Расчет однокорпусной выпарной установки

метки: Аппарат, Выпарной, Труба, Расчет, Установка, Однокорпусной, Раствор, Циркуляция

Выпаривание — это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде.

В качестве примера выпаривания с выделением чистого растворителя из раствора можно привести опреснение морской воды, когда образующийся водяной пар конденсируют и полученную воду используют для различных целей.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно-действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м ² в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной зоной кипения.

1. Состояние вопроса

В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при много кратной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

Процесс выпаривания

... с заданной концентрацией x к непрерывно откачивается из нижней части выпарного аппарата в хранилище готового продукта. Многократное выпаривание проводят в нескольких последовательно установленных выпарных аппаратах. Такие установки называются многокорпусными. Для ...

Выпаривание проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках).

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

• кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;
• сепаратор — пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в паровом пространстве (сепараторе) составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

1) выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

2) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

3) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

4) пленочные выпарные аппараты.

Выпарные аппараты со свободной циркуляцией

В этих аппаратах неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб. В растворе возникают неупорядоченные конвекционные токи (свободная циркуляция), обусловленные свободной конвекцией. К данной группе относятся аппараты, выполненные в виде чаш или котлов, поверхность теплообмена которых образована стенками аппарата. В настоящее время такие аппараты применяются редко, главным образом при выпаривании очень вязких жидкостей.

Змеевиковые выпарные аппараты аналогичны змеевиковым погружным теплообменникам. Греющий пар проходит по змеевику, а выпариваемая жидкость находится снаружи. Змеевики полностью погружены в жидкость, над уровнем которой остается объем, необходимый для сепарации вторичного пара. Эти аппараты работают неинтенсивно и в настоящее время применяются лишь для выпаривания вязких растворов при небольших масштабах производства, когда не требуется большая поверхность теплообмена. Они могут быть использованы также при применении греющего пара высокого давления и при выпаривании агрессивных жидкостей. В последнем случае змеевики изготовляются из химически стойкого материала, а внутренняя поверхность аппарата снабжается защитным покрытием. Выпарные аппараты с горизонтальными трубами (пар пропускается по трубам, жидкость — снаружи труб) могут быть изготовлены с значительными поверхностями теплообмена — до 800 м ² и более (рис. 1).

Для компенсации удлинения труб и разборки аппарата с целью очистки крепление труб в трубных решетках делают на сальниках или применяют U-образные трубы.

Рисунок 1 — Выпарной аппарат с горизонтальными трубами

Основным недостатком аппаратов этого типа является трудность очистки межтрубного пространства, вследствие чего они непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов. Кроме того, такие аппараты имеют невысокий коэффициент теплопередачи, громоздки и требуют значительного количества металла для изготовления. В настоящее время они применяются редко и вытесняются более совершенными конструкциями.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой опускной (циркуляционной) трубы 1 (рис. 2) и обогреваемых подъемных (кипятильных) труб 2.

Рисунок 2 — Схема естественной циркуляции:

1 — циркуляционная труба; 2 — кипятильная труба.

Если жидкость в подъемных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения части жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в опускной трубе больше, чем в подъемных трубах, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: подъемные трубы > паровое пространство > опускная труба-> подъемные трубы и т.д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

Схемы установок для выпаривания и конструкции выпарных аппаратов

... к конечной в течение всего процесса выпаривания. м 2 Однокорпусные выпарные установки с внутренней центральной циркуляционной трубой Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей) камеры 1 и ... брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора. Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе 2 под нижнюю трубную решётку греющей камеры. Вследствие разности ...

Для естественной циркуляции требуются два условия:

1) достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси необходимую скорость;

2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела малую плотность.

При небольшом уровне жидкости в опускной трубе парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб; при этом не происходитциркуляции, и работа аппарата сопровождается резким снижением производительности и быстрым покрыванием труб накипью. С повышением уровня жидкости возрастает скорость циркуляции и увеличивается коэффициент теплопередачи. Однако возрастание коэффициента теплопередачи происходит лишь при повышении уровня до некоторой определенной величины (оптимальный уровень), соответствующей покрытию кипятильных труб по всей их высоте парожидкостной смесью. При дальнейшем повышении уровня коэффициент теплопередачи несколько снижается, так как вследствие возрастания давления внизу кипятильных труб жидкость начинает кипеть не в нижней их части, а немного выше.

Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и тем больше скорость циркуляции. Для достижения достаточной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть в среднем не ниже 7-10° С.

Оптимальный уровень жидкости повышается с понижением разности температур и увеличением вязкости раствора и находится опытным путем. Если при выпаривании из раствора не выпадают кристаллы, оптимальный уровень обычно составляет от 1/4 до 3/4 высоты кипятильных труб.

Если при выпаривании из растворов выпадают кристаллы (так называемые кристаллизующиеся растворы), уровень жидкости поддерживают выше кипятильных труб для того, чтобы, жидкость в них перегревалась и закипала лишь при выходе из труб в паровое пространство; при отсутствии кипения в кипятильных трубах отпадает главная причина выделения накипи.

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой (рис. 3) является одной из наиболее старых, но широко распространенных конструкций.

Рисунок 3 — Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой:

1 — корпус; 2 — кипятильные трубы; 3 — циркуляционная труба; 4 — сепаратор; 5 — отбойник

Греющая камера состоит из ряда вертикальных кипятильных труб 2, обогреваемых снаружи паром. По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба 3 значительно большего диаметра, чем кипятильные трубы. Хотя в таком аппарате циркуляционная труба обогревается снаружи паром, раствор нагревается в ней значительно меньше, чем в кипятильных трубах. Это объясняется тем, что поверхность трубы пропорциональна ее диаметру, а объем жидкости в ней пропорционален квадрату диаметра; таким образом, в циркуляционной трубе объем жидкости на единицу поверхности трубы значительно больше, чем в кипятильных трубах.

Буровые промывочные жидкости

... от пластового давления и применяемого промывочного агента могут происходить поглощение промывочной жидкости, водопроявление, неустойчивая циркуляция. Поглощение промывочной жидкости удорожает, а подчас делает невозможным ... инструмента. Буровой раствор также охлаждает бурильные трубы, нагревающиеся вследствие трения о стенки скважины. Буровые растворы обладают относительно высокой теплоемкостью, ...

В аппаратах большой производительности вместо одной циркуляционной трубы устанавливают несколько труб меньшего диаметра.

Аппарат с центральной циркуляционной трубой отличается простотой конструкции и легкодоступен для ремонта и очистки. В то же время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

По нормалям аппараты с центральной циркуляционной трубой выполняют с поверхностью теплообмена 25, 50, 100, 150, 250 и 350 м ² ; они снабжены кипятильными трубами с наружным диаметром 38 или 57 мм (длиной от 2000 до 4000 мм) и циркуляционной трубой диаметром около 1/3 диаметра аппарата

Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой показан на рис. 4. Этот аппарат имеет греющую камеру, снабженную кожухом 2; роль циркуляционной трубы выполняет кольцевой зазор между корпусом аппарата и кожухом камеры.

Рисунок 4 — Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой:

1 — корпус; 2 — кожух греющей камеры; 3 — кипятильные трубы; 4 — труба для подвода пара к греющей камере

Греющий пар подводится в камеру по трубе 4. Греющая камера может выниматься из аппарата для чистки и ремонта. В аппарате имеются благоприятные условия для циркуляции, поскольку кольцевое пространство со стороны корпуса не обогревается. Недостатками являются усложнение конструкции и большие габариты, так как часть площади сечения аппарата не используется из-за наличия кольцевого канала.

Аппараты с подвесной греющей камерой изготовляются с поверхностью 50, 75, 95 и 150 м ² , кипятильные трубы имеют наружный диаметр 63,5 мм при длине от 1300 до 1700 мм.

Выпарной аппарат с выносным кипятильником (риc.5) широко применяется для выпарки кристаллизующихся и пенящихся растворов и постепенно вытесняет аппараты других типов.

Рисунок 5 — Выпарной аппарат с выносным кипятильником:

1 — кипятильник, 2 — труба для парожидкостной смеси, 3 — сепаратор, 4 — циркуляционная труба

Аппарат имеет выносной кипятильник 1 и сепаратор 3. В кипятильнике, состоящем из пучка труб, обогреваемых снаружи паром, образуется парожидкостная смесь, поступающая в сепаратор по трубе 2. В сепараторе происходит отделение вторичного пара от жидкости, которая по циркуляционной трубе 4 возвращается в кипятильник. Трубы кипятильника могут достигать значительной длины (до 7 м), что способствует интенсивной циркуляции. С увеличением длины труб возрастает разность весов парожидкостной смеси в них и жидкости в циркуляционной трубе Расположение кипятильника отдельно от сепаратора удобно для ремонта и чистки труб Часто к сепаратору присоединяют два или более кипятильников, из которых один можно выключить для ремонта или очистки, не останавливая всего аппарата.

