ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.10.2025

Просмотров: 244

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Учебное издание

Алексеев Пётр Григорьевич Захаров Михаил Константинович Таран Александр Леонидович

Методическое пособие

по тепловому расчёту двухкорпусных прямоточных выпарных установок с равными поверхностями нагрева

Подписано в печать с готового оригинал-макета _______________

Гарнитура Times New Roman. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 3.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Отпечатано на ризографе.

Тираж _______________ экз. Заказ №_______________.

ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносова 117571, г. Москва, пр-т Вернадского, 86

- 40 -

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

П. Г. Алексеев, М. К. Захаров, А. Л. Таран

Методическое пособие

по тепловому расчёту двухкорпусных прямоточных выпарных установок с равными поверхностями нагрева

Москва

2007 год

www.mitht.ru/e-library

УДК 66.02 (076.1)

Для заметок

ББК 35.114

 

Рецензент: доктор технических наук, профессор И. М. Ага-

 

янц, МИТХТ имени М. В. Ломоносова.

 

Тепловой расчёт двухкорпусных прямоточных выпарных

 

установок с равными поверхностями нагрева: Методическое по-

 

собие / П. Г. Алексеев, М. К. Захаров, А. Л. Таран. – М.: ИПЦ

 

МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2007. – 40 с.: ил.

 

Компьютерная вёрстка: Р. А. Жаков.

 

Данное методическое пособие является дополнением к

 

учебнику «Общий курс процессов и аппаратов химической тех-

 

нологии», выпущенного кафедрой ПАХТ в 2х томах, и являю-

 

щегося основой лекционного материала для студентов 3го курса

 

дневного отделения бакалавриата всех направлений и студентов

 

4го курса вечернего отделения. Оно обеспечивает самостоятель-

 

ную подготовку к семинарским занятиям и курсовому проекти-

 

рованию по разделу «Выпаривание растворов».

 

В пособии приведён расчёт двухкорпусной выпарной уста-

 

новки, как правило, состоящей из подогревателя исходного рас-

 

твора, узла концентрирования раствора и барометрического

 

конденсатора смешения. В конце пособия приведены приложе-

 

ния, содержащие необходимые при расчёте табличные данные.

 

Завершает пособие библиографический список литературы, ре-

 

комендуемой студентам для самостоятельного изучения.

 

Пособие соответствует программе дисциплины «Процессы

 

и аппараты химической технологии», разработанной на основа-

 

нии рекомендаций государственных образовательных стандар-

 

тов, и утверждено библиотечно-издательской комиссией

 

МИТХТ имени М. В. Ломоносова в качестве методического по-

 

собия.

 

© МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2007

- 2 -

- 39 -

www.mitht.ru/e-library


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

1.Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. Общий курс про- цессов и аппаратов химической технологии. В 2-х книгах.

Книга 1. – М.: Логос, 2006. – 912 с.

2.Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и за- дачи по курсу процессов и аппаратов химической техноло-

гии. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

3.Чернобыльский И. И. и др. Машины и аппараты химиче- ских производств. – М.: ГНТИ, 1959. – 462 с.

4.Алексеев П. Г. Методические указания к дисциплине «Теп- ловые процессы». – М.: ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносо-

ва, 2004. – 83 с.

5.Теплофизические свойства неорганических веществ. Труды Ташкентского политехнического института. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 1986. – 26 с.

6.Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирова- ния и расчёта химической аппаратуры. – Л.: Машинострое-

ние, 1970. – 752 с.

7.Выпарные вертикальные трубчатые аппараты общего на- значения. Каталог-справочник. Укр. НИИХИММАШ, 1972.

65 с.

8.Алексеев П. Г., Захаров М. К. Методические указания к

курсовому проектированию прямоточных много корпусных выпарных установок с равными поверхностями нагрева. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 1999. – 71 с.

9.Таран А. Л. Выпаривание растворов. Задачник. – М.: МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2003. – 65 с.

