Выпарные аппараты предназначены для концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.

Процесс выпаривания - энергоемкий процесс, особенно если теплота испарения. Как например у воды. Поэтому составляющая на энергозатраты при выпаривании может быть весьма существенной составляющей в себестоимости производства того или иного продукта. Одним из наиболее эффективных способов снижения энергопотребления является применение выпарных батарей- многокорпусных выпарных установок.

Веществом, подлежащим концентрированию в водном растворе, является К2СО3. Его основные физико-химические свойства приведены в таблице 1.1:

Таблица 1.1

Название

вещества

Химическая

формула

Форма и цвет

Молекулярный

вес

температура

плавления, 0С

Теплота растворения при 18°в 400моля воды, ккал/кг-мол

плотность, г/см3

Температура кипения 50% р-ра, °С

Углекислый

Калий (пошат)

К2СО3

Белые

кристаллы

58,44

891± 0,5

6490

2,13

113,1

Пошат используют в производстве стекла. Значительное количество пошата употребляют для производства некоторых солей, фармацевтических препаратов, жидкого калийного мыла. Для получения жидкой и твердой двуокиси углерода, при крашение и отбелки тканей, для изготовления печатных красок и т.д. разработан способ кладки бетона в зимнее время с применением раствора пошата. В препаративной химии в качестве водоотталкивающего средства[1]

1. Описание технологической схемы установки

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температуря кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней к многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

В приведенном ниже типовом расчете трех корпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной камерой) и кипением раствора в трубах, и солеотделением.

Принципиальная схема трех корпусной выпарной установки см. приложение на А1.

Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом Н1 подается в теплообменник Т, где прогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем - в первый корпус выпарной установки АВ1. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате АВ1.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус АВ2. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения КТ, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом НВ. Смесь охлаждающейся воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом Н3 подается в промежуточную емкость упаренного раствора Е2.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков КО1-4.

2. Расчет основного аппарата

Выбор конструкционных материалов

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего водного раствора К2СО3 в интервале изменения концентраций от 11 до 32%. в этих условиях химически стойкой является сталь марки Х18Н10Т. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности лст = 25,1 Вт/(м*К).

Расчеты конструктивно-технологических параметров аппарата

Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяется по основному уравнению теплопередачи:

F = Q/(K?tп),

где Q - тепловая нагрузка, кВт;

K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*K);

?tп - полезная разность температур, град.

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур ?tп необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находятся методом последовательных приближений.

Производительность установки по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса:

W = Gн(1 - xн/xк),

где Gн - производительность установки по исходному раствору, кг/с;

xн, xк - массовые концентрации вещества в исходном и упаренном растворе соответственно, %.

W = 1,11*(1 - 11/32) = 0,728 кг/с.

Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соотношении:

?1: ?2: ?3 = 1,0: 1,1

Тогда

?1 = 1,0W/(1,0 + 1,1) = 1,0*1,11/2,1 = 0,346 кг/с;

?2 = 1,1W/(1,0 + 1,1) = 1,1*1,11/2,1 = 0,381 кг/с;

Далее рассчитываются концентрации растворов в корпусах:

x1 = Gнxн/(Gн - ?1) = 1,11*0,11/(1,11 - 0,346) = 0,16, или 16%;

x2 = Gнxн/(Gн - ?1 - ?2) =1,11*0,11/(1,11 - 0,346 - 0,381) = 0,32, или 32%.

Концентрация раствора в последнем корпусе x2 соответствует заданной концентрации упаренного раствора xк.

Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

?Pоб = Pг1 - Pбк,

где Pг1 - давление греющего пара, МПа;

Pбк - абсолютное давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

?Pоб =0,9-0,02=0,88МПа.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:

Pг1 = 0,9 МПа;

Pг2 = Pг1 - ?Pоб/2 = 0,9 - 0,0,88/2 = 0,46 МПа.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

Pбк = Pг2 - ?Pоб/2 = 0,46 - 0,488/2 = 0,02 МПа,

что соответствует заданному значению Pбк.

