значение	Корпус
			I	II	III
1	Гидростатическая депрессия,		0.99	3.09	17.65
2	Суммарная гидростатическая депрессия,		21.73
3	Суммарная полезная разность температур,		33.3
4	Температура кипения раствора в трубках,		150.26	132.06	105.15
5	Полезная разность температур,		8.5	10.63	14.17
6	Температура кипения раствора на верхнем уровне,		149.27	128.97	87.5
7	Температура вторичного пара,		143.69	120.32	65.09

 

Подпрограмма 5

В этой подпрограмме рассчитываем: расход греющего пара, расход выпаренной воды по корпусам, конечные концентрации раствора и в первом приближении тепловые нагрузки аппаратов.

1)         Расход греющего пара определяем из уравнения теплового баланса

которое может быть записано для каждого корпуса в следующем виде:

Потери тепла в окружающую среду принимаем равными 3% от тепла греющего пара, т.е. А=1.03.Энтальпию вторичного пара находим из таблицы LVII [2] по давлению вторичного пара .

Начальную теплоемкость раствора  определяем по концентрации  при температуре раствора , которую принимаем равной температуре .

Энтальпии греющего пара  и энтальпии конденсата  определяем из таблицы LVI [2] по температурам .

Теплоемкость раствора  находим по табличным данным при соответствующих концентрациях  и температурах .

Теплоту изменения концентрации (дегидротации)  – по концентрациям раствора в корпусах.

где –интегральные теплоты растворения при конечной и начальной концентрациях раствора в соответствующем корпусе.

При подстановке найденных величин в уравнения для  получаем:

Учитывая, что  и решая систему уравнений, определяем

а затем конечную концентрацию раствора по корпусам

2)         Тепловая нагрузка аппаратов

Таблица 5

№	Наименование	Обозначения	Корпус
			I	II	III
1	Расход греющего пара, кг/ч	D	2415	2298	2511
2	Расход выпаренной воды, кг/ч	W	2298	2511	2691
3	Конечная концентрация раствора, мас.дол.,%		12.98	19.26	40
4	Тепловая нагрузка аппаратов, кВт	Q	1417	1379	1558
5	Энтальпия греющего пара, кДж/кг		2763.5	2735	2697
6	Энтальпия конденсата греющего пара, кДж/кг		651.4	574.2	463.1
7	Энтальпия вторичного пара, кДж/кг		2736	2700	2615
8	Теплоемкость кипящего раствора,		3.854	3.720	3.641
9	Теплоемкость исходного раствора,		3.892
10	Теплота изменения концентрации, кДж/кг		33.52	71.23	272.35

Подпрограмма 6

В этой подпрограмме рассчитываются коэффициенты теплоотдачи, удельные тепловые нагрузки и коэффициенты теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи

где –коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к внешней стенке трубки;

 –суммарное термическое сопротивление стенки трубки и накипи; –коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубки к кипящему раствору.

В качестве материала греющих трубок выбираем сталь 20 .Ее коэффициент теплопроводности .

Толщину накипи принимаем , а ее коэффициент теплопроводности .

Коэффициент теплоотдачи  рассчитываем по формуле

Значения коэффициента

для конденсата пара в зависимости от температуры конденсации пара находим по таблице 6 [3,253].

1) Коэффициент  для 1-го корпуса рассчитываем методом последовательных приближений, принимая разность значений температур конденсации пара и стенки .

1 приближение:

Удельная тепловая нагрузка аппарата (удельный тепловой по-ток) для установившегося процесса теплопередачи может быть рассчитана по формуле

Определим

находим перепад температур стенки греющей трубки

а затем разность между температурами стенки трубки и кипящего раствора

Далее определяем коэффициент теплоотдачи  от стенки грею-щей трубки к кипящему раствору

Физические свойства кипящих растворов NaOH и их паров:

Находим

и сравниваем тепловые потоки  и

Так как  , то задаем новое значение  и повторяем вы-шеуказанные расчеты.

2 приближение:

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 определяем

.Получим:

Как видим, .

Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 5 % , то расчет коэффициентов  и  на этом заканчиваем. Находим :

Аналогичный расчет проводим для II-го и III-го корпусов.

2) 1 приближение:

2 приближение:

 

3) 1 приближение:

2 приближение:

 

Таблица 6

№	Наименование	Обозначения	Корпус
			I	II	III
1	Коэффициент теплопроводности раствора,		0.587	0.579	0.563
2	Плотность раствора,		1055	1138	1371
3	Поверхностное натяжение раствора,		0.069	0.078	0.105
4	Коэффициент динамической вязкости раствора,
5	Теплоемкость раствора, Дж/(кг)		3823	3729	3486
6	Плотность вторичного пара,		2.561	1.585	0.707
7	Удельная теплота парообразования, Дж/кг
8	Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке,		10974	10348	9953
9	Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору,		1415	1259	797
10	Удельный тепловой поток,		8231	9313	8958
11	Коэффициент,		7486	7388	7106
12	Длина греющих трубок, м		5
13	Толщина стенки греющей трубки, м		0.002
14	Коэффициент теплопроводности стенки,		46.5
15	Коэффициент теплопроводнос-ти накипи,		2.5
16	Коэффициент теплопередачи,	К	961	882	626
17	Разность температур конденсации пара и стенки трубки,		0.75	0.9	0.9
18	Разность между температурой трубки и кипящим раствором,		5.75	7.47	11.09
19	Перепад температур на стенке греющей трубки,		2	2.26	2.18

 

Глава 2. Выбор вспомогательного оборудования

 

Выбор насосов.

