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

Условие задачи

Рассчитать двухкорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания So
= 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 tн
= 30 ˚C до to
= 82 ˚C. Давление греющего пара Pгр
= 4,5 ата. Вакуум во втором корпусе составляет Pвак
= 690 мм рт. ст. Выпарная установка обсуживается барометрическим конденсатором смешения, питающегося водой с tв
= 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:

So
= 12 000 кг/час;

a1
= 8 %;

a2
= 55%;

tн
= 30 ˚
C;

to
= 82 ˚
C;

tв
’
= 20 ˚
C;

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

для раствора а = 8%, to
= 82 ˚
C

09кг/м3

= 3,91×-6
м2
/с

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

rр
= 2304 кДж/кг

tнас
= 100,7 ˚
C

r = 2253 кДж/кг

657Вт/м×К

б) Пересчет единиц

1. Количество передаваемого тепла от конденсатора к воде

Q = So
×rр
= 3,33кг/с×2304 кДж/кг = 7672 (кВт)

2. Расход греющего пара

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

3. Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи

; ;

а) t = tкон
– tкип
=18,7 ˚
C

б) Расчет A

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

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

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

H = 1400 мм

в) dn
·´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

Красч
= 1866 (итог четвертой итерации)

5. Расчет поверхности теплообмена

Уточнение подбора по каталогу, при условии, что Fкатал
> Fрасч
; Hкатал
< 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:

So
= 12 000 кг/час;

ao
= 8 %;

a2
= 55 %;

tн
= 30 ˚C;

to
= 82 ˚C;

Pгр
= 4,5 ата = 4,413 бар;

Pвак
= 690 ммрт. ст.;

tв
’
= 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%, ta1
 101,4 ˚С;

1
= ta1
– tст
= 101,6 -100,0 = 1,4 ˚C

Во втором корпусе считаем по правилу Бабо.

Абсолютное давление PII
= Pатм
– Pвак
= 1,033 – 0,842 = 0,191 атм = 0,188 бар

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

; (бар)

По давлению 0,240 бар ищем температуру кипения раствора во втором корпусе: tкип
= 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 Pгр
= 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 Wi
(W1
, W2
)

Составим тепловой баланс по второму корпусу:

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

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

Теплоемкость растворителя Cр
= 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 AI
и AII
.

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

С = 0,943 [5, стр. 149]

A0I
= 13,0×103
, A0II
= 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 BоI
и BоII
.

	(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

Fрасч
= 48,74 м2
;

1
=54,747 ˚
C

2
= 25,254˚
C

1
+2
= 54,747 + 25,254 = 80,000 ˚
C

невязкаотсутсвует.

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)

P11 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 Wi
и Qi

а)

= 1,376 [кг/с]

б)

9. Сопоставление значений QI
и QII
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 Pконд
= 0,173 бар. [3, табл. 1].

1. Расход воды на конденсацию

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

GГ
= [0,025·(Gв
+ 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

Pп
= 0,0367 бар. [3, табл. 1].

PГ
= Pконд
– Pп
= 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 dб.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 Wi
(W1
, W2
)............................................................. 5

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

а) Расчет AI
и AII
................................................................................................ 6

б) Расчет BоI
и BоII
.............................................................................................. 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 Wi
и Qi
........................................................................ 7

12. Сопоставление значений QI
и QII
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].