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

P, МПа t, 0C I, кДж/кг

Pг1 = 0,9 tг1 = 174,5 I1 = 2780

Pг2 = 0,46 tг2 = 147,82 I2 = 2750

Pбк = 0,02 tбк = 59,7 Iбк = 2607

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 в последующем корпусе на сумму температурных потерь УД от температурной (Д/), гидростатической (Д//) и гидродинамической (Д///) депрессий (УД = Д/ + Д// + Д///).

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Д/// = 1,0 - 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Д/// = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в 0C) равны:

tвп1 = tг2 + Д1/// = 147,82 + 1,0 = 148,82;

tвп2 = tбк + Д2/// =59,7 + 1,0 = 60,7.

Сумма гидродинамических депрессий

УД/// = Д1/// + Д2/// = 1 + 1 = 2 0С.

По температурам вторичных паров определим их давление. Они равны соответственно (в МПа): Pвп1 =0,47; Pвп2 = 0,18; Pвп3 = 0,021.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Рср каждого корпуса определяется по уравнению:

Рср = Pвп + сgH (1- е)/2,

где Н- высота кипятильных труб в аппарате, м; с - плотность кипящего раствора, кг/м3; е - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3/м3.

Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000 - 50000 Вт/м2. Примем q = 40000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна:

Fор = Q/q = щ1*r1/q,

где r1 - теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

Fор = Q/q = щ1*r1/q = 0,346*2121,2*103 / 40000 = 18,4 м2.

По ГОСТ 11987 - 81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой состоят из кипятильных труб, высотой 4 и 5 м при диаметре dн = 38 мм и толщине стенки дст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение е = 0,4 - 0,6.Примем е = 0,5.

Плотность водных растворов, в том числе NaCl [6], при температуре 20 0С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

с1 = 1145 кг/м3, с2 = 1323014 кг/м3.

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 0С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения е.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

Р1 ср. = Р вп 1 + с1*g*Н*(1- е)/2 = 47,069*104 + 1145*9,8*4*(1 - 0,5)/2 = 48,2*104;

Р2 ср. = Р вп 2 + с2*g*Н*(1- е)/2 =2,1 *104 + 1323,14*9,8*4*(1 - 0,5)/2 = 3,4*104.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1]:

P, МПа t, 0C r, кДж/кг

P1ср = 0,0,48 t1ср =149,6 rвп1 = 2121,32

P2ср = 0,034 t2ср =71,38 rвп2 = 2329,6

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в 0C):

Д1// = t1ср - tвп1 =149,6- 148,8 = 0,8;

Д2// = t2ср - tвп2 = 71,38-60,7=10,68

Сумма гидростатических депрессий

УД// = Д1// + Д2// + Д3// = 0,8+10,68=11,48.

Температурную депрессию Д/ определим по уравнению

Д/ = 1,62*10-2* Датм/ *Т2/ r вп,

где Т - температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; Датм/ - температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение Д/ по корпусам (в 0C):

Д/1= 1,62*10-2 * (149,6 + 273)2* 1,64 / 2121,32 = 2,24;

Д/2= 1,62*10-2 * (71,32 + 273)2* 5,04 / 2339,6 = 4,16;

Сумма температурных депрессий

УД/ = Д1/ + Д2/ + Д3/ =2,24+4,16=6,4.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в 0C)

tк = tг + Д/ + Д//.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения с естественной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой. Кипение в греющих трубках предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по сравнению с температурой кипения на верхнем уровне раздела фаз. Поэтому температуру кипения раствора в этих аппаратах определяют без учета гидростатических температурных потерь Д//.

tк1 = tг2 + Д/1 +Д///1 = 147,82+2,24+0,8+1=151,86

tк2 = tбк + Д/2 +Д///2 =

Перегрев раствора tпер может быть найден из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Уравнение теплового баланса для j-го корпуса записывается в следующем виде:

Gнj*cнj*(tкj-1 - tкj) + M*cнj*tперj = щj*(Iвп j - cв*tкj),

где М - производительность циркуляционного насоса (в кг/с),тип которого определяют по каталогу [11] для выпарного аппарата с поверхностью теплопередачи Fор.

