- •Проектирование выпарных установок
- •Проектирование выпарных установок
- •Теоретические основы выпарных установок
- •Задание на проектирование
- •Расчет тепловой установки
- •Параметры пара в характерных точках
- •Сводная таблица результатов расчета
- •Третье приближение. Определяем Dt1''' первого корпуса интерполяций, используя данные двух предыдущих приближений, °с:
- •10.4. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубы для второго корпуса определяется так же, как и для 1 корпуса:
- •11. Распределение полезной разности температур между корпусами выпарной установки:
- •Исходные данные
- •Исходные данные
- •Исходные данные
- •Теплофизические свойства воды и водяного пара на линии насыщения
- •Плотность, теплопроводность, динамическая и кинетическая вязкость воды на линии насыщения
- •Теплофизические свойства растворов
- •Температурные депрессии водных растворов при атмосферном давлении
- •Основные размеры выпарного аппарата с естественной циркуляцией (рис.П1)
- •Основные размеры барометрических конденсаторов (рис.П2)
- •Техническая характеристика вакуум-насосов типа ввн
- •Основные размеры кожухотрубчатых теплообменников (рис.П3)
- •Литература
- •Проектирование выпарных установок
- •443100, Г. Самара, Молодогвардейская, 244. Главный корпус
- •443100, Г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8
И.М. ИВАНОВА Л.Г. ШУЛЬЦ А.С. ГОРШЕНИН
Проектирование выпарных установок
Учебно-методическое пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2009
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» |
К а ф е д р а « Промышленная теплоэнергетика»
И.М. ИВАНОВА Л.Г. ШУЛЬЦ А.С. ГОРШЕНИН
Проектирование выпарных установок
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия
Самара
Самарский государственный технический университет
2009
УДК 621.17.001.63 (075.8)
И 21
Р е ц е н з е н т : д-р техн. наук, проф. А.А. Кудинов
Иванова И.М.
И 21 Проектирование выпарных установок: учеб.-метод. пособ. / И.М. Иванова, Л.Г. Шульц, А.С. Горшенин. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. – 36 с.: ил.
Рассмотрены теоретические основы работы выпарных установок. Составлены и проанализированы основные уравнения процессов теплопередачи и теплового баланса корпуса установки. Приведены выражения для расчетов полезного температурного напора, распределения тепловой нагрузки по корпусам установки, поверхности теплообмена корпуса.
Дан пример расчета двухкорпусной выпарной установки.
Предназначено для курсового и дипломного проектирования для студентов, обучающихся по специальностям «Промышленная теплоэнергетика», «Энергетика теплотехнологий», «Энергообеспечение предприятий».
УДК 621.17.001.63 (075.8)
И 21
ã И.М.Иванова, Л.Г.Шульц, А.С.Горшенин, 2009
ã Самарский государственный
технический университет, 2009
Теоретические основы выпарных установок
Многие твердые вещества в промышленности первоначально получаются в виде водяных растворов. Для повышения концентрации вещества в растворе или получения вещества в чистом виде необходимо частично или полностью удалить растворитель (воду). Это достигается в выпарных установках.
Процесс выпаривания можно осуществить в любой емкости при подводе к ней тепла, достаточного для организации кипения раствора, при этом будет получаться пар растворителя, отводимый из емкости и возрастать концентрация исходного раствора. За концентрацию раствора принимается отношение массы сухого растворенного вещества к массе всего раствора, выраженное в процентах:
.
Здесь в – массовая концентрация раствора, %;
W – масса растворителя, кг;
Gсух – масса сухого вещества, кг.
Масса сухого вещества при выпаривании не меняется. Выпаривание раствора близко к выпариванию чистого растворителя, но есть некоторые особенности.
Температура кипящего раствора больше температуры кипения чистого растворителя на величину физико-химической температурной депрессии. Величина депрессии зависит от концентрации и давления кипящего раствора и определяется по формуле Тищенко И.А.
,
где D1¢ – физико-химическая температурная депрессия кипящего раствора при атмосферном давлении и фактической концентрации, °С;
Т и r – абсолютная температура кипения (К) и скрытая теплота парообразования растворителя при давлении кипения раствора, кДж/кг.
Значение депрессии D1¢ приводится в соответствующих справочниках.
По принципу действия различают выпарные установки периодического и непрерывного действия. Установки непрерывного действия более экономичные и их применение является наиболее предпочтительным.
