reforef.ru 1


Министерство Образования и Науки Российской Федерации

Нижегородский Государственный Технический Университет

Дзержинский политехнический институт

Кафедра «Процессы и аппараты химической и пищевой технологии»


Курсовой проект

на тему:

« Расчёт и проектирование двухкорпусной выпарной установки».
Разработал студент: Соловьёва К.А.

гр. 06-ПИМП

Проверил: Квашенников А.И.
Дзержинск 2009 г.

Содержание

Лист

Задание………………………………………………………………………………...2

Введение……………………………………………………………….……………....4

1 Описание технологической схемы выпарной установки………………………..6

2 Конструкция выпарного аппарата……………………………..………………....7

3 Технологический расчет выпарного аппарата……………….….……….……...7

3.1 Цель расчета………………………………………………....…………….…....7

3.2 Исходные данные………………………….…………………..………….…....7

3.3 Материальный баланс………………………………….……..….……….…...8

3.4 Температуры кипения растворов……………………..……..…………….….8

3.5 Полезная разность температур……………….……….…………….………....11

3.6 Определение тепловых нагрузок…………….……………..……………….12

3.7 Выбор конструкционного материала…………….…….…………………..12

3.8 Расчет коэффициентов теплопередачи……….……………..…………..…...13

3.9 Распределение полезной разности температур….…….………………......15

3.10 Уточненный расчет поверхности теплопередачи……….…….….……....15

3.11 Определение толщины тепловой изоляции…………….……….….……..16

4 Расчет барометрического конденсатора……………….……………..…………17

4.1 Расход охлаждающей воды……………………….…….………….………..17

4.2 Диаметр конденсатора……………………..……………………….………..17

4.3 Высота барометрической трубы……………………….………….………..17


4.4 Расчет производительности вакуум – насоса……….……….…….……….18

5 Прочностной расчет основных элементов выпарного аппарата…..…………19

5.1 Цель расчета………………………………………………….……..………..19

5.2 Исходные данные……………………………………….….……..………….19

5.3 Обечайка сепаратора……………….………………….….…………………19

5.4 Днище сепаратора……………………..………………….…….……………20

5.5 Обечайка греющей камеры…………..…………………….….…………….21

5.6 Трубна решетка………………………..……….….…………………………22

Заключение……………………………………………….…………………………..23

Список использованной литературы……………..…….………………………….24


Введение
Выпариванием называется концентрирование растворов прак­тически нелетучих или мало летучих веществ в жидких летучих раство­рителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные раство­ры щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара, — некото­рые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление раство­рителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как из­вестно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвер­гают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве слу­чаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным.

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.


Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называет­ся вторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых про­изводствах концентрирование растворов осуществляют при непосредст­венном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Выпаривание проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из несколь­ких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каж­дого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последую­щий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обе­спечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необхо­димую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках пер­вичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная эко­номия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура 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 выбывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико – экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.


  1. Описание технологической схемы выпарной установки


В связи с тем, что при выполнении курсового проекта по процессам и ап­паратам подобная задача пока не ставится, число корпусов в уста­новке, давление греющего пара и вакуум в конденсаторе обычно входят в задание на проектирование.

Ниже приведен расчета двухкорпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией и вынесенной зоной кипения.

Рис. I. Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки.

Принципиальная схема двухкорпусной выпарной установки показана на рис. I. Исходный разбавленный раствор из про­межуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем — в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. 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 6 (где заданное давлен поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 7). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 8. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 9 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 10.


Конденсат греющих паров из выпаренных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков11.


  1. Конструкция выпарного аппарата


Аппарат (приложение 2) состоит из греющей камеры, сепаратора с брызгоотделителем, циркуляционного насоса с электроприводом и циркуляционной трубы. В верхней части сепаратора расположен брызгоотделитель.

Кипение раствора в аппарате происходит в трубе вскипания при выходе раствора в сепаратор.

Кипение в трубах предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания.

Уровень раствора в аппарате должен поддерживаться по нижней образующей штуцера входа парожидкостной смеси в сепаратор. Снижение уровня приводит к увеличению расхода мощности электропривода, а повышение вызывает гидравлические удары и брызгоунос вторичным паром.

Циркуляция раствора в аппарате осуществляется осевым насосом по замкнутому контуру: сепаратор – циркуляционная труба – насос – греющая камера – сепаратор. Циркуляционный насос обеспечивает скорость потока в трубах 2 – 2,5 м ∕с.