10.Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. –

М.: Химия, 1991. – 496 с.

11.Машины и аппараты химических и нефтехимических производств. Т. IV-12 / М. Б. Генералов, В. П. Александров, В. В. Алексеев и др.; Под общ. ред. М. Б. Генералова М.: Машиностроение, 2004. – 832 с.

12.Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты хи- мической технологии. – М.: Химия, 1981. – 810 с.

-38 -

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

стр.

Основные усл. обозначения и индексы...............................................

4

1.

Общие положения...........................................................

5

1.1.

Выпаривание.................................................................

5

1.2.

Задание на расчёт 2х-корпусной выпарной установки (ВУ)............

6

1.3.

Схема 2х-корпусной ВУ с указанием символики потоков веществ....

7

1.4.Описание технологической схемы ВУ…................................ 7

1.5.

Справочные данные греющего пара и исходного раствора............

8

2.

Расчёт узла концентрирования раствора 2х-корпусной ВУ.............

9

2.1.

Количество выпариваемого растворителя................................

9

2.2.

Температуры кипения раствора и температурные депрессии..........

10

2.2.1.

Стандартные температурные депрессии..................................

10

2.2.2.

Определение температуры кипения раствора и температурной де-

10

 

прессии во II корпусе по правилу Бабо....................................

2.3.

Суммарная полезная разность температур................................

11

2.3.1.

Температуры кипения растворов и температуры вторичных паров в

11

 

корпусах ВУ..................................................................

2.3.2. Энтальпия греющих и вторичных паров..................................

12

2.4.

Тепловые балансы (ТБ) корпусов ВУ......................................

12

2.5.

Поверхность теплообмена выпарного аппарата..........................

14

2.5.1.

Предварительные расчёты...................................................

14

2.5.2.

Уравнение теплопередачи и его решение.................................

15

2.5.3.

Проверка на сходимость результатов решения 1го приближения......

17

2.6.

Расход греющего пара.......................................................

19

3.

Расчёт барометрического конденсатора смешения......................

19

3.1.

Рабочий режим конденсатора...............................................

19

3.2.

Расход охлаждающей воды.................................................

20

3.3.

Размеры конденсатора.......................................................

20

3.4.

Расчёт вакуум-насоса........................................................

21

4.

Расчёт подогревателя исходного раствора................................

22

4.1.

Общие положения............................................................

22

4.2.

Температурный напор.......................................................

23

4.3.

Тепловой баланс.............................................................

23

4.4.

Поверхность теплообмена..................................................

25

Приложение...............................................................................

26

Таблица №1. Физические свойства воды на линии насыщения....................

26

Таблица №2. Физические свойства водяного пара на линии насыщения.........

27

Таблица №3. Концентрации некоторых водных растворов, кипящих при атмо-

 

сферном давлении при различных температурах....................................

28

Таблица №4. Физико-химические свойства растворов..............................

29

К расчёту процесса теплопередачи в ВА..............................................

37

Библиографический список..............................................................

38

 

- 3 -

 

www.mitht.ru/e-library


ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ.

Основные условные обозначения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Параметр

Символ

 

Единица измерения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Высота

H

 

 

м

 

 

Вязкость динамическая

μ

 

 

Па×с, Н×с/м2

 

 

Вязкость кинематическая

ν

 

 

м2/с

 

 

 

Давление

P

 

 

Па, Н/м2

 

 

 

Диаметр

d

 

 

м, мм

 

 

Концентрация массовая

a

 

 

% масс.

