Температурный режим работы установки

Министерство образования Российской федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

Профессионального образования

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Университет Растительных Полимеров

 

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии.

 

Курсовая работа на тему:

«Расчёт выпарной установки»

 

 

Проверил: Выполнил:

Доцент Студент гр. 521

Бутко Г.Ю. Шашлов Д.В.

 

 

Санкт-Петербург

Содержание

1. Введение……………………………………………………….....3

2. Температурный режим работы установки………………….5

· Предварительный выбор поверхности нагрева выпарных аппаратов……………………………………………………………………5

· Предварительное распределение выпариваемой воды по корпусам установки……………………………………………...................................7

· Расчет концентраций на выходе раствора из корпусов установки…………………………………………………………………...7

· Определение температурного режима работы установки (первое приближение)…………………………………………................................8

· Уточнение распределения выпариваемой воды по корпусам установки………………………………………………………………….10

· Уточнение температурного режима работы установки……..................11

3. Расчет коэффициентов теплопередачи……………………..12

· Уточненный расчет поверхности теплопередачи и выбор выпарных аппаратов………………………………………..........................................14

4. Расчет вспомогательного оборудования…………………...15

· Расчет барометрического конденсатора………………………………...15

· Расчет вакуум-насоса……………………………………………………..17

· Расчет подогревателей раствора ………………………………………...18

· Расчет и выбор насосов…………………………………………………..20

· Расчет основных трубопроводов………………………………………...21

5. Технико-экономические показатели работы выпарной установки…………………………………………………….....23

6. Библиографический список………………………………….26

ВВЕДЕНИЕ

 

Процессы выпаривания получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. Выпарные установки в большинстве случаев размещаются в отдельных зданиях и оснащены многочисленными приборами контроля и средствами автоматизации с весьма сложной схемой регулирования параметров и режимов работы установки.

В целлюлозно-бумажной промышленности выпаривание применяется для концентрирования щелоков при производстве целлюлозы различными способами, в основном, с целью возврата химикатов в производство. Выпаривание сульфитных щелоков проводится в аппаратах с принудительной циркуляцией и, как правило, с вынесенной зоной кипения.

Современные выпарные установки целлюлозно-бумажной промышленности включают 6-9 аппаратов при пяти - или шестиступенчатой схеме выпаривания. Питание корпусов раствором, как правило, осуществляется по смешанной схеме. При этом в первых корпусах установки может быть применено выпаривание с тепловым насосом, а отдельные корпуса установки могут работать при параллельном питании аппаратов раствором. Расчет таких установок представляет собой сложную задачу, а его трудоемкость значительно превышает возможности учебного процесса.

В соответствии со схемой питания установки раствором исходный раствор из бака слабого щелока центробежным насосом подается в циркуляционную трубу корпуса 3 установки, нагретым до температуры кипения в этом корпусе в подогревателе. Из корпуса 3 центробежным насосом раствор подается в 1 корпус установки. Поскольку абсолютное давление в сепараторе корпуса 1 больше, чем в сепараторе корпуса 2,то из первого корпуса под действием перепада давлений щелока поступает во второй корпус самотеком. При этом за счет более высокой температуры поступающего в аппарат щелока (по отношению к температуре его кипения во втором корпусе) из щелока без подвода теплоты дополнительно удаляется растворитель (вода) т.е. происходит процесс самоиспарения. Подача такого щелока в циркуляционную трубу недопустима, т.к. образующиеся пары вскипания будут ухудшать условия циркуляции раствора и процесса теплопередачи в аппарате, двигаясь навстречу циркулирующему раствору. Поэтому на схеме подача щелока в корпус 2 осуществляется в сепаратор выше уровня раствора в нем. Такая подача раствора из корпуса в корпус характерна для любого прямоточного участка схемы из аппаратов с принудительной циркуляцией раствора. Из корпуса 2 раствор направляется на дальнейшую переработку.

.