Аппараты с выносными кипятильниками выпускаются с поверхностью 100, 150, 250, 350 500, 700 и 900 м ² , они имеют трубы с наружным диаметром 38 или 57 мм при длине от 3000 до 7000 мм

Выпарной аппарат для выпаривания концентрированных растворов.

Выпарной аппарат для выпаривания концентрированных растворов (рис. 6), состоит из греющей камеры 1, над которой расположена камера вскипания 2 высотой около 3 м. В верхней части камеры вскипания размещены концентрические перегородки 3, образующие кольцевые каналы. Из камеры вскипания парожидкостная смесь поступает в сепаратор 5, откуда жидкость возвращается в греющую камеру по циркуляционной трубе 4 через приемник для кристаллов 6. В греющей камере происходит только подогрев раствора, а кипит он в каналах между перегородками 3. Эти перегородки упорядочивают поток вскипающей жидкости и препятствуют образованию пульсаций и вредных циркуляционных токов в зоне кипения.

Рисунок 6 — Выпарной аппарат для концентрированных растворов:

1 — греющая камера, 2 — камера вскипания, 3 — концентрические перегородки, 4 — циркуляционная труба, 5 — сепаратор, 6 — приемник кристаллов.

В описанном аппарате достигается большая скорость циркуляции (до 3,5 м/с вместо 1-1,5 м/с в обычных аппаратах с естественной циркуляцией).

Это наряду с отсутствием кипения в трубах приводит к значительному уменьшению выделений накипи на поверхности теплообмена. Такой аппарат наиболее пригоден для выпаривания концентрированных, кристаллизующихся и вязких растворов.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией.

Для повышения интенсивности циркуляции и коэффициента теплопередачи в последнее время стали применять аппараты с принудительной циркуляцией. На рис. 7 показан такой аппарат, снабженный наружной циркуляционной трубой 3.

Рисунок 7 — Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией:

1 — кипятильник; 2 — циркуляционный насос; 3 — циркуляционная труба; 4 — сепаратор

Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом 2. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается не на подъем жидкости, а лишь на преодоление гидравлических сопротивлений. Давление внизу кипятильных труб больше, чем вверху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Ввиду этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а перегревается по сравнению с температурой кипения, соответствующей давлению в сепараторе. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды; поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

Принудительную циркуляцию применяют также в аппаратах с выносным кипятильником и в аппаратах других типов.

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной

1,5-3,5 м/с. Скорость циркуляции определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от уровня жидкости и парообразования в кипятильных трубах. Поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3-5° С) и при выпаривании растворов с большой вязкостью, естественная циркуляция которых затруднительна.

Достоинствами аппаратов с принудительной циркуляцией являются высокие коэффициенты теплопередачи (в 3 — 4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а также отсутствие загрязнений поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур.

Недостаток этих аппаратов — необходимость расхода энергии на работу насоса.

Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогостоящего материала (в этом случае весьма существенно сокращение поверхности теплообмена вследствие повышения коэффициентов теплопередачи), при выпаривании кристаллизующихся растворов (сокращаются простои во время очистки аппарата) и при выпаривании вязких растворов (что при естественной циркуляции требует наличия большой разности температур).

Пленочные выпарные аппараты.

В пленочных аппаратах раствор движется вдоль поверхности теплообмена в виде тонкой пленки.

Пленочные аппараты с вертикальными трубами (рис. 8) состоят из пучка кипятильных труб, обогреваемых снаружи паром и присоединенных вверху к сепаратору. Жидкость подается снизу, причем уровень ее поддерживается на 1/4 — 1/5 высоты труб. Остальная часть высоты труб заполнена парожидкостной смесью, расслаивающейся на пленку жидкости (около стенок) и пар (в центре).

Трением о струю пара жидкая пленка увлекается вверх; поэтому такие аппараты часто называют аппаратами с поднимающейся пленкой.