 

 

Коэффициент теплоотдачи

α

 

 

Вт/(м2×К)

 

 

Коэффициент теплопередачи

K

 

 

Вт/(м2×К)

 

 

Коэффициент теплопроводности

λ

 

 

Вт/(м×К)

 

 

Критерий Нуссельта

Nu

 

 

 

 

Критерий Прандтля

Pr

 

 

 

 

Критерий Рейнольдса

Re

 

 

 

 

 

Плотность

ρ

 

 

кг/м3

 

 

Поверхность теплопередачи

F

 

 

м2

 

 

Производительность ВУ

S

 

 

кг/с, т/ч

 

 

Производительность по испаряемой воде

W

 

 

кг/с, т/ч

 

 

Расход греющего пара

D

 

 

кг/с, т/ч

 

 

 

Температура

T, t

 

 

°С

 

 

 

Теплоёмкость

CP

 

Дж/(кг×К), Дж/(моль×К)

 

 

Теплота парообразования

r

 

Дж/кг, Дж/моль

 

 

 

Энтальпия

h

 

Дж/кг, Дж/моль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индексы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индекс

 

Значение

 

Индекс

 

Значение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

Вода

 

К

 

Конечный парам.

 

 

ВП

 

Вторичный пар

 

Н, 0

 

Начальный парам.

 

 

Г

 

Греющий пар

 

СР

 

Среднее знач.

 

 

Ж

 

Жидкая фаза

 

СТ

 

Стенка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индекс

 

 

 

Значение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, 2, 3

 

1ый, 2ой и 3ий корпус ВУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 4 -

К расчёту процесса теплопередачи в ВА.

Рис. 1. Распределение температур в 2х-корпусной ВУ.

Рис. 2. Теплопередача в I корпусе ВУ.

- 37 -

www.mitht.ru/e-library


Продолжение таблицы 4.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раствор

Конц.

 

 

Температура, °С

 

 

 

 

масс. %

20

40

 

60

80

 

100

TКИП

 

 

 

 

 

 

 

 

5

3,93

3,95

 

3,94

3,97

 

4,00

4,00

 

 

 

10

3,76

3,76

 

3,77

3,80

 

3,83

3,83

 

 

KOH

20

3,40

3,40

 

3,42

3,44

 

3,47

3,48

 

 

30

3,08

3,07

 

3,08

3,09

 

3,12

3,15

 

 

 

 

 

 

 

 

40

2,79

2,78

 

2,78

2,80

 

2,83

2,86

 

 

 

50

2,47

2,45

 

2,44

2,46

 

2,47

2,53

 

 

LiOH

5

4,01

3,97

 

3,97

3,99

 

4,02

4,02

 

 

10

3,80

3,77

 

3,77

3,78

 

3,81

3,81

 

 

 

 

 

 

 

 

5

3,91

3,87

 

3,87

3,90

 

3,93

3,93

 

 

 

10

3,68

3,63

 

3,63

3,66

 

3,69

3,69

 

 

K2CO3

20

3,22

3,19

 

3,19

3,20

 

3,22

3,23

 

 

30

2,75

2,75

 

2,75

2,76

 

2,76

2,76

 

 

 

 

 

 

 

 

40

2,37

2,35

 

2,35

2,35

 

2,36

2,36

 

 

 

50

1,99

1,97

 

1,97

1,98

 

1,98

1,98

 

 

 

5

4,00

3,97

 

3,97

3,99

 

4,02

4,02

 

 

 

10

3,84

3,80

 

3,80

3,82

 

3,84

3,84

 

 

Ca(NO3)2

20

3,52

3,49

 

3,49

3,51

 

3,53

3,53

 

 

30

3,20

3,18

 

3,18

3,20

 

3,21

3,21

 

 

 

 

 

 

 

 

40

2,90

2,88

 

2,88

2,89

 

2,91

2,92

 

 

 

50

2,61

2,58

 

2,58

2,60

 

2,61

2,62

 

 

 

5

4,03

3,98

 

3,98

4,01

 

4,04

4,04

 

 

 

10

3,81

3,78

 

3.77

3,79

 

3,81

3,81

 

 

(NH4)2SO4

20

3,61

3,57

 

3,58

3,58

 

3,59

3,59

 

 

 

30

3,36

3,33

 

3,32

3,33

 

3,34

3,34

 

 

 

40

3,14

3,11

 

3,10

3,11

 