Мощность электропривода определяют в каждом конкретном случае в зависимости от вязкости раствора.

Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, перегревается и по мере выхода из трубы вскипания в сепаратор закипает. Образовавшееся парорастворная смесь направляется тангенциально в сепаратор, где разделяется на жидкую и паровую фазы. Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель и выходит из аппарата через штуцер Б.

Греющий пар через штуцер А поступает в межтрубное пространство аппарата, где конденсируется. Конденсат удаляется через штуцер Д.

Раствор в аппарат подается через штуцер В1 или В2. Упаренный раствор выводится через штуцер Г.

Для наблюдения за работой аппарата предусмотрены смотровые окна, для установки манометров и термометров – бобышки.


Аппарат рассчитан на непрерывную работу.

Конструкция аппарата предусматривает возможность механической чистки внутренней поверхности греющих трубок.


  1. Технологический расчет выпарных аппаратов


3.1 Цель расчета
Целью расчета является расчет необходимой поверхности теплообмена и выбор нормализованного выпарного аппарата.
3.2 Исходные данные
Расход исходного раствора GН, кг ∕ч 7000

Исходная концентрация раствора хн, % масс 5

Конечная концентрация раствора хк, % масс 40

Давление греющего пара РГП, МПа 0,14

Остаточное давление в барометрическом конденсаторе 0,01
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:
.
Для определения тепловых нагрузок ,Коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций раствора и их температур кипения по корпусам.
3.3 Материальный баланс
Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:



Подставив, получим:
кг ∕с.

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 соответствии с соотношением


::1,1

Тогда

= 1·W / (1 + 1,1) = 1·1,701 / 2,1 = 0,81 кг / с,

= 1,1·W / (1 + 1,1) = 1,1·1,701 / 2,1 = 0,891 кг / с.
Далее рассчитывают конечные концентрации растворов в корпусах:
или 8,57 % ;

или 40 %.
Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .
3.4 Температуры кипения растворов
Общий перепад давления в установке равен:
МПа

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

давление пара в барометрическом конденсаторе
МПа.
что соответствует заданному значению РБК.

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

Р, МПа t, oC I, кДж ∕кг


РГП1 = 0,24 t ГП1 = 125 IГП1 = 2718

РГП2 = 0,125 t ГП2 = 105 IГП2 = 2687

РБК = 0,01 t БК = 45 IБК = 2579,8
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 от температурной , гидростатической и гидродинамической депрессий

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах ( 0С ) равны:



Сумма гидродинамических депрессий:
0С.

По температурам вторичных паров определим их давления [1, табл.LVI]. Они соответственно равны ( МПа): МПа; МПа.


Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности.

Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:


где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м;

- плотность кипящего раствора, кг ∕м3;

- паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3 ∕м3.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляцией Вт ∕м2. Примем Вт ∕м2 и . Тогда поверхность теплопередачи 1 – го корпуса ориентировочно равна:
, м2,
где - теплота парообразования вторичного пара в первом корпусе, Дж ∕кг.

Из табл. LVI [1] по значению величина

Тогда:


м2.
По ГОСТ 11987 – 81 [3] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 6 м при диаметре dн=38 мм и толщиной стенки 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 5 м.

Для определения плотности томатного сока в корпусах воспользуемся формулой [2]:

,

где n – концентрация, %;

Т- температура кипения, примем 305°С.
1-й корпус. %;

кг ∕м3.

2-й корпус. %;

кг ∕м3.
Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:


.
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1]:
Р, МПа t, oC r, кДж ∕к

Р1СР = 0,14 t 1СР = 109 rВП1 = 2236,8

Р2СР = 0,0247 t 2СР = 65 rВП2 = 2345,2

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в 0С):

,

.
Сумма гидростатических депрессий:
.
Температурную депрессию определяем следующим образом [1, стр. 254]:

1 – й корпус: 1. Определение температуры кипения раствора при наличии абсолютного давления над раствором р1 = МПа = 1,125 кг·с ∕см2.

По рис.38 – 295 [2] находим, что томатный сок при концентрации х1=8,57 % кипит при температуре 100,49 0С. При этой же температуре давление насыщенного пара воды по табл. LVI [1] рв=1,0529 кг·с ∕см2. Отношение давлений пара над раствором р1 и рв при одной и той же температуре 100,541 0С:

.

Согласно правилу Бабо, это отношение сохраняет постоянное значение при всех температурах кипения раствора.

