Проектирование выпарной установки

Тепловой расчёт двухступенчатой выпарной установки основывается на уравнениях материального баланса, теплового баланса и теплопередачи.

Определение нагрузок по выпариваемой воде.

Составляем уравнение материального баланса, из которого определяем массовый расход удаляемого в процессе выпаривания растворителя (воды):

,

где массовый расход исходного раствора, ;

начальная и конечная концентрация раствора, %.

Т.к. мы имеем двухступенчатую выпарную установку, то нагрузки распределятся следующим образом:

Исходя из последнего соотношения, определяем нагрузки на первую и вторую ступени:

.

Определение концентраций раствора за каждой ступенью.

За первой ступенью:

За второй ступенью:

Определение температур кипения растворов в ступенях.

Общий перепад давлений в установке:

Давление греющего пара на вторую ступень:

Результат расчета был неудовлетворительным, полезные разности температур отличались друг от друга в несколько раз. Поэтому принято .

Определим температуру вторичного пара за ступенями:

,

где - температура греющего пара за второй ступенью, ºC;

- гидродинамическая депрессия, ºC.

где - температура в барометрическом конденсаторе , ºC.

Определяем по таблице «Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения» : ºC, ºC

ºC,

ºC.

Определение гидростатической депрессии.

Гидростатическую депрессию определим по формуле:

,

где - плотность раствора, ;

высота слоя жидкости над выходным сечением труб, м.

Принимаем

Первая ступень:

Вторая ступень:

Определим давление в среднем сечении труб:

Определяем по таблице «Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения» : ,

Найдём температуры кипения растворов в среднем сечении труб и гидростатическую депрессию:

Определяем по таблице «Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения» : ; ;

Физико-химическая температурная депрессия определяется по формуле:

,

где -температурная депрессия при нормальных условиях, определяемая для заданного раствора по конечной концентрации;

- абсолютная температура насыщения вторичного пара: .

При имеем ,

При имеем ,

;

.

Определение температуры кипения растворов в ступенях:

;

.

Определяем полезные разности температур:

ºC при ;

ºC;

ºC при ;

ºC;

Составление теплового баланса в каждой ступени и уточнение нагрузок по выпаренной воде.

;

;

.

где коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду;

энтальпии греющего пара, вторичного пара и конденсата, .

Определим все необходимые параметры:

, значит ;

, значит ;

, значит ;

;

;

при ºC;

при ºC.

Определим нагрузку на первую ступень:

;

;

.

Определим расход греющего пара:

;

.

Площадь теплообменной поверхности каждой ступени греющей камеры определим по формуле:

.

Тепловой поток определим из уравнения теплового баланса.

Для первой ступени выпарного аппарата:

;

Для второй ступени выпарного аппарата:

;

Коэффициент теплопередачи определим по формуле:

,

где коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вертикальном пучке труб;

коэффициент теплоотдачи при кипении раствора в трубах;

суммарное электрическое сопротивление теплопроводности через стенку трубы и загрязнение.

.

Полезная разность температур рассчитывается по формуле:

.

Т.к. тепловой поток через единицу поверхности остаётся постоянным, то для его определения используем формулу:

.

Определим коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вертикальном пучке труб:

.

высота между перегородками.

Теплофизические свойства конденсата выбираем по давлении греющего пара в первой ступени МПа:

Принимаем .

.

Определим плотность теплового потока:

;

;

.

Найдём коэффициент теплоотдачи при кипении раствора в трубах:

,

где - коэффициент теплопроводности раствора, ;

;

- плотность раствора, ;

;

- плотность насыщенного водяного пара при давлении вторичного пара в ступени, ;

,

- коэффициент поверхностного натяжения раствора;

- теплота парообразования при давлении вторичного пара, ;

;

- плотность водяного пара при давлении 0,098 МПа, ;

;

- теплоемкость раствора, ;

;

- коэффициент динамической вязкости раствора, ;

;

;

.

Найдём коэффициент теплопередачи:

.

Найдём площадь теплообменной поверхности греющей камеры первой ступени установки:

Принимаем коэффициент запаса 15%, тогда F=86,66 м².

Проведём аналогичный расчёт для второй ступени.

Принимаем

Теплофизические свойства конденсата выбираем по давлению греющего пара во второй ступени :

;

.

Определим плотность теплового потока:

;

;

.

Найдём коэффициент теплоотдачи при кипении раствора в трубах.

;

;

;

.

Найдём коэффициент теплопередачи:

.

Найдём площадь теплообменной поверхности греющей камеры первой ступени установки:

.

Принимаем коэффициент запаса 25%, тогда F=80,33 .

Исходя из проведённых расчётов, выбираем стандартный выпарной аппарат следующего типа: Поверхность теплообмена 100 .

Диаметр греющей камеры D=1000 мм.

Диаметр сепаратора .

Диаметр циркуляционной трубы .

Высота аппарата Н = 14000 м.

Масса аппарата не более 5200кг.

Используемая литература

1. Тепломассообменное оборудование предприятий: методические указания к курсовой работе / А.Б. Кууск; РГУПС. – Ростов-на-Дону, 2006г.

2. Задачник по теплопередаче: учебное пособие для вузов. – 4-е издание, переработанное. – М.: Энергия, 1980г.

3. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. Справочное издание – Москва: Химия, 1988г.