Для перекачивания жидкости из емкости исходного раствора в подогреватель (теплообменник) используем два центробежных насоса типа Х 8/42/.

Для отвода концентрированного раствора из соответствующей емкости воспользуемся одним насосом типа Х 25/18/.

Выбор емкостей.

Для обеспечения бесперебойной подачи исходного раствора в подогреватель и, соответственно, нормальной работы установки в течение двух часов выбираем емкость, пригодную для эксплуата-ции при давлении более 0.07 МПа, рабочим объемом не более 20.9 куб.м. Тип указанной емкости ГЭЭ1-1-25-0.6.

Для упаренного (концентрированного) раствора необходимы емкости, способные выдерживать вакуум, поэтому выбираем две емкости, работающие при давлении не более 0.07 МПа того же объема, что и для исходного раствора- ГКК1-1-25-0.07.

 

Глава 3. Расчет барометрического конденсатора

  Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды  определяем из теплового баланса конденсатора

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 .Поэтому конечную температуру воды  на выходе из конденсатора примем на 3 град. ниже температуры конденсации паров:

Тогда

Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определяем из уравнения расхода:

где  –плотность паров,; v-скорость паров,м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка Па скорость паров v=15-25 м/с. Тогда

По приложению 4.6 [4] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром =800 мм.

Высота барометрической трубы

В соответствии с приложением 4.6 [4] , внутренний диаметр барометрической трубы  равен 200 мм. Скорость воды в барометрической трубе

где - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения  зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Для гладких труб при Re=165911 коэффициент трения  [2*].

Подставив в выражение для  указанные значения, получим:

Отсюда находим =8.41 м.

Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса  определяется количеством газа (воздуха) , который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

где -количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0.01-количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

где R- универсальная газовая постоянная, ;  - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;  -температура воздуха, ; -парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитываем по уравнению

Давление воздуха равно:

где -давление сухого насыщенного пара (Па) при  Подставив, получим:

Тогда

Зная объемную производительность  и остаточное давление, по каталогу подбираем вакуум-насос типа ВВН-3 мощностью на валу 6.5 кВт (см. приложение 4.7 [4]).

Глава 4. Расчет теплообменного аппарата

Для расчета теплообменника, предназначенного для подогрева исходного раствора, воспользуемся тепловым балансом

Тогда расход греющего пара найдем по формуле

.

Учитывая, что  (удельная теплота парообразования), найдем:

Найдем среднелогарифмическую разность температур:

Далее определяем тепловую нагрузку при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата из уравнения

В соответствии с таблицей 2.1 [4] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К=1000 . При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит

Убедимся, что режим течения в трубах турбулентный

В соответствии с найденной площадью поверхности теплообмена по каталогу выбираем теплообменник типа 600 ТНВ-16-М1-0/25-6-2 гр. А.

 

Глава 5. Расчет штуцеров

 

Целью этого расчета является вычисление условного прохода основных штуцеров и определение в соответствии со стандартами их размеров.

Воспользуемся общей формулой определения расхода

 , где

G-расход жидкости или газа, проходящего через штуцер, кг/час;

d-условный проход штуцера, м;

-скорость жидкости или газа, м/с;

-плотность среды в штуцере.

Тогда

.

Расчет будем вести по плану:

1)         штуцера для раствора;

2)         штуцера для пара;

3)         штуцера для конденсата.

Расчет штуцеров для входа и выхода раствора.

Условный проход штуцеров для входа раствора.

;

;

Плотности раствора берем при начальных концентрациях и температурах кипения раствора для соответствующего корпуса. Скорость течения жидкости принимаем равной 1 м/с для 2-го и

3-го корпусов, считая ее движение самотечным, и 2 м/с для 1-го корпуса как для жидкости, качаемой насосом.

Т.к. все три аппарата предполагаются быть одинаковыми, выбираем максимальный из трех диаметров:

.

Условный проход штуцеров для выхода раствора.

;

;

Плотности раствора берем при конечных концентрациях и температурах кипения раствора для соответствующего корпуса. Скорость течения жидкости принимаем равной 1 м/с для всех корпусов, считая ее движение самотечным.

Выбираем максимальный из трех диаметров:

.