Для первого корпуса tкj-1 - это температура раствора, поступающего в аппарат из теплообменника-подогревателя.

В аппаратах с естественной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора = 0,6 - 0,8 м/с. Примем = 0,7 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:

M = *S*с,

где S- сечение потока в аппарате (м2), рассчитываемая по формуле:

S = Fор *dвн/4*H,

где dвн - внутренний диаметр труб, м;

Н - принятая высота труб, м.

S = 18,3*0,034/4*4 = 0,039 м2.

M = 0,7*0,039*1109,5 = 30,3 кг/с.

Таким образом, перегрев раствора в j-м аппарате tперj равен:

tперj = [щj*(Iвп j - cв*tкj) - Gнj*cнj*(tкj-1 - tкj)] / M*cнj.

tпер1 = [щ1*(Iвп 1 - cв*tк1) - Gн1*cн1*(tк исх - tк1)] / M*cн1 = [0,346*(2750 - 4,19*151,86) -

1,11*3,5196*(103 - 151,86)] / 30,3*3,596 = 8,1

tпер2 = [щ2*(Iвп 2 - cв*tк2) - Gн2*cн2*(tк1 - tк2)] / M*cн2 = [0,381*(2750 - 4,19*147,82) - 1,11*3,520*(1151,86 - 75,54)] / 30,3*3,520 = 4,3

Полезная разность температур

Полезную разность температур (в 0С) в каждом корпусе можно рассчитать по уравнению:

tпj = tгj -tкj.

tп1 = tг1 - tк1 = 174,5-151,8=22,7;

tп2 = tг2 - tк1= 147,82-75,54=72,28;

Анализ этого уравнения показывает, что величина tпер / 2 - не что иное как дополнительная температурная потеря. В связи с этим общую полезную разность температур выпарных установок с аппаратами с вынесенной зоной кипения нужно определять по выражению:

УДtп = tг1 - tбк - УД/ - УД/// + УД//.

УДtп = 174,5-59,7-(6,4+11,48+2)=94,920С.

Проверим общую полезную разность температур:

УДtп = tп1 + tп2 = 22,7+72,28=94,980С.

Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q1 = D*(Iг1 - i1) = 1,03*[Gн*cн*(tк1 - tн) + 1*(Iвп1 - cв*tк1) + Q1конц]; (1)

Q2 = 1*(Iг2 - i2) = 1,03*[(Gн - 1)*c1*(tк2 - tк1) + 2*(Iвп2 - cв*tк2) + Q2конц]; (2)

W = 1 + 2 (4)

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

сн,с1,с2 - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/ (кг*К) [6];

Q1конц, Q2конц, Q3конц - теплоты концентрирования по корпусам, кВт;

tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе;

tн = tвп1 + Д/н,

где Д/н - температурная депрессия для исходного раствора.

tн = 148,8 + 1 = 149,80С.

При решении уравнений (1) - (4) можно принять:

Iвп1 Iг2; Iвп2 Iг3; Iвп3 Iбк.

Получим систему уравнений:

Q1 = D*(2780-740) = 1,03*[1,11*3,5* (151,86-149,8) + щ1*(270-4,19*151,86)];

Q2 = щ1*(272750-622,64) = 1,03*[(1,11-щ1)*3,52*(75,54-15,186)+щ2*(2607-4,79*75,54)];

W = 1 + 2 + 3 = 1,11.

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 0,366 кг/с; Q1 = 746,64 кВт; Q2 = 713 кВт;

щ1 = 0,335 кг/с; щ2 = 0,392 кг/с.

