Казань 2008

Министерство образования Российской Федерации

Казанский государственный технологический университет

Кафедра ПАХТ

Расчетное задание № 1

Расчет трехкорпусной выпарной установки

Выполнила:

Студентка группы 5151-2

Симакова Дарья

Проверил:

Никешин В. В.

Казань 2008

Расчет трехкорпусной выпарной установки

Рассчитать трехкорпусную прямоточную выпарную установку с естественной циркуляцией раствора для концентрирования 5 кг/с 4% раствора СаСl₂. Конечная концентрация раствора 25%. Раствор поступает на выпарку подогретым до температуры кипения в выпарном аппарате. Абсолютное давление греющего водяного пара 4 ат. Высота греющих труб 4 м. давление в барометрическом конденсаторе 0, 1 ат.

Решение:

Количество воды, выпариваемой в трех корпусах установки:

Распределение нагрузки по корпусам.

Сделаем это распределение на основании практических данных, приняв следующее соотношение массовых количеств выпариваемой воды по корпусам:

1: 2: 3 = 1, 0: 1, 05: 1, 1.

Следовательно, количество выпариваемой воды:

В 1 корпусе

Во 2 корпусе

В 3 корпусе

_____________________________________

итого: W = 4. 2 кг/c

Расчет концентраций раствора по корпусам.

Начальная концентрация раствора х_Н= 4%. Из 1 корпуса во 2 переходит раствора:

Концентрация раствора, конечная для первого и начальная для 2, будет равна:

из 2 корпуса в 3 переходит раствора

с концентрацией

из 3 корпуса выходит раствора

с концентрацией

, что соответствует заданию.

Распределение перепада давлений по корпусам.

Разность между давлением греющего пара и давлением пара в барометрическом конденсаторе:

Предварительно распределим этот перепад давлений между корпусами поровну, т. е. на каждый корпус примем:

, тогда абсолютное давление по корпусам будут:

В 3 корпусе р₃= 0, 1 ат

Во 2 корпусе р₂= 0, 1 + 1, 3 =1, 4 ат

В 1 корпусе р₁= 1, 4 + 1, 3 = 2, 7 ат

Давление греющего пара:

р = 2, 7 + 1, 3 = 4 ат

По паровым таблицам находим температуры насыщения паров воды и удельные теплоты парообразования для принятых давлений в корпусах:

Для 1 корпуса:

t_H = 119. 6+ (132, 9 – 119. 6) ∙ 0, 7/1 = 129 ⁰C

r = 2208+ (2171 – 2208) ∙ 0, 7/1 = 2182 КДж/кг

Для 2 корпуса:

t_H =108. 7 ⁰C

r = 2237КДж/кг

Для 3 корпуса:

t_H = 45, 4 ⁰C

r = 2390 КДж/кг

Для греющего пара:

t_H = 142. 9 ⁰C

r = 2141 КДж/кг

	Температура насыщенного пара, ⁰C	Удельная теплота парообразования, КДж/кг
1 корпус	129	2182
2 корпус	108. 7	2237
3 корпус	45, 4	2390
Греющий пар	142. 9	2141

Эти температуры и будут температурами конденсации вторичных паров по корпусам.

Расчет температурных потерь по корпусам.

От депрессии

В справочных таблицах находим температуры кипения растворов при атмосферном давлении

	Концентрация СаСl₂, %	Температура кипения, ⁰C	Депрессия, К или ⁰C
1 корпус	5. 4	101	1
2 корпус	8. 7	102	2
3 корпус	25	108	8

Следовательно, по трем корпусам:

∆ t_депр= 1 + 2 + 8 = 11⁰C = 11 К.

От гидростатического эффекта

В справочных таблицах находим плотность раствора при 20 ⁰C

Концентрация СаСl₂ %	5. 4	8. 7	25
Плотность, кг/м³	1025	1075	1230

Эти значения примем и для температур кипения по корпусам.

Расчет ведем для случая кипения в трубках при оптимальном уровне.

1 корпус

при р₁=2. 7 ат; t_кип = 129 ⁰C;

при р_ср=2. 8 ат; t_кип = 119. 6 + (132. 9 – 119. 6 ) ∙ 0, 8/1= 130. 2⁰C.

∆ t_{г. эф}=130. 2 - 129 = 1. 2К.

2 корпус

при р₁=1, 4 ат; t_кип = 108. 7 ⁰C;

при р_ср=1. 5 ат; t_кип = 108, 7 + (112, 7 – 108, 7 ) ∙ 0, 1/1, 63 = 109, 1 ⁰C.

∆ t_{г. эф}=109, 1 - 108, 7 = 0. 4 К.

при р₁=0, 1 ат t_кип = 45. 4 ⁰C

при р_ср=0, 2ат t_кип = 59. 7 ⁰C.