Для искомой температуры кипения раствора при р1=1,125 кг·с ∕см2 :

, откуда рв=1,125 ∕ 0,98 = 1,148 кг·с ∕см2

чему соответствует по табл. XXXIX [1] температура кипения воды 103,1 0С. Эту же температуру кипения будет иметь и томатный сок при давлении над раствором 1,125 кг·с ∕см2.


2. Определение : температура кипения воды при давлении 1,125 кг·с ∕см2 по табл. XXXIX [1] равна 102,5 0С.

= tр – tв = 103,1 – 102,5 = 0,6 0С.

Учтем поправку Стабникова. По табл. 5.1. при (рр∕рв) = 0,98 и рр = 1,125 кг·с ∕см2 поправка = 0,9. Таким образом:

= 0,9 + 0,6 = 1,5 0С.

2 – й корпус
. 1. Определение температуры кипения раствора при наличии абсолютного давления над раствором р1 = кг·с ∕см2=24,78 мм.рт.ст.

По рис.38 – 295 [2] находим, что томатный сок при концентрации х1=40 % кипит при температуре 105,2 0С. При этой же температуре давление насыщенного пара воды по табл. LVI [1] рв=1,232 кг·с ∕см2. Отношение давлений пара над раствором р1 и рв при одной и той же температуре 105,2 0С:

.

Согласно правилу Бабо, это отношение сохраняет постоянное значение при всех температурах кипения раствора.

Для искомой температуры кипения раствора при р1=0,1069 кг·с ∕см2:

, откуда рв=0,101 ∕ 0,838 = 0,12 кг·с ∕см2

чему соответствует по табл. XXXVIII [1] температура кипения воды 28,6 0С. Эту же температуру кипения будет иметь и томатный сок при давлении над раствором 0,101кг·с ∕см2.


2. Определение : температура кипения воды при давлении 0,101 кг·с ∕см2 по табл. XXXVIII [1] равна 25,5 0С.

= tр – tв = 28,6 – 25,5= 3,10С.

Учтем поправку Стабникова. По табл. 5.1. при (рр∕рв) = 0,838 и рр = 0,101 кг·с ∕см2 поправка = 0,9. Таким образом:

= 3,1 + 0,9 = 4 0С.

Сумма температурных депрессий:
1,5 + 4 = 5,50С.
Температуры кипения растворов в корпусах равны (в оС):
105 + 1,5 + 3 + 1 = 110,5,

45 + 4 + 19 +1 = 69.


3.5 Полезная разность температур
Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам (в 0С) равны:
125– 110,5 = 14,5,

105 – 69= 36.
Тогда общая полезная разность температур:

14,5+ 36 = 49,5 0С.

Проверим общую полезную разность температур:
125 – 45 – (2 + 24 + 5,5) = 49,5 0С.
3.6 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:


.

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

Сн,, С1 – теплоемкости растворов соответственно исходного и в первом корпусах. По табл. II – 295 [2] Сн = 1,1199 кДж ∕кг·к, С1 = 1,3069 кДж ∕кг·к.

Q1конц, Q2конц – теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tн – температура кипения исходного раствора при давлении в 1- м корпусе;

tн = tвп1 + = 106 + 1 = 107 0С.

Можно принять Iвп1 Iгп2 2687кДж ∕кг; Iвп2 Iбк 2579,8 кДж ∕кг.

Рассчитаем теплоту концентрирования для 2 – го корпуса:

Q2конц = Gсух·q = GH·xн·q

где q – разность интегральных теплот растворения при концентрациях х1 и х2, кДж ∕кг.

Q2конц = 1,944·0,05·124,7 = 12,12 кВт.
Сравним Q2конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 2- го корпуса Q2ор:
кВт.
Поскольку Q2конц составляет значительно меньше 3 % от Q2ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q2конц.
W=0,81+0,891=1,701.
Получим систему уравнений:
Q1=D·(2718-440,4)=1,03·(2687-4,19·69);

Q2=·(2687-188,55)=1,03·[(1,944-)·1,3069·(69-110,5)+(25793,8-4,19·69)];

.
Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:
D = 0,973 кг ∕с; = 0,858 кг ∕с; = 0,843 кг ∕с; Q1 = 2126,96 кВт; Q2 = 2143,67 кВт.
Результаты расчета сведены в таблицу:

Параметр

Корпус

1

2

Производительность по испаряемой воде, w, кг ∕с


0,858

0,843

Концентрация растворов х, %

8,57

40

Давление греющих паров, РГП, МПа

0,24

0,124

Температура греющих паров tГП, 0С

125

105

Температурные потери , град

5,5

24

Температура кипения раствора tк, 0С

110,5

69

Полезная разность температур tп

14,5

36



Поскольку вычисленные нагрузки по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не отличаются, пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам не будем.
3.7 Выбор конструкционного материала
Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора сахарного сиропа в интервале изменения концентраций от 5 до 60 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. скорость коррозии её не менее 0,1 мм∕год, коэффициент теплопроводности = 25,1 Вт ∕(м·К).
3.8 Расчет коэффициентов теплопередачи

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

.
Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:
= 0,002 ∕ 25,1 + 0,0005 ∕ 2 = 3,3·10-4 м2·К ∕Вт.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен:
.
где r1 – теплота конденсации греющего пара, Дж ∕кг; по табл. LVII [1] по РГП1 = 2,3544 кг·с ∕см2 r1 = 3682,74 кДж ∕кг;

- соответственно плотность (кг∕м3), теплопроводность Вт ∕(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки tпл = tгп1 - t1 ∕2, где t1 – разность температур конденсации пара и стенки, град. tпл= 125 – 2 ∕2=124 0С.

=934,8 кг ∕м3; =68, 6·102 Вт ∕м·к; =0,2234·10-3 Па·с. [табл. XXXIX, 1].


Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем t1=2 град. Тогда
Вт ∕(м2·к).
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение
,
где q – удельная тепловая нагрузка, Вт ∕м2; - перепад температур на стенке, град; - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

град.

Тогда

град.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору:
.
Подставив численные значения, получим:

Физические свойства кипящего томатного сока приведены ниже:


Параметр

Корпус

Литература

1

2

Теплопроводность раствора , Вт∕(м·К)


0,6539

0,25958

[2]

Плотность раствора , кг∕м3

972,855

1153,66

[2]

Теплоемкость раствора С, Дж∕(кг·К)

1728,8

2533,32

[2]

Вязкость раствора , Па·с

0,1·10-3

0,29·10-3

[2]

Поверхностное натяжение Н ∕м

0,058

0,066

[2]

Теплота парообразования rв, Дж ∕кг

2234·103

2335,44·103

[1]

Плотность пара , кг∕м3

0,8254

1,9422

[1]



Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Вт∕м2;

Вт∕м2.

Как видим, .

Находим К1:

Вт ∕(м2·к).
Далее рассчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2. для этого найдем:
Вт ∕(м2·к).

град.

град.

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Вт∕м2;

Вт∕м2.

Как видим, .

Определим К2:

Вт ∕(м2·к).
3.9 Распределение полезной разности температур
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:
,

где , Qi, Ki – соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j – го корпуса.


Подставив численные значения, получим:
град;

град.
Проверим общую полезную разность температур установки:
град.
Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:
.

Тогда:

м2;

м2.
Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных изменений аппарата. Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур представлено ниже:

Корпус

1 2

Распределенные в 1 – м приближении значения , град. 22,13 27,39

Предварительно рассчитанные значения , град. 14,5 36
3.10 Уточненный расчет поверхности теплопередачи
Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:

Параметры


Корпус

1

2

Производительность по испаряемой воде , кг ∕с

0,858

0,842

Концентрация растворов х, %

8,75

40

Температура греющего пара в 1 –м корпусе tГП1, 0С

125



Полезная разность температур , град

22,13

27,39

Температура кипения раствора tк=tг - , 0С

102,87

77,61

Температура вторичного пара , 0С

73,37

48,11

Давление вторичного пара РВП, МПа

0,0376

0,0117

Температура греющего пара tг=tВП - , 0С

46,11



Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):
Q1=1,03·0,858 (2687-4,19·102,87)=2059,85кВт;

Q2=1,03·[(1,944-0,858)1,3069(69-110,5)+0,843(2579,8-4,19·69)]=2000,78 кВт;
Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам: К1=1305 Вт ∕(м2·к); К2=2022 Вт ∕(м2·к).

Распределение полезной разности температур:
град;

град.
Проверка суммарной полезной разности температур:
=22,47+27,05=49,52 0С.
Сравнение полезных разностей температур полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено ниже:

Корпус

1 2

во 2 – м приближении, град. 22,47 27,05

в 1 – м приближении, град. 22,13 27,39
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:


м2.
По ГОСТ 11987 – 81 [3] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2).
3.11 Определение толщины тепловой изоляции

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

,
где =9,3+0,058· - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт ∕(м2·к); - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирают в интервале 35 – 45 0С, = 40 0С; - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенок аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции принимаем равной температуре греющего пара ; tв – температура окружающей среды (воздуха), 0С, tв=20 0С; - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт ∕(м2·к).