Результаты расчета сведены в таблицу1.2

Таблица 1.2

Параметры	Корпуса
	1	2
Производительность по упаренной воде щ, кг/с.	0,335	0,392
Концентрация растворов х,%	16	32
Давление греющих паров Pг,МПа	0,9	0,46
Температура греющих паров tг, °С	174,5	147,82
Температурные потери УД, град	-	-
Температура кипения раствора tк, °С	151,86	75,54
Полезная разность температур Дtп, градус	22,7	72,28

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (щ1=0,34 кг/с, щ2=0,37 кг/с, щ3=0,4 кг/с) превышает 5% необходимо заново пересчитать концентрации, температурные депрессии и температуры кипения растворов, положив в основу расчета новое, полученное из решения балансовых уравнений, распределение нагрузок по испаряемой воде.

Рассчитаем концентрации растворов в корпусах:

x1 = Gнxн/(Gн - ?1) = 1,11*0,11/(1,11 - 0,335) = 0,158, или 16%;

x2 = Gнxн/(Gн - ?1 - ?2) = 1,11*0,11/(1,11 - 0,335 - 0,393) = 0,319, или 32%.

Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

К1 = 1 / (1/б1 + Уд/л + 1/б2)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки дст/лст и накипи дн/лн. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Уд/л = 0,002/25,5 + 0,0005/2 = 2,87*10-4 м2*К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке б1 равен:

б1 = 2,04*4v(r1*с2ж 1*л3ж 1) / (мж 1*Н*t1),

где r1 - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

сж 1,лж 1,мж 1 - соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки tпл = tг 1 - t1/2, где t1 - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет б1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем

tпл = 174,5 - 1 = 1175,5 град.

Тогда

б1 = 2,04*4v(2025,2*103*10952*0,5873)/(0,07*10-3*4*2) = 11101,61 Вт/ м2*К.

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q = б1*Дt1 = Дtст / (Уд/л) = б2*Дt2,

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

Дtст - перепад температур на стенке, град;

Дt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Дtст = б1*Дt1* Уд/л = 11101,61*2*2,87-4 = 8,26 град.

Тогда

Дt2 = Дtп 1 - Дtст - Дt = 22,7-8,24-2 = 16,46 град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных трубок при условии естественной циркуляции раствора равен:

б2 =Аq0.6 =780 q0.6 (л11.3*с10.5*сп10.06/у10,5*rв10,6*с10,66*c10,3*м10,3).

Подставив численные значения, получим:

б2 =780q0.6 (0,587 1.3*10950.5*2,9130.06/0,0780.5*(2145*103) 0.6*0,5790.66*34500.3*(0,07*103) 0.3) =6976,4

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q/ = б1*Дt1 = = 11101,61*2=222,322 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 6976,4*16,46 = 90483,91 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Для второго приближения примем Дt1 =5,0

б1 = 11101,61*4v2/5 = 8828,78 Вт/ м2*К.

Получим:

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

Дtст =9722,4*3,4*3,79*10-4 =11,38

Дt2 = 23,23-11,38-5=0,85 град.

б2 = 17,21*(9722,4*5) 0,6 =10536,67

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q/ = б1*Дt1 = 9722,4*5 = 33056,16 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 8857,93*7,29 = 64574,31 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Так как расхождение между тепловыми нагрузками превышает 5%, продолжаем подбор

Тогда примем t1 = 4,3

Тогда

б1 = 2,04*4v2/4 = 9335,3 Вт/ м2*К.

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q = б1*Дt1 = Дtст / (Уд/л) = б2*Дt2,

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

Дtст - перепад температур на стенке, град;

Дt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Дtст = б1*Дt1* Уд/л = 9335,3*4*3,79*10-4 = 14,15град.

Тогда

Дt2 = Дtп 1 - Дtст - Дt = 23,23-4-14,15 = 5,08 град.

б2 = 17,21(9335,3*4) 0,6 =9530,02

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q/ = б1*Дt1 = 9335,3*4=37341,2 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 9530,02*5,08=48412,50 = 39282,63 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов б1 и

б2 на этом заканчивается. Находим К1:

К1 = 1/(1/9168,04 + 2,87*10-4 + 1/9845,27) = 1696 Вт/ м2*К.

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2.

К2=1 / (1/б1 + Уд/л + 1/б2)

Расчет б1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем

Дt1=5 град.