3,11

3,11

 

 

 

5

4,02

3,98

 

3,98

4,01

 

4,03

4,03

 

 

 

10

3,87

3,84

 

3,83

3,86

 

3,87

3,87

 

 

NH4Cl

15

3,79

3,69

 

3,69

3,72

 

3,72

3,72

 

 

 

20

3,60

3,57

 

3,56

3,57

 

3,57

3,58

 

 

 

25

3,48

3,44

 

3,44

3,45

 

3,45

3,46

 

 

 

10

3,91

3,85

 

3,83

3,81

 

3,81

3,81

 

 

 

20

3,65

3,62

 

3,61

3,62

 

3,63

3,63

 

 

NH4NO3

30

3,37

3,35

 

3,36

3,36

 

3,38

3,39

 

 

 

40

3,11

3,09

 

3,10

3,11

 

3,12

3,12

 

 

 

50

3,86

2,84

 

2,85

2,86

 

2,88

2,88

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 36 -

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Теплотехнический расчёт многокорпусных выпарных уста- новок (ВУ) является самостоятельной работой студента, бази- рующейся не только на дисциплине «Процессы и аппараты хи- мической технологии», но и на ряде других дисциплин (среди которых: «Инженерная графика», «Техническая термодинами- ка», «Техническая механика» и пр.).

При работе над расчётом студент комплексно использует полученные знания применительно к решению конкретной за- дачи по аппаратурно-технологическому оформлению опреде- лённого процесса в промышленном масштабе, получает первые навыки проектирования промышленных аппаратов.

1.1. Выпаривание.

Выпариванием [1] называется процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном или полном удалении растворителя путём его испарения при кипении. Получаемый в процессе выпаривания раствор называют упаренным, а отво- димый пар растворителя вторичным паром. При выпарива- нии удаляют часть растворителя, так как конечный продукт должен оставаться в текучем состоянии, чтобы его можно было бы передавать в другие аппараты (корпуса).

Важнейшим параметром выпаривания является температура кипения раствора tК, которая в значительной степени за- висит от природы растворённого твёрдого вещества, его кон- центрации a и внешнего давления P. Разность между темпера- турой кипения раствора tК и температурой кипения чистого рас-

творителя tS при одинаковом давлении называется температурной депрессией δT = tК – tS для раствора данной концентрации

а.

В литературе [2, 9], как правило, приводятся лишь данные

по температурам кипения и депрессиям растворов различных солей при атмосферном давлении в зависимости от их концен- трации, так называемые стандартные значения. При давлении больше или меньше атмосферного эти значения будут отли-

- 5 -

www.mitht.ru/e-library


чаться в большую или меньшую сторону, и для их нахождения

 

 

4.4. Теплоёмкость (CP, кДж/(кг×К)).

 

 

 

требуются перерасчёты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Целью теплотехнического расчёта выпарной установки яв-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раствор

Конц.

 

 

Температура, °С

 

 

 

ляется определение поверхностей теплообмена подогревателя

 

 

 

 

 

 

 

масс. %

20

40

 

60

80

 

100

TКИП

 

и корпусов ВУ и их основных размеров, а также выявление

 

 

 

 

 

 

 

5

3,98

3,93

 

3,90

3,84

 

3,80

3,79

 

режимных характеристик процесса выпаривания (температу-

 

 

 

 

 

 

NaCl

10

3,85

3,81

 

3,76

3,71

 

3,65

3,65

 

ры, давления, концентрации и прочих).