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1 – го корпуса:
Вт ∕(м2·к).

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85 % магнезит + 15 % асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности = 0,09 Вт ∕(м2·к).


Тогда получим:

м.
Принимаем толщину тепловой изоляции 0,027 м и для других корпусов.

4 Расчет барометрического конденсатора
4.1 Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды GВ определяют из теплового баланса конденсатора:
,
где IБК – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж ∕кг; tн – начальная температура охлаждающей воды, 0С, tн=16 0С; tк – конечная температура смеси воды и конденсатора, 0С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 – 5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:
tК= tБК – 3=45 – 3 = 42 0С.

Тогда

кг ∕с.
4.2 Диаметр конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора dБК определяют из уравнения расхода:
,
где - плотность паров, кг ∕м3, =0,062563 ∕м3 при РВП2=0,0103 ; - скорость паров, м ∕ с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров = 15 – 25 м ∕ с, = 20 м ∕ с. Тогда

м.
выбираем барометрический конденсатор диаметром dБК=1000 мм [приложение 4.6, 4].
4.3 Высота барометрической трубы
В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической трубы dБТ равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе:
м ∕с.
Высота барометрической трубы:
,

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; - сумма коэффициентов местных сопротивлений; - коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.
В = Ратм – РБК = 9,8·104 - 1·104 = 8,8·104 Па.

,
где - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.

Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

При tБК=450С =0,5922·10-3 Па·с. При Re=129078 =0,013 [1].

Подставив указанные значения в формулу, получим:


.

Отсюда находим НБТ = 9,5 м.


    1. Расчет производительности вакуум – насоса


Производительность вакуум – насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
,
где 2,5·10-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда:
кг ∕с.
Объемная производительность вакуум – насоса равна:
,
где R – универсальная газовая постоянная, Дж ∕(кмоль·К); Мвозд – молекулярная масса воздуха, кг ∕моль; tвозд – температура воздуха, 0С; Рвозд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:
tвозд=tв+4+0,1·(tк – tН)=20+4+0,1·(42-16)=26,6 0С.
Давление воздуха равно:

Рвозд = РБК – РП,
где РП – давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд = 26,6 0С. РП=3503,26 Па. Подставив получим:
Рвозд = 1·104 – 0,35·104 = 0,65·104 Па.

Тогда

м3 ∕мин.

Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление РБК, по каталогу подбираем вакуум – насос типа ВВН – 12 мощностью на валу N = 20 кВт [4, приложение 4.7].


5 Прочностной расчет основных элементов выпарного аппарата
5.1 Цель расчета
Целью расчета является определение размеров основных элементов выпарного аппарата. Поскольку, выпарные аппараты установки взаимозаменяемые, расчет ведем, исходя из условий прочности и устойчивости.
5.2 Исходные данные
Диаметр сепаратора Dc = 1600 мм

Диаметр греющей камеры Dк = 800 мм

Давление в сепараторе

избыточное (1 – й корпус) Р1 = 0,124 МПа

остаточное (2 – й корпус) Р2 = 0,01 МПа

Давление в греющей камере (изб.) Рг = 0,14 МПа

Температура в аппарате (max) t = 125 0C

Материал

сепаратора сталь 12х18Н10Т

греющей камеры сталь Вст3сп

Допускаемое напряжение материала

сталь 12х18Н10Т [] = 146 МПа

сталь Вст3сп [] = 132 МПа

Расчет ведется согласно [5,6].
5.3 Обечайка сепаратора
Толщина обечайки, нагруженной избыточным внутренним давлением, определяется по формуле:

, (2)
где =1 – коэффициент прочности продольного шва [5].

Подставляя числовые значения в формулу, получим:
м.
Исполнительная толщина стенки определяется с учетом прибавки к расчетной толщине:

S SR + c, (3)

где с = 6,1 мм – сумма прибавок к расчетной толщине.


После подстановки полученных значений SR получим:
S = 0,00068 + 0,0061 = 0,00688 м.
Исполнительную толщину стенки корпуса окончательно принимаем равной 6,9 мм.

Проверим условие применимости расчетных формул. Для обечаек при D 200 мм должно выполняться условие:
; < 0,1.
Условие выполняется.