Установки периодического действия применяются в небольших производствах и когда окончательный (готовый) продукт имеет настолько большую вязкость, что транспортировать его по трубопроводу становится невозможным.
Для отопления корпуса выпарного аппарата могут использоваться разнообразные источники тепла – пар, перегретая вода, высокотемпературные теплоносители, электричество, продукты сгорания. В промышленности в основном применяется пар. Принцип работы паровых выпарных установок следующий.
Выпарной корпус установки представляет собой вертикальный теплообменный аппарат. Нижнюю часть объема аппарата заполняет кипящий раствор, а верхняя часть является объемом, в котором происходит сбор и сепарация пара растворителя, выделяющегося из кипящего раствора. В теплообменник выпарного аппарата со стороны греющего теплоносителя направляется пар. Пар через поверхность теплообмена отдает свою теплоту и конденсируется. Раствор получает тепло от пара и кипит. Пары растворителя поднимаются в паровой объем аппарата, сепарируются и отводятся из корпуса. За счет выпаривания растворителя концентрация раствора растет. В корпус вводится свежий раствор, а отводится – концентрированный.
Составим тепловой баланс корпуса паровой выпарной установки на 1 кг исходного раствора без учета потерь тепла в окружающую среду:
I II III
………………………………………….,
где r – скрытая теплота парообразования греющего пара, кДж/кг;
d – количество греющего пара на 1 кг исходного раствора, кг/кг;
Ср – теплоемкость исходного раствора, кДж/(кг гр.);
tк и tр – температуры кипения раствора в корпусе и подводимого раствора, °С;
W – количество выпариваемого растворителя (пара вторичного вскипания) на 1 кг исходного раствора, кг/кг. W зависит от изменения концентрации раствора (в %) в корпусе и определяется , кг/кг;
iвп – энтальпия пара вторичного вскипания, кДж/кг;
Св – теплоемкость растворителя (воды), кДж/(кг гр.)
Физический смысл уравнения: I – тепло греющего пара, поступающее в выпарной аппарат на 1 кг исходного раствора, кДж/кг; II – тепло, затрачиваемое в аппарате для нагрева 1 кг поступающего раствора от начальной температуры раствора до температуры кипения в выпарном аппарате, кДж/кг; III – тепло, затрачиваемое на выпаривание кипящего растворителя из 1 кг исходного раствора, кДж/кг.
Таким образом, тепло, подводимое к корпусу выпарного аппарата на 1 кг раствора, затрачивается на подогревание раствора до температуры кипения раствора в корпусе и выпаривание кипящего растворителя.
Если поделить на r, то получим
.
Первый член правой части уравнения называется коэффициентом самоиспарения () и определяет расход пара на подогревание 1 кг раствора до температуры кипения. Отношение называется коэффициентом испарения (a) и определяет расход греющего пара на получение 1 кг пара вторичного вскипания. Тогда
.
Если температура поступающего в корпус аппарата раствора больше температуры кипения, то коэффициент b имеет отрицательное значение. В этом случае раствор вносит в выпарной аппарат дополнительное тепло, которое будет использовано на выпаривание раствора и уменьшит расход греющего пара. Как правило, температура раствора, поступающего в корпус, близка к температуре кипения раствора (tк » tр), т.е. b имеет нулевое значение. Значение разницы величин близко к скрытой теплоте парообразования растворителя, т.е. . Таким образом, d »W, т.е. количество выпаренного пара вторичного вскипания примерно равно количеству затраченного пара. Следовательно, 1 кг греющего пара выпаривает 1 кг растворителя, т.е. позволяет получить 1 кг пара вторичного вскипания. Если 1 кг вторичного пара направить в следующий выпарной корпус и в него же направить выпаренный раствор из первого корпуса, то 1 кг пара вторичного вскипания первого корпуса выпарит во втором корпусе из раствора еще 1 кг растворителя, т.е. 1 кг пара позволяет выпарить 2 кг растворителя. Таким образом, применение нескольких корпусов позволяет уменьшить расход греющего пара первого корпуса пропорционально числу примененных корпусов. В действительности из-за наличия тепловых потерь в окружающую среду эффект от применения нескольких последовательных корпусов меньше теоретического, поэтому в промышленности как правило применяются выпарные установки, имеющие не более 3¸5 последовательных корпусов.