Рисунок 8 — Пленочный выпарной аппарат:

1 — кипятильник; 2 — сепаратор

Пленочные аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи.

Последний, однако, достигается лишь при определенном уровне жидкости, который устанавливается опытным путем: при повышении уровня коэффициент теплопередачи снижается; при понижении уровня уменьшается содержание жидкости в парожидкостной смеси, что приводит к недостаточному смачиванию верхних концов труб и снижению активной поверхности теплообмена. Ввиду однократного прохождения жидкости через аппарат со значительной скоростью, для получения достаточно концентрированного упаренного раствора требуются длинные трубы (обычно 6 — 9 м).

Недостатками вертикальных пленочных аппаратов являются трудность очистки длинных труб и сложность регулирования процесса при колебаниях давления греющего пара и начальной концентрации раствора. Кроме того, для размещения пленочных аппаратов необходимо строить производственные здания большой высоты.

Эти аппараты применяются для выпаривания пенящихся, а также чувствительных к высокой температуре растворов; при выпаривании очень вязких и кристаллизующихся растворов они малопригодны.

Пленочные аппараты изготовляются с поверхностью теплообмена от 100 до 900 м ² .

В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при много кратной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

2. Технические описания и расчёты

2.1 Материальный расчёт установки

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

выпаривание кипение жидкость производительность

W = G _Н •(1-x_Н /x_К ),

где G _Н — производительность установки по испаряемой влаге. G_Н = 600 кг/ч (0,1666 кг/с);

x _Н — начальное содержание сухих веществ, x_Н = 11%;

x _К — конечное содержание сухих веществ, x_К = 60%.

Подставив, получим:

W = 0,1666•(1-11/60) = 0,136 кг/с.

А количество сгущенного продукта определяется по формуле:

G _К = кг/с,

G _К = = 0,03 кг/с.

2.2 Тепловой расчет

По давлению паров находим их температуры и энтальпии [1]:

P, МПа	t,°С	Удельная энтальпия жидкости , кДж/кг	Удельная энтальпия пара , кДж/кг	Удельная теплота парообразования r, кДж/кг
P гп = 0,13	t гп = 107,5	= 448,63	= 2687,2	r гп = 2238,6
P бк = 0,05	t бк = 81,5	= 339,1	= 2644,3	r бк = 2305,2

При 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 на сумму температурных потерь от температурной (, гидростатической и гидродинамической депрессий (

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов. Примем для корпуса

Тогда температуры вторичных паров в корпусе (в°С) равна:

По температуре вторичного пара определим его давление [2].

Оно равно:

= 52,42 кПа.

Температурную депрессию определим по уравнению:

где — средние содержание сухих веществ, находится по формуле

Подставляем значение в формулу (5):

Так как выпарной аппарат с восходящей плёнкой (тип 3, исполнение 1) [3] (см. Приложение 4.2) гидростатическая депрессия не учитывают. Температуру кипения в этих аппаратах находят как среднюю между температурами кипения растворов с начальной и конечной концентрациями при давлении в корпусе, полагая, что движение раствора в аппарате соответствует модели полного вытеснения.

Температура кипения раствора в корпусе равны:

Полезная разность температур в корпусе (в ) равно:

(8)

Определим тепловую нагрузку в корпусе:

(9)

где 1,03 — коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

• 4.19•(1-3,72 кДж/кг•К;
• температура кипения исходного раствора при давлении в корпусе, =81,5+1=82,5 (где — температурная депрессия для исходного раствора).

Находим тепловую нагрузку согласно (9):

Находим расход греющего пара:

2.3 Конструктивный расчет аппарата

Выбираем конструкционный материал, стойкий к кипящей среде раствора CaCl ₂ в интервале изменения концентраций от 11 до 60% [5].

В этих условиях химически стойкой является пищевая нержавейка. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопередачи для корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

Примем что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен:

где соответственно плотность (кг/м ² ), теплопроводность Вт/(м•К), вязкость (Па•с) конденсата при температуре

• разность температур конденсации пара и стенки, град. Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем =2,0 град.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку равную q = 40 000 Вт/м ² . Тогда поверхность теплопередачи корпуса ориентировочно равна:

где — удельная теплота парообразования греющего пара, Дж/кг.

По ГОСТ 11987 — 81 [3] (см. Приложение 4.2) выпарной аппарат с восходящей пленкой (тип 3, исполнение 1) состоит из кипятильных труб высотой 4 м при диаметре = 38 мм и толщине стенки = 2 мм. Примем высоту кипятильных туб Н = 5 м.