б1 = 2,04*4v(2084*103*12742*0,55923)/(0,21 *10-3*4*5) = 7027,52 Вт/ м2*К.

Дtст = 7027,52*5*2,87*10-4 = 13,32 град;

Дt2 =74,87-13,32-5= 56,55 град;

б2 =780q0.6 (0,5592 1.3*12740.5*0,24980.06/0,090.5*(2307*103) 0.6*0,5790.66*31800.3*

* (0,21*103) 0.3) =5269,63 Вт/ м2*К;

q/ = б1*Дt1 = 7027,52*5,0 = 35137,6 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 5269,63*56,55=297997,58 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Во втором приближении примем t1 =23,5 град.

Тогда

б1 = 7027,52v5/23,5 = 4772,85 Вт/ м2*К.

Дtст = 4772,85*23,5*2,87*10-4 =42,51 град;

Дt2 =74,87-42,51-23,5=8,86 град;

б2 = 10573,64 Вт/ м2*К;

q/ = б1*Дt1 = 4772,85*23,5=112161,975 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 10573,64*8,86= 93682,45Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Так как расхождение между тепловыми нагрузками превышает 5%, продолжаем подбор

Тогда примем t1 = 23

б1 = 7027,52*4v5/23 = 4798,58 Вт/ м2*К.

Дtст =4798,58*232,87*10-4 = 41,83 град;

Дt2 = 74,87-41,83-23=10,04 град;

б2 = 10471,8 Вт/ м2*К;

q/ = б1*Дt1 = 4798,58*23 = 110367,34 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 10471,8*10,04=105136,87 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q// расхождение между тепловыми нагрузками превышает 5%, продолжаем подбор

Тогда примем t1 = 22,8.

б1 = 7027,52*4v5/22,8 = 4809,07 Вт/ м2*К.

Дtст =4809,07*22,8*2,87*10-4 = 41,56 град;

Дt2 = 74,87-41,56-22,8=10,51 град;

б2 = 10430,43 Вт/ м2*К;

q/ = б1*Дt1 =4809,07 * 22,8=109646,796 Вт/м2;

q// = б2*Дt2 = 10430,73*10,51=109626,97 Вт/м2.

Как видим, q/ ? q// расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 5%.заканчиваем расчет коэффициентов б1 и б2. находим К2

К2 = 1/(1/4809,07 + 2,87*10-4 + 1/10430,73) = 1464,13 Вт/ м2*К.

Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

Дtпj = УДtп*(Qj/Kj)/УQ/K,

где Дtпj,Qj,Kj - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

Дtп1 =94,98 *(746,64/1696,35) / (746,64/1696,35 + 713/1464,13) = 44,76 град,

Дtп2 = 94,98*(713/1464,13) / (746,64/1696,35 + 713/1464,13) = 50,22 град,

Проверим общую полезную разность температур установки:

УДtп = Дtп1 + Дtп2 = 45,76+49,19=94,98град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

F= Q/(K Дtп)

F1 = 746,64 *103/ (1696,35*45,76) = 12,3м2,

F2 = (713*103) / (1464,13*49,76) = 12,3 м2,

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Дtп представлено ниже:

	Корпус
	1	2
Распределенные в 1-м приближении значения Дtп, град	22,7	72,28
Предварительно рассчитанные значения Дtп, град	45,76	49,19

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условий равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же

значения Д/,Д// и Д/// для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:

Параметры	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде щ, кг/с	0,335	0,392
Концентрация растворов х, %	16	32
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг1, 0С	174,82	147,82
Полезная разность температур Дtп, град	45,76	49,19
Температура кипения раствора tк = tг - Дtп, 0С	131,06	99,83
Температура вторичного пара tвп = tк - (Д/ + Д//), 0С	130,56	82,76
Давление вторичного пара Рвп, Мпа	0,47	0,02
Температура греющего пара tг = tвп - Д///, 0С	129	81,76

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q1 = 1,03*[1,11*3,68*(131,06-129,06)+0,435*(2726,78-4,19*131,06)] = 1026,957;

Q2 = 1,03*[(1,11-0,335)*3,45*(99,83-131,06)+0,52*(2648,97-4,19*82,76)] = 1121,06;

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный выше описанным методом, приводит к следующим результатам: К1 = 1767 м2*К/Вт; К2 = 1512 м2*К/Вт.