Расчетная толщина обечайки, нагруженной наружным давлением, определяется по формуле:

,
где Р R = 1,2Р=0,14·1,2=0,168 МПа – расчетное давление, МПа [5],

К2коэффициент, определяемый по номограмме [6, с.10].

Для определения К2 определим коэффициент К3 и К1:
К3 = lR / DC; ,
где =2,4 – коэффициент запаса устойчивости;

Е=2,05·105 – модуль продольной упругости материала обечайки [5],

lR=0,8 м – расчетная длина обечайки (расстояние между кольцами жесткости).

После подстановки численных значений получим:
К3 = 0,8 / 1,8 = 0,44; .
Тогда по номограмме имеем К2 = 0,34.

.
Исполнительная толщина стенки определяется согласно условию:
S = 0,0048 + 0,0061 = 0,0109 м.

Исполнительную толщину стенки корпуса окончательно принимаем равной 12 мм.



5.4 Днище сепаратора
Согласно [5] принимаем исполнительную толщину днища равной толщине обечайки S1 = 0,012 м.

Проверим условие применимости расчетных формул.

Для днищ должно выполняться условие:
; - условие выполняется.

Допускаемое наружное давление определяется по формуле:
; (1)
где [Р]Р – допускаемое наружное давление из условия прочности, МПа.

[Р]Е – допускаемое наружное давление из условия прочности днища определяемого по формуле:

;
где R = DД=2,4 м – радиус кривизны днища [6].
МПа.
Допускаемое давление из условия устойчивости определяется по формуле:

где КЭ = 0,9 – коэффициент [5].
МПа.
После подстановки в формулу (1) получим:
МПа.
Поскольку 0,14 <0,46, то толщина днища удовлетворяет условию прочности и устойчивости.
5.5 Обечайка греющей камеры
Толщина обечайки определяется по формуле (2) при =0,9 [5].

Подставляя числовые значения в формулу, получим:

м.

Исполнительная толщина стенки определяется с учетом прибавки к расчетной толщине, согласно условию (3):
S=0,000034 + 0,0061 = 0,0062 м.
Исполнительную толщину стенки корпуса окончательно принимаем равной 6,2 мм.

Проверим условие применимости расчетных формул. Для обечаек при D200 мм должно выполняться условие:
; < 0,1.
Условие выполняется.

Допускаемые напряжения при гидроиспытании определяются по формуле:
МПа,
где =250 МПа – предел текучести материала кожуха при t = 20 0С [5].

Проверим условие:
Р2 [Р],
где [Р] – допускаемое избыточное внутреннее давление, МПа.
.
Подставляя числовые значения получим:
МПа.
Условие 0,0104 0,05 выполняется.

Проверим выполнение условия:
,
где РПР – пробное давление, МПа.

=140 МПа – допускаемое напряжение при t=20 0С [5].

МПа.


Условие прочности выполняется 0,01<0,014. Следовательно принятая толщина обечайки условиям прочности удовлетворяет.
5.6 Трубная решетка
Толщина трубной решетки, исходя из условия закрепления труб развальцовкой, определяется по формуле [5]:

где dТ=0,038 м – наружный диаметр трубок.

tР-0,040 м – шаг отверстий в решетке.
.
Условие выполняется.

Принимаем исполнительную толщину трубной решетки 0,094 м [5].

Заключение
В данной курсовой работе произведен расчет двухкорпусной выпарной установки, состоящей из выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой для упаривания раствора сахарного сиропа.

Конструкция выпарного аппарата удовлетворяет ряду общих требований. К их числу относятся:


  • Высокая производительность и интенсивность теплопередачи при min объеме аппарата и расходе металла на его изготовление;

  • Простота устройства;

  • Надежность в эксплуатации;

  • Легкость очистки поверхности теплообмена;

  • Удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.


Список использованной литературы
1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и за­дачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1981. 560 с.
2. Гинзбург А.С. и др. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник ∕ Гинзбург , А.С., Громов М.А., Красовская Г.И. – 2 – е изд.: перераб. и доп. – М.: Пищевая промышленность, 1980. – 288 с.
3. ГОСТ 11987 – 81. Аппараты выпарные трубчатые.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию ∕ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2 – е изд., перераб. и дополн. М.:Химия,1991. – 496 с.
5. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. – Л.: Машиностроение, 1981. – 382 с.
6. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. ГОСТ 14249 – 80. М.: Издательство стандартов. 1989. – 80 с.
7. Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим константам пищевых продуктов и полуфабрикатов. – М.: Пищевая промышленность, 1965. – 156 с.