Тогда:

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

=,

где q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м ² ;

• перепад температур на стенке, град;
• разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда:

Тогда:

Коэффициент теплопередачи определяем по формуле:

• где — теплопроводность кипящего раствора, Вт/(м•К);
• толщина пленки (в м), рассчитывается по уравнению:

где — кинетическая вязкость раствора, м ² /с;

• Re=4•Г/ — критерий Re для плёнки жидкости;

Г= G _Н /П — линейная массовая плотность орошения, кг/(м•с);

• П=/Н — смоченный периметр, м;
• вязкость кипящего раствора, Па•с;

q= — тепловая нагрузка, Вт/м ² .

Так как q<20000 Вт/м ² , то с=163,1; n= — 0,264; m=0,685.

Находим все необходимые данные в [4], и рассчитываем уравнение (15) и (16):

• П=/Н=7,61/4=1,9 м;

Г= G _Н /П=0,166/1,9=0,0872 кг/(м•с);

Re=4•Г/=4•0,0872/12,36•10 ^-4 =282,2

=1,5•10 ^-6 м² /с; =12,36•10^-4 Па•с; =0,584 Вт/(м•К).

Тогда согласно (15):

Находим К согласно (11):

Теперь рассчитываем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

м ²

По ГОСТ 11987 — 81 [3] (см. Приложение 4.2) выбираем выпарной аппарат с восходящей пленкой (тип 3, исполнение 1) его характеристики

Номинальная поверхность теплообмена F = 10 м ² ; диаметр труб d=38*2 мм; высота труб H=5 м; диаметр камеры d_к =400 мм; диаметр сепаратора d_с =600 мм; общая высота аппарата Н_в =12 м; общая масса аппарата М=2200 кг.

2.4 Расчет и подбор комплектующего оборудования

Расчет кожухотрубного конденсатора.

Рассчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого конденсатора для конденсации =0,165 кг/с паров. Удельная теплота конденсации смеси r _гп =2305,2 кДж/кг, температура конденсации t_бк =81,5?C. Физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации: л₁ =0,219 Вт/ (м·К), р₁ =757 кг/м³ , µ₁ =0,000446 Па·с. Тепло конденсации отводить водой с начальной температурой t_2н =20?С.

Примем температуру воды на выходе из конденсатора . При средней температуре вода имеет следующие физико-химические характеристики: 996 кг/м ³ , 4180,5 Дж/(кг•К), Вт/(м•К), Па•с,

Тепловая нагрузка аппарата:

Расход воды:

Средняя разность температур:

В соответствии с табл. примем К _ор =600 Вт/(м² •К).Ориентировочное значение поверхности

Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплоотдачи имеет нормализованный аппарат с длинной труб L=3 м; F= 57 м ² . Таблица 2.9 см [3].

Действительное число Re ₂ равно:

• где z=2 число ходов;
• n=240 число труб.

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению (пренебрегая поправкой ):

Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке вертикально расположенных труб, определим по уравнению:

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара равна:

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Гидравлическое сопротивление рассчитываем по формуле:

Скорость воды в трубах:

Коэффициент трения по формуле равен:

• где е=?/d — относительная шероховатость труб;
• ? — высота выступов шероховатостей (примем ?=0,2 мм.).

Скорость воды в штуцерах (см. табл. 2.6) [3]:

м/с

Гидравлическое сопротивление:

==160,67 Па.

Расчет кожухотрубчатого испарителя.

Тепловая нагрузка аппарата:

Q =D•r _бк =0,165·2 305 200=380358 Вт.

Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса:

G ₁ =Q/r_гп = 380358/2 238000 =0,169 кг/с.

Средняя разность температур:

Дt _ср = t_гп

• t_бк =107,5-81,5=26?С.

В соответствии с табл. 2.1 примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К _ор =1400 Вт/(м² ·К).

Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

F _ор =380358/(1400·26)=10,44 м² .

В соответствии с табл. 2.9 поверхность, близкую к ориентировочной, могут иметь теплообменники с высотой труб H=3,0 м или 2,0 м и диаметром кожуха D=0,8 м или же высотой труб H=4,0 м и диаметром кожуха D=0,6 м.