Подвод теплоты к раствору для обеспечения процесса выпаривания в корпусе 1 осуществляется свежим греющим паром, который называют первичным. Образовавшийся в первом корпусе из раствора соковый пар (иначе - вторичный пар) используется в качестве греющего пара во втором, соковый пар второго является греющим для третьего, а соковый пар корпуса 3 конденсируется в барометрическом конденсаторе. Смесь конденсата и охлаждающей воды отводится по барометрической трубе, а неконденсируемые газы после отделения капель жидкости в ловушке отсасываются вакуум-насосом. Такая схема многократного использования теплоты первичного пара применяется в любой выпарной установке, независимо от схемы питания ее корпусов раствором.

 

Температурный режим работы установки

Предварительный выбор поверхности нагрева выпарных аппаратов:

Для выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией удельная паропроизводительность корпусов U находится в пределах 13-20 кг/м²·ч.

 

Учитывая это, я принимаю значения:

U=13

Для расчета требуемой поверхности нагрева выпарного аппарата необходимо определить общее количество выпариваемой воды W по уравнению материального баланса установки

 

 

где G₀ - производительность установки по начальному раствору;

x_н и x_к - начальная и конечная концентрации раствора, % масс.

 

G₀ = 45т/час = 45*1000/3600= 12.5кг/с

W=

Поверхность нагрева выпарного аппарата:

 

 

где n – число корпусов в установке.

 

 

Выбираю стандартный выпарной аппарат заданного типа с поверхностью нагрева F_ст.

F_ст = 1000 м² – номинальная поверхность теплообмена.

 

Для выбранного стандартного аппарата определяю из ГОСТа диаметр труб и их высоту.

 

d = 38 × 2 мм – наружный диаметр труб;

H = 6000мм – высота труб.

 

Число труб n_т в греющей камере выпарного аппарата определяется из условия:

 

 

 

 

 

Далее, эти данные использую при расчете коэффициента теплопередачи по корпусам.

 

 

 

Предварительное распределение выпариваемой воды по корпусам установки

Количество выпариваемой воды в конкретном корпусе выпарной установки зависит от схемы ее работы и определяется расходом греющего пара в этом корпусе, температурой и расходом поступающего в него щелока.

Долевое соотношение расхода испаряемой воды по корпусам установки можно записать в виде:

W₁ : W₂ : W₃ = 1 : 1,07 : 1,05

 

Сумма всех долей равна 3,12. Следовательно, для рассматриваемой установки

W₁ = W /3,12=9,71 / 3,12= 2,82 кг/с

где W– количество выпариваемой воды во всех корпусах установки.

Следовательно, с предполагаемым распределением можно найти

W₂ = 1,07W₁ = 3,01 кг/с

W₃ = 1,05W₁ = 2,96 кг/с

Расчет концентраций на выходе раствора из корпусов установки

Так как при выпаривании раствора в аппарате в паровую фазу переходит только растворитель (вода), а твердый компонент остается в растворе и в паровую фазу не переходит, то концентрации твердого компонента в щелоке на выходе из любого корпуса установки определяют на основании уравнения материального баланса по твердому компоненту в растворе

 

 

где i - номера отсчета корпусов по ходу пара;

j=1,2,…,m,…,n - номера отсчета корпусов по ходу раствора;

- сумма расходов испаряемой воды в предыдущих по ходу раствора корпусах и в данном корпусе

Определение температурного режима работы установки
(первое приближение)

Для расчета установки задано значение вакуума в третьем корпусе установки. Задаюсь величиной температурного напора выпарной установки из расчета одинаковых значений полезной разности температур на один корпус в пределах (12÷15)°С. Принимаю ∆t=12°С.

При известной величине вакуума в последнем корпусе расчет начинают с определения абсолютного давления в сепараторе этого корпуса

Р=101,3 кПа

В=79кПа

 

 

Значения концентрационных депрессий ∆′_i2 во всех корпусах установки для различных щелоков по концентрации твердого компонента в щелоке на выходе из аппарата рассчитывается по формуле:

 

∆′=A*exp(B*x),

где x - концентрация щелока в массовых %,

А и В - постоянные, зависящие от природы щелока.