 

 

 

 

 

 

20

3,36

3,33

 

3,31

3,28

 

3,23

3,20

 

Процесс выпаривания

является весьма энергоёмким, по-

 

 

 

 

 

 

 

5

4,03

3,94

 

3,94

3,99

 

4,06

4,02

 

скольку 1 кг. греющего

пара удаляет из раствора около

 

 

 

 

 

 

NaNO3

10

3,88

3,80

 

3,80

3,85

 

3,92

3,86

 

0,8 – 0,9 кг вторичного пара. С целью экономии энергии приме-

 

20

3,58

3,52

 

3,52

3,57

 

3,63

3,64

 

няют ряд инженерных решений [1 – 3], среди которых есть ис-

 

 

30

3,30

3,25

 

3,25

3,30

 

3,35

3,29

 

пользование многокорпусных ВУ, где в качестве греющего пара

 

 

5

3,63

3,67

 

3,74

3,91

 

4,18

4,20

 

применяется вторичный пар в последующих корпусах (кроме

 

Na2SO4

10

3,53

5,55

 

3,56

3,76

 

3,17

4,18

 

первого).

 

 

 

20

3,41

3,44

 

3,46

3,64

 

3,65

4,10

 

1.2. Задание на расчёт 2х-корпусной ВУ.

 

 

5

3,97

3,94

 

3,93

3,96

 

3,98

3,98

 

 

CaCl2

10

3,78

3,75

 

3,76

3,78

 

3,78

3,78

 

Выполнить теплотехнический расчёт прямоточной выпар-

 

 

15

3,60

3,57

 

3,56

3,58

 

3,58

3,60

 

 

 

5

3,94

3,90

 

3,88

3,92

 

3,93

3,94

 

ной установки непрерывного действия с предварительным по-

 

 

 

 

 

 

MgCl2

10

3,70

3,66

 

3,65

3,68

 

3,69

3,70

 

догревом исходного раствора в вертикальном кожухотрубчатом

 

 

 

 

 

 

15

3,48

3,45

 

3,42

3,44

 

3,45

3,48

 

теплообменном аппарате (ТА) и с созданием вакуума в конден-

 

 

5

3,92

3,83

 

3,81

3,80

 

3,76

3,76

 

саторе смешения, а также определить расходы греющего пара и

 

CuSO4

10

3,68

3,63

 

3,58

3,58

 

3,56

3,55

 

охлаждающей воды.

 

 

 

15

3,45

3,41

 

3,37

3,36

 

3,33

3,33

 

Исходные данные:

 

 

 

5

4,02

3,93

 

3,98

4,01

 

4,03

4,03

 

ü Выпариваемый раствор: водный раствор сульфата аммония

 

KNO3

10

3,86

3,81

 

3,81

3,83

 

3,89

3,90

 

((NH4)2SO4);

 

 

 

15

3,70

3,68

 

3,67

3,72

 

3,74

3,74

 

ü Производительность ВУ: S0 = 17 т/ч = 4,72 кг/с;

 

K2Cr2O7

5

4,02

3,98

 

3,98

4,01

 

4,04

4,05

 

ü Количество корпусов: 2;

 

 

10

3,86

3,22

 

3,22

3,85

 

3,88

3,89

 

 

 

5

4,03

4,00

 

3,99

4,01

 

4,04

4,04

 

ü Концентрация растворённого вещества:

 

 

 

 

 

o начальная: а0 = 14 % масс.;

 

 

10

3,88

3,85

 

3,85

3,86

 

3,89

3,90

 

 

 

20

3,55

3,53

 

3,53

3,55

 

3,57

3,58

 

o конечная: аК = а2 = 45 % масс.;

 

NaOH

30

3,27

3,26

 

3,26

3,27

 

3,28

3,29

 

ü Температура раствора:

 

 

 

40

3,03

3,01

 

3,01

3,02

 

3,03

3,06

 

o на входе в подогреватель: tН = 15 °С;

 

 

 

 

 

 

 

50

2,05

2,83

 

2,83

3,84

 

3,84

3,90

 

o на входе в I корпус: t0 t1 °С (как правило, соответствует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

температуре кипения раствора в I корпусе, либо прини-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мается меньше температуры греющего пара на 25 – 35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

°С);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 6 -

 

 

 

 

- 35 -

 

 

 

 

 

 

 

www.mitht.ru/e-library


Смотрите также файлы