Распределение полезной разности температур:

Дtп1 =94,98 *(981,79/1767) / (981,79/1767 +1211/1512) = 41,85 град,

Дtп2 =94,98*(1211/1512) /(981,79/1767 +1211/1512)=53,13 град,

Проверим общую полезную разность температур установки:

УДtп = Дtп1 + Дtп2 =41,85+53,13=94,98град.

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышают 5%.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F1 = (978,545*103) / (1767*41,97) = 13,2 м2,

F2 = (112,06*103) / (15612*56,13) = 13,2 м2.

По ГОСТу11987-81 выбирем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена Fн 16 м2

Диаметр труб d 38*2 ммІ

Высота труб H 4000 ммІ

Диаметр греющей камеры dк 400 мм

Диаметр сепаратора dс 800 мм

Диаметр циркуляционной трубы dц 250мм

Масса аппарата Mа 14500кг

Определение толщены тепловой изоляции

Толщенную тепловой изоляции д находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

б в (t ст2- t в)= (ли /ди)(t ст1 - tст2)

где б в =9,3+0,058 t ст2- коэффициент тепло отдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду,Вт/мІ К;

t ст2-температура изоляции со стороны окружающей среды, С°;

t ст1 - температура изоляции со стороны аппарата t ст1 = t г1, С°;

t в - температура окружающей среды,С°

ли -коэффициент теплопроводности изоляционного материала Вт/м К.

б в = 9,3 + 0,058*40 =11,62 Вт

в качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии = 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности ли =0,09 Вт/м К.

Тогда получим

ди =0,09(179,8-40)/11,62(40-60)=0,054 м

Расчет на прочность

Эллиптическое днище.

Внутренний диаметр элептического днища	1200 мм
Высота скругленной части днища	300 мм
Толщина стенки днища s	8 мм
Диаметр заготовки D	1463 мм
Высота борта h	40 мм
Масса днища m	105 кг
Объем днища V	271·103 м3
Внутренняя поверхность днища	2 м2

Коническое днище.

Внутренний диаметр конического днища	1200 мм
Высота конической части днища	1087 мм
Радиус нижней части днища	180 мм
Объем днища V	490·103 м3
Внутренняя поверхность днища	2,58 м2
Толщина стенки днища s	8 мм
Высота борта h	40 мм
Масса днища m	165 кг
Развертка	2592 мм

Расчет толщины обечаек.

Условие выполняется, следовательно толщина обечайки выбрана правильно.

Заключение

В курсовой работе рассмотрена двухкорпусная выпарная установка, произведены основные расчеты по определению поверхности теплоотдачи выпарного аппарата, концентрации упариваемого раствора К2СО3. Исходя из свойств соли был выбран аппарат первого типа с третьим исполнением, выпарной трубчатый аппарат с естественной циркуляцией, с сосной греющей камерой и солеотделением. Упариванием раствора, выделяющиеся кристаллы, удаляются промывкой.

Список использованной литературы

1 Реми Г. Курс неорганической химии/-М.: Мир 1989.-823с.

2 Колчан Т.А. Выпарные станции/Т.А. Колчан, Д.В. Радун-.М.:Машгиз,1963.-398с.

3 Основные процессы и аппараты химической технологии/Под ред. ЮЙ Дыднерского.-М:. Химия, 1991.-494с.

4 Павлов К.Ф примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А Носков.- Л.: Химия,1987.-576 с.

5 Справочник химика / Под редакцией Б.Н. Николенского. Т. 1-6.-М.;Л.:химия, 1966.

6 Аппараты выпарные трубчатые вертикальные общего назначения:Каталог.- М.:ЦИНТИхимнефтемаш,1979.-272с.