Для сульфитного щёлока на натриевом основании

А=0,21 В=0,043

 

Значение гидродинамической депрессии ∆′′′_i,(i+1) в паропроводах между корпусами, связанное с изменением давления пара вследствие гидравлических сопротивлений паропровода, обычно не превышает 3°С, и находится пределах (1÷3)°С.

Принимаю ∆′′′_1,2=1,5 °С;

∆′′′_2,3=2,9 °С.

 

 

Cоставляю приблизительный температурный режим работы установки, начиная с температуры греющего пара в первом корпусе t_1г, пользуясь для любого i-того корпуса равенствами:

 

где t_iг , t_i2 , t_iс - температуры греющего пара, кипения раствора и сокового пара
i-того корпуса;

t_(i-1)c - температура сокового пара предыдущего корпуса.

 

 

Приблизительный температурный режим

Таблица 1

№ кор­пуса	∆′′′i(i+1)	Температура сокового пара, tiс	∆′i2	Температура кипения раствора, ti2	∆ti	Температура греющего пара, tiг
	-	62,15872	1,218	63,37716	9,542	72,91948
	2,5	75,41948	5,452	80,87198	21,267	102,1386
	1,5	103,6386	1,742	105,3806	8,191	113,5717

 

Все указанные расчеты при составлении приблизительного температурного режима работы установки я выполнил с помощью ЭВМ.

 

 

Уточнение распределения выпариваемой води по корпусам установки

Система уравнений теплового баланса установки включает в себя уравнения теплового баланса всех корпусов установки и уравнение материального баланса установки по выпариваемой воде.

Определим удельную массовую теплоемкость щелока:

c = A – a*x (8)

где с - удельная массовая теплоемкость щелока, Дж/(кг·К);

X - концентрация в массовых %;

А и а - постоянные, зависящие от природы раствора

А=4103 а=21,8 по таблице для сульфитного щёлока на кальциевом основании

 

Теплоемкость раствора на входе в корпус:

C₃₁ = 4103-21.8*13=3,82 кДж/(кг·K)

С₃₂ = 4103-21.8*17.03=3,73 кДж/ (кг·K)

С₁₁ = 4103-21.8*24.18=3,57 кДж/(кг·K)

 

Теплоемкость раствора на выходе в корпус:

С = 3.57 кДж/(кг·K)

С = 3,07 кДж/(кг·K)

С = 3.73кДж/(кг·K)

 

 

Энтальпии пара (греющего и сокового) определяю методом линейной интерполяции по соответствующим значениям температур:

 

Теплоемкость конденсата:

 

Для 3-го корпуса: с=4.19 кДж/кг*К

Для 2-го корпуса: с=4.19кДж/кг*К

Для 1-го корпуса:с=4.23 кДж/кг*К

Уточнение температурного режима работы установки:

Число корпусов n = 3

Производительность установки по исходному раствору G₀ = 13,88 кг/с

Общее количество выпаренной воды W=9,71 кг/с

 

Таблица 2

№ п/п	Наименование величины	Размер­ность	Номера корпусов
1.	Энтальпия греющего пара	кДж/кг		2684.4	2700.8
2.	Энтальпия сокового пара	кДж/кг	2685.4	2642.4	2615.66
3.	Теплоемкость конденсата	кДж/кг·K	4,27	4,19	4,19
4.	Теплоемкость раствора на входе в корпус	кДж/кг·K	3,73	3,57	3,82
5.	Теплоемкость раствора на выходе из корпуса	кДж/кг·K	3,57	3,07	3,73
6.	Температура конденсата	оС	113,028	90,16	75,07
7.	Температура раствора на входе в корпус	оС	105,38	105,38	63,38
8.	Температура раствора на выходе из корпуса	оС	105,38	80,87	63,38

 

Решение составленной системы уравнений теплового баланса выполняю на ЭВМ, используя данные табл.2.

 

Результаты решения уравнений теплового баланса выпарки

Таблица 3

№	Расход греющего пара кг/с	Расход испаряемой воды кг/с
	2,853506	2,813308
	2,813308	3,010079
	3,010079	2,976612

 

Погрешность:

 

W₁=0,2%

W₂=1.99%

W₃=0.3%