Т.к. выходящий раствор из корпуса является входящим в следу-ющий корпус, то из условия удобства конструирования установки штуцера для раствора следует принять одинаковыми. Поэтому условный проход штуцеров для раствора будет равен

.

По справочнику [5] выбираем штуцера с плоскими приварными фланцами типа 80-6-155-ВСт3сп4-10 ОСТ 26-1404-76.

Расчет штуцеров для греющего и вторичного пара.

Условный проход штуцеров для греющего пара.

;

;

Плотности паров берем при температурах греющих паров для соответствующих корпусов. Скорость течения пара принимаем равной 25 м/с , считая пар насыщенным.

Т.к. все три аппарата предполагаются быть одинаковыми, выбираем максимальный из трех диаметров:

.

Условный проход штуцеров для вторичного пара.

 

;

;

.

Плотности паров берем при температурах вторичных паров для соответствующих корпусов.

Скорость течения пара принимаем равной 25 м/с для 1-го и 2-го корпусов, считая пар насыщенным, а для 3-го корпуса 75 м/с, т.к. здесь пар находится под разрежением.

Выбираем максимальный из трех диаметров:

.

Т.к. вторичный пар для одного корпуса является греющим для следующего корпуса, то из условия удобства конструирования установки штуцера для греющих и вторичных паров следует принять одинаковыми. Поэтому условный проход штуцеров для пара будет равен

.

По справочнику [5] выбираем штуцера с плоскими приварными фланцами типа 300-6-190-ВСт3сп4-10 ОСТ 26-1404-76.

Расчет штуцеров для отвода конденсата.

 

;

;

Плотность воды берем при температурах греющих паров, считая, что пар конденсируется, не охлаждаясь. Скорость течения жидкости принимаем равной 1 м/с для всех корпусов, считая ее движение самотечным.

Выбираем максимальный из трех диаметров:

.

По справочнику [5] выбираем штуцера с плоскими приварными фланцами типа 32-6-155-ВСт3сп4-10 ОСТ 26-1404-76.

Глава 6. Расчеты на прочность

 

Расчет цилиндрической обечайки.

Наибольшее распространение в химическом аппаратостроении получили цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и хорошей сопротивляемостью давлению среды. Поэтому при конструировании аппаратов, если это не противоречит каким-либо особым требованиям, предъявляемым к аппарату, рекомендуется применять цилиндрические обечайки. Произведем расчет обечайки, нагруженной внутренним давлением.

Дано:

D=1400 мм

H=4100 мм

P=0.6 МПа

Толщину стенки цилиндрической оболочки будем искать по формуле  , где

-допускаемое напряжение для материала оболочки;

-коэффициент безопасности сварного шва (для ручной электро-дуговой сварки =0.95);

С –расчетная прибавка, учитывающая физико-химические условия и отклонения и допуски на толщину проката.

 , где

-прибавка на коррозию (принимаем =0);

-прибавка на возможность эррозии (если рабочая среда движется с огромной скоростью и несет абразивные частицы, принимаем =0);

-допуск на отклонение толщины листа проката от номинального размера (принимаем =0.0015 м).

Тогда . Допускаемое напряжение  находим по формуле

 ,

где  -предел текучести стали марки Сталь20 при расчетной температуре ;

n-коэффициент запаса прочности.

Подставляя вышеуказанные величины в формулу для определения толщины стенки цилиндрической оболочки, получаем

.

Мы нашли толщину стенки аппарата в рабочем состоянии. Теперь необходимо произвести аналогичный расчет при гидравлических испытаниях.

Допускаемое напряжение найдем по формуле

Пробное давление при гидравлическом испытании

Тогда толщина цилиндрической оболочки

.

Принимаем S=6 мм.

Проверка на устойчивость.

Для проверки аппарата на устойчивость воспользуемся формулой Мизеса для длинных цилиндров. В соответствии с этой формулой, внешнее критическое давление будет равно

, где

E-модуль упругости (для стали );

S-толщина стенки оболочки;

-коэффициент Пуассона (для стали =0.3);

R-средний радиус оболочки.

Тогда

.

Коэффициент запаса устойчивости составляет примерно . Тогда допускаемое критическое давление

.

Как мы видим, при толщине стенки S=6 мм устойчивость оболочки не обеспечивается, поэтому принимаем S=12 мм. В этом случае

.

И .

Устойчивость обеспечена.

Список литературы

1. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1987.-496 c.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1987.- 576 с.

2*. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1976.- 576 с.

3. Практикум по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Под ред. А.М.Кутепова, Д.А.Баранова.-М.:МГУИЭ, 2000.-264 с.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии. Под ред. Ю.И.Дытнерского.-М.: Химия, 1991.-496 с.

5. Лащинский, Толчинский. Основы расчета и конструирования химической аппаратуры. Справочник.

6. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи. Под общ. ред. М.Ф.Михалева.-Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984.-301 с.