∆ t_{г. эф}=59. 7 – 45. 4 = 14. 3К.

Всего ∑ ∆ t_{г. эф}= 1. 2 + 0. 4 +14. 3 = 15. 9 К

От гидравлических сопротивлений

Потерю разности температур на каждом интервале между корпусами принимаем в 1 К. интервалов всего 3, следовательно,

∆ t_{г. с}=1∙ 3 =3 К

сумма всех температурных потерь для установки в целом:

∑ ∆ t_пот= 11 + 15. 9 + 3 =27. 2 К

полезная разность температур.

Общая разность температур 142. 9 – 59. 7 = 83. 2 К; следовательно, полезная разность температур:

∆ t_пол=83. 2 – 27. 2 = 56 К

Определение температур кипения в корпусах:

В 3 корпусе t₃= 59. 7 + 1 + 8 + 14, 3 = 83⁰С

В 2 корпусе t₂= 109. 1 + 1 + 2 + 0. 4 = 112. 5 ⁰С

В 1 корпусе t₁= 130. 2 + 1 + 1 + 1. 2 = 133. 4 ⁰С

Расчет коэффициентов теплопередачи по корпусам

По найденным температурам кипения и концентрациям растворов в корпусах подбираем в справочниках расчетные константы – физические характеристики растворов ( плотность, теплопроводность, теплоемкость, вязкость). Далее задаемся диаметром труб и их длиной.

По этим данным рассчитываем коэффициенты теплопередачи. При этом следует учесть слой накипи порядка 0, 5 мм.

На основании этих расчетов примем:

Для 1 корпуса К₁ = 1700 Вт/м²∙ К

Для 2 корпуса К₂ =990 Вт/м²∙ К

Для 3 корпуса К₃ = 580 Вт/м²∙ К;

Из ориентировочного соотношения коэффициентов теплопередачи по корпусам при выпаривании водных растворов солей К₁: К₂: К₃ = 1: 0, 58: 0, 34.

Составление тепловых балансов по корпусам.

Для упрощения приближенного расчета составляем тепловые балансы без учета тепловых потерь и принимаем, что каждого последующего корпуса в последующий раствор поступает при средней температуре кипения.

По условию раствор подается на выпарку подогретым до температуры кипения в 1 корпусе. Тогда расход теплоты в 1 корпусе:

Q₁ = W₁∙ r₁ =1, 3 ∙ 2182000=2836600 Bт

Раствор приходит во 2 корпус перегретым, следовательно, Q_нагр отрицательно и расход теплоты во 2 корпусе:

Q₂ = W₂∙ r₂ – G₁∙ c₁(t₁ – t₂) =1, 4 ∙ 2237000 – 3, 7∙ 4190 ∙ 0. 946(129 – 108, 7) = 2834083Bт

Количество теплоты, которое даст вторичный пар 1 корпуса при конденсации, составляет W₁∙ r₁ = 2836600 Bт. Расхождения прихода и расхода теплоты в тепловом балансе 2 корпуса менее 1% (0, 1%).

Расход теплоты в 3 корпусе:

Q₃ = W₃∙ r₃ – G₂∙ c₂(t₂ – t₃) =1, 5 ∙ 2390000 – 2, 3 ∙ 4190 ∙ 0. 913(108, 7 – 45, 4) = 3028050 Bт

Вторичный пар 2 корпуса дает теплоты при конденсации

W₂∙ r₂ = 1, 4 ∙ 2237000 =3131800 Вт.

Расход греющего пара в 1 корпусе:

Удельный расход пара:

d = G_{Г. П.}/W = 1, 3 / 4, 2 = 0. 31 кг/кг

Распределение полезной разности температур по корпусам.

Распределение полезной разности температур по корпусам сделаем в двух вариантах: из условия равной площади поверхности и из условия минимальной общей площади поверхности корпусов, т. е. пропорционально Q/К и пропорционально √ Q/К..

Найдем факторы пропорциональности:

Отношение	Q/К	√ Q/К∙ 10³
1 корпус	1669	1292
2корпус	2862	1692
3корпус	5221	2285
сумма	9752	5269

Полезные разности температур по корпусам:

Отношение	Вариант равной площади поверхности корпусов	Вариант минимальной общей площади поверхности корпусов
∆ t₁	9. 6	13, 7
∆ t₂	16, 4	18
∆ t₃	30	24. 3
сумма	56	56

Определение площади поверхности нагрева:

Отношение	Вариант равной площади поверхности корпусов	Вариант минимальной общей площади поверхности корпусов
F₁	174	94, 3
F₂	174, 5	94
F₃	174	94
сумма	522, 5	282, 3

Следовательно, при равных площадях поверхностей корпусов общая площадь поверхности нагрева больше на 46 %.