2.5 Гидравлический расчет

Подобрать насос для перекачивания воды при температуре 20?С из открытой емкости в аппарат, работающий под избыточным давлением 0,1 Мпа. Расход воды 1,2·10 ^-2 м³ /с. Геометрическая высота подъема воды 15 м. Длина трубопровода на линии всасывания 10 м, на линии нагнетания 10 м. На линии нагнетания имеются три отводов под углом 90? с радиусом поворота и четыре нормальных вентиля. На всасывающем участке трубопровода установлено два прямоточных вентиля, имеется два отвода под углом 90? с радиусом поворота.

Выбор трубопровода.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 м/с. Примем фактическую скорость воды в трубе w = 2 м/с Диаметр равен:

Тогда

Выбираем стальную трубу наружным диаметром 14 мм, толщиной стенки 2 мм. Внутренний диаметр трубы d = 0,01 м.

Примем, что коррозия трубопровода незначительна.

Определение потерь на трение и местные сопротивления:

т.е. режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной Д=2 м. Тогда:

Далее получим:

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчет л следует проводить по формуле:

=0,11•(0,02+68/) ^0,25 =0,043.

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений:

1) для всасывающей линии:

1.1 вход в трубу (принимаем с острыми краями): о ₁ =0,5;

1.2 прямоточные вентили: интерполяцией находим, что для d=0,025 о=1,04; умножая на поправочный коэффициент =1,07, получим =1,1;

1.3 колено под углом 90°; о ₃ =2.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

2) для нагнетательной линии:

2.1 выход из трубы: о ₁ =1;

2.2 вентиль нормальный при полном открытии: для d=0,013 =10,8;

2.3 колено под углом 90°; о ₃ =2.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

Общие потери напора:

Н=h _п.вс + h_п.наг =9,7+17,2=26,9 м.

Выбор насоса.

Полезную мощность насоса определить по формуле:

N _n =сgQH=9989,81 0,00016=42,1 Вт=0,042 кВт.

По таблице 1 Приложение 1.1 устанавливаем, что заданным подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки Х2/25, для которого при оптимальных условиях работы Q=4,210 ^-4 м/с, Н=25 м, ?=0,4. Насос обеспечен электродвигателем АОЛ-12-2 номинальной мощностью N_н =1,1 к Вт, ?_дв =0,4. Частота вращения вала n=50 с^-1 .

Заключение

В данной курсовой работе был произведён расчет однокорпусной выпарной установки.

При материальном расчете получили производительность установки по выпариваемой воде W = 0,136 кг/с, а количество сгущенного продукта G _К = 0,03 кг/с.

Исходя из расчетов был: выпарной аппарат с восходящей пленкой (тип 3, исполнение 1) по ГОСТ 11987 — 81 [3] (см. Приложение 4.2) Номинальная поверхность теплообмена F = 10 м ² ; диаметр труб d=38*2 мм; высота труб H=5 м; диаметр камеры d_к =400 мм; диаметр сепаратора d_с =600 мм; общая высота аппарата Н_в =12 м; общая масса аппарата М=2200 кг.

Проведен подробный расчет подогревателя исходного раствора и конденсатора вторичного пара, в результате которого были выбраны стандартные аппараты.

Так же был произведен гидравлический расчет в результате которого был выбран насос марки Х2/25, для которого при оптимальных условиях работы Q=4,210 ^-4 м/с, Н=25 м, ? = 0,4. Насос обеспечен электродвигателем АОЛ-12-2 номинальной мощностью N_н =1,1 к Вт, ?_дв = 0,4. Частота вращения вала n=50 с^-1 .

Список использованных источников

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/raschet-odnokorpusnoy-vyiparnoy-ustanovki/

1 Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/ Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. -10-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1987. — 576 с., ил.

2 Гребенюк С.М. Расчеты и задачи по процессам и аппарата пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1987. — 304 с.

3 Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. — М.: «Химия», 1991. — 496 с.

4 http://thermalinfo.ru/publ/zhidkosti/voda_i_rastvory/teplofizicheskie_svojstva_vodnykh_rastvorov_khloristogo_natrija_i_kalcija/32-1-0-225

5 Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: «Химия», 1975. — 816 с.

6 Гинзбург А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. — М.: «Пищевая промышленность», 1980. — 289 с.

7 http://geyz.ru/_nw/5/79765903.jpg