Условие задачи

Рассчитать двухкорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания S_o = 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 t_н = 30 ˚C до t_o = 82 ˚C. Давление греющего пара P_гр = 4,5 ата. Вакуум во втором корпусе составляет P_вак = 690 мм рт. ст. Выпарная установка обсуживается барометрическим конденсатором смешения, питающегося водой с t_в = 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

W1 Q1

Gв tв’

VГ

dГ2

dГ1

T2   D2     h2

Cк2 Dкр T2

t2 C2

S2 a2

W1 - E1

i1

E1

Cк Dк T1

t1 C1

S1 a1

Pг h1

Dг Tг

to Co

So ao

P1

P2

W2 Q2

i2

Расчет подогревателя

Исходные данные:

S_o = 12 000 кг/час;
a₁= 8 %;
a₂= 55%;
t_н= 30 ^˚C;
t_o= 82 ^˚C;
t_в^’= 20 ^˚C;

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

для раствора а = 8%, t_o = 82 ^˚C
09кг/м³
= 3,91×^-6 м²/с
 = · = 3,91×^-6 м²/с·09кг/м = 3,94519·10^-3 Па×с
r_р = 2304 кДж/кг
t_нас = 100,7 ^˚C
r = 2253 кДж/кг
657Вт/м×К

б) Пересчет единиц

1.                 Количество передаваемого тепла от конденсатора к воде

Q = S_o×r_р = 3,33кг/с×2304 кДж/кг = 7672 (кВт)

2.                 Расход греющего пара

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

3.                 Подготовка к расчету коэффициента теплопередачи

;           ;          
а) t = t^кон – t^кип = 18,7 ^˚C
б) Расчет A
С = 0,943 (вертикальный теплообменник);       Ao = 13·10³.
Для выбора высоты теплообменника надо оценить F_ор, а для этого нужно задаться К (К < _меньш).
К_ор = 1000 Вт/м²; , в каталоге – 497 м².
H = 1400 мм

в) d_n·´s = 38х2     [6, стр. 415]
г)
д) Расчет параметра В

4.                 Расчет коэффициента теплопередачи

К_расч = 1866 (итог четвертой итерации)

5.                 Расчет поверхности теплообмена

Уточнение подбора по каталогу, при условии, что F_катал > F_расч;  H_катал < 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:

S_o = 12 000 кг/час;
a_o = 8 %;
a₂ = 55 %;
t_н = 30 ˚C;
t_o = 82 ˚C;
P_гр = 4,5 ата = 4,413 бар;
P_вак = 690 мм рт. ст.;
t_в^’= 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%,       t_a1  101,4 ˚С;
₁ = t_a1 – t_ст = 101,6 -100,0 = 1,4 ˚C
Во втором корпусе считаем по правилу Бабо.
Абсолютное давление P_II = P_атм – P_вак = 1,033 – 0,842 = 0,191 атм = 0,188 бар
(P_s)_ст берется из таблицы насыщенных паров для температуры кипения раствора при a₂ = 55% (t_кип = 107 ˚С). (P_s)_ст = 1,294 бар. [3, таблица 1].
;  (бар)
По давлению 0,240 бар ищем температуру кипения раствора во втором корпусе: t_кип = 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 P_гр = 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

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 W_i (W₁, W₂)

Составим тепловой баланс по второму корпусу:

Теплоемкость исходного раствора C_o = 3,94 кДж/кг×град  [1]
Теплоемкость конденсата                C_к = 4,23 кДж/кг×град  [5]
Теплоемкость растворителя            C_р = 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 A_I и A_II.

.  Принимаем K_ор = 1100 Вт/м²×K.      [м²]
С = 0,943             [5, стр. 149]
A_0I = 13,0×10³,      A_0II = 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 B_оI и B_оII.

	(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

F_расч = 48,74 м²;
₁ = 54,747 ^˚C
₂ = 25,254 ^˚C
₁+₂ = 54,747 + 25,254 = 80,000 ^˚C
          невязка отсутсвует.

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)
P_{11 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 W_i и Q_i

а)
= 1,376 [кг/с]

б)

9.                 Сопоставление значений Q_I и Q_II 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 P_конд = 0,173 бар. [3, табл. 1].

1.                 Расход воды на конденсацию

2.                 Расчет потока газа, который образуется в конденсаторе

а) Расчет расхода парогазовой смеси

G_Г = [0,025·(G_в + 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

P_п = 0,0367 бар. [3, табл. 1].
P_Г = P_конд – P_п = 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 d_б.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
  "1-3" 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 W_i (W₁, W₂)............................................................. 5
6.     Подготовка к расчету поверхности теплообмена.................................. 6
а) Расчет A_I и A_II................................................................................................ 6
б) Расчет B_оI и B_оII.............................................................................................. 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 W_i и Q_i........................................................................ 7
12.      Сопоставление значений Q_I и Q_II 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

---