В многокорпусной выпарной установке пар вторичного вскипания, полученный в предыдущем корпусе, является греющим паром последующего корпуса. Работа корпусов взаимосвязана. Для решения задачи необходимо определить расход пара вторичного вскипания, получаемого в каждом корпусе, а также расход греющего пара первого корпуса, т.е. количество неизвестных равно n + 1, где n – число корпусов. Решение задачи требует составления n + l уравнений. Тепловые балансы по каждому из выпарных корпусов позволят получить n балансовых уравнений, и еще одно уравнение может быть получено из материального баланса растворителя по корпусам установки. Тогда
(1)
…………………………………………………
; (n)
. (n+1)
Здесь D и Wi – часовые расходы острого пара и пара вторичного вскипания по корпусам установки, кг/ч;
W – общий расход выпариваемого растворителя установки, кг/ч;
h – коэффициент сохранения тепла каждого корпуса установки;
h » 0,97 (принимается).
Давление в каждом корпусе установки зависит от давления греющего пара и давления в последнем корпусе установки и определяется методом последовательных приближений. Порядок определения давлений в корпусах показан в примере расчета двухкорпусной установки.
Решение системы позволяет определить необходимую тепловую мощность греющего теплообменника каждого корпуса, кВт:
; (1)
; ( i )
. (n)
Поверхность теплообмена каждого корпуса определяется из уравнения теплопередачи, составленного для корпуса, м2:
…………………………
…………………………
.
Здесь Ki х Dtni – коэффициент теплопередачи и полезный температурный напор каждого корпуса.
Коэффициент теплопередачи корпуса определяется по уравнениям, приведенным в примере расчета. Полезный температурный напор каждого корпуса определяется из общего полезного напора всей установки. Порядок определения общего полезного напора установки следующий. Предположим, что мы в каждом корпусе испаряем не раствор, а чистый растворитель (воду). Тогда температура пара над кипящей водой в каждом корпусе равнялась бы температуре кипящей воды, при этом температура греющего пара последующего корпуса равнялась бы температуре пара вторичного вскипания предыдущего корпуса. Полезный температурный напор корпуса – разница температура между греющим паром и кипящим раствором.
Тогда для случая выпаривания чистого растворителя получим:
;
……………….
;
.
В нашем случае tr2 = tк1; tr3 = tк2; tri = tкi-1. Если сложить все полезные напоры корпусов, то получим, что их сумма – общий располагаемый полезный напор установки – равна разнице температур греющего пара в первом корпусе и пара вторичного вскипания последнего корпуса: Dt¢побщ. = tr1 – tвпn °С. При кипении действительных растворов наблюдается уменьшение общего полезного температурного напора из-за температурных депрессий, °С:
– физико-химической (D¢);
– гидростатической (D²);
– гидродинамической (D²¢).
Физико-химическая депрессия – уменьшение температуры паров над раствором по сравнению с кипящим раствором (D¢1 = tк – tвп).
Гидростатическая депрессия – уменьшение полезного температурного напора из-за повышения средней температуры кипения раствора в корпусе по сравнению с верхними слоями.
Гидродинамическая депрессия – уменьшение полезного температурного напора из-за снижения температуры конденсации греющего пара в связи с уменьшения давления пара на величину гидравлических потерь при переходе его из корпуса в корпус.
Порядок определения температурных депрессий приведен в примере расчета.
Тогда общий полезный напор установки определяется, °С:
.
Этот полезный температурный напор необходимо распределить между всеми корпусами установки. Распределение определено наложенным условием (требованием к установке). Основным требованием является одинаковая поверхность теплообмена всех корпусов установки, т.е. однотипность корпусов:
;
.
Если провести почленное деление одного уравнения на другое, то получим следующее:
………………………………….
…………………………………..
…………………………………..
.
Если сложить все полезные напоры, то получим
,
тогда
.
После чего возможно определить и все остальные полезные напоры каждого выпарного корпуса установки, найти необходимую поверхность теплообмена и подобрать соответствующий выпарной аппарат.
Ниже приводится пример расчета прямоточной выпарной установки, состоящей из двух корпусов, расположенных последовательно как по выпариваемому раствору, так и греющему пару (рис.1).
Рис.1. Схема двухкорпусной выпарной установки:
1,2-выпарные корпусы; 3-барометрический конденсатор; 4-вакуум-насос;
5-барометрическая труба; 6,8,11-конденсатоотводчики; 7,9-водоводяные
теплообменники; 10-пароводяной теплообменник