Министерство образования и науки Украины
Национальный Технический Университет
«Харьковский Политехнический Институт»
Кафедра
Общей химической технологии, процессов и аппаратов
Курсовой проект
Тема проекта:
Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
Проектировал студент
Шорин В. В..
гр. Н-48
Руководитель проекта
Новикова Г. С.
Харьков 2010 г.
Введение
Технологическая схема выпарной установки
В химической промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.
Принципиальная технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рис.1.1.
Исходный раствор подается из емкости 1
центробежным насосом 2
через теплообменник 3
в первый корпус выпарной установки 4
. В теплообменнике 3
исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки.
Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5
; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в третий корпус 6
, обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в емкость 10
. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7
, в котором при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в конденсаторе) и через неплотности трубопроводов, отсасываются через ловушку 8
вакуум-насосом.
Смесь охлаждающей воды и конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9
.Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков.
Выбор выпарных аппаратов
Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта.
Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами раствора.
Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа∙с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.
Растворы чувствительные к повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию – в прямоточных аппаратах с восходящей пленкой.
Типы и основные размеры выпарных аппаратов представлены в ГОСТ 11987–81, и каталогах УКРНИИХИММАШа [11,12].
Задание на расчет выпарной установки
Цель расчета выпарной установки – расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеров основного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего в технологическую схему установки.
Задание на курсовое проектирование
Рассчитать и спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для концентрирования водного раствора по следующим данным:
1. Производительность установки по исходному раствору –8000 кг/ч;
2. Концентрация раствора: начальная – 5% масс.; конечная – 15 % масс.;
3. Давление греющего пара –Р=0,4 МПа;
4. Давление в барометрическом конденсаторе –,Р=0,0147 МПа;
5. Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения;
6. Схема выпаривания - прямоточная; циркуляция естественная
1.
Определение
поверхности
теплопередачи выпарных аппаратов
Технологический расчёт выпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи
, (1.1)
где – поверхность теплопередачи, м2
;
– тепловая нагрузка, Вт;
– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2
∙К);
– полезная разность температур, К.
Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов по корпусам и их температуры кипения. Первоначально определим эти величины по материальному балансу, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.
1.1 Расчёт концентраций выпариваемого раствора
Производительность установки по выпариваемой воде определяем по формуле:
, (1.2)
где – производительность по выпаренной воде, кг/с;
– производительность по исходному раствору, кг/с;
– соответственно начальная и конечная концентрация раствора, масс. доли,
кг/с.
На основании практических данных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами в соотношении
Тогда:
Проверка:
W
1
+
W
2
+
W
3
=
W
=0,45+0,49+0,54=1,76 кг/с.
Рассчитываем концентрации растворов в корпусах:
Концентрация раствора в третьем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .
1.2 Определение температур кипения раствора
Температура кипения раствора в корпусе определяетсякак сумма температур греющего пара последующего корпуса и температурныхпотерь
, (1.3)
где – соответственно температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, К.
Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆P
распределяется между корпусами поровну:
, (1.4)
где P
Г1
– давление греющего пара в первом корпусе, МПа;
P
бк
– давление в барометрическом конденсаторе, МПа.
Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет:
P
Г1
=0,4МПа
P
Г2
= P
Г1
– ∆P
= 0,4 – 0,1284 = 0,2716 МПа
P
Г3
= P
Г2
– ∆P
= 0,2716 – 0,1284 = 0,1432 МПа
P
бк
= P
Г3
– ∆P
= 0,1432 – 0,1284 = 0,0148 МПа
По давлению греющего пара находим его температуру и теплоту парообразования (табл. 2.1) по корпусам.
Таблица 1.1 – Температуры и теплоты парообразования
| Давление, МПа | Температура, ºС | Теплота парообразования, кДж/кг |
| P
Г1 =0,4 |
t
Г1 =143,6 |
r
Г1 =2139 |
| P
Г2 =0,2716 |
t
Г2 =129,78 |
r
Г2 =2180 |
| P
Г3 =0,1432 |
t
Г3 =110,4 |
r
Г3 =2234 |
| P
бк =0,0148 |
t
бк =53,71 |
r
бк =2372,3 |
1.2.1 Определение температурных потерь
Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной , гидростатической и гидродинамической депрессиями.
а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают = 1,0 – 1,5 ºС на корпус. Примем = 1 ºС, тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:
t
вп1
= t
Г2
+ = 129,78+1=130,78 ºС
t
вп2
= t
Г3
+ = 110,4+1=111,4С
t
вп3
= t
бк
+ =53,71+1=54,71 ºС
Сумма гидродинамических депрессий:
ºС
По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2.2).
Таблица 1.2 – Давления и теплоты парообразования
| Температура,ºС
|
Давление, МПа
|
Теплота парообразования, кДж/кг
|
| tвп1=130,78
|
Pвп1=0,2787
|
rвп1=2177
|
| tвп2=111,4
|
Pвп2=0,1504
|
rвп2=2230
|
| tвп3=54,71
|
Pвп3=0,0155
|
rвп3=2367
|
б) Гидростатическая депрессия обусловливается наличием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата температура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина не может быть точно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причем величина зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб. Приблизительно расчет возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильных труб. Величина определяется как разность температуры кипения в среднем слое труб и температуры вторичного пара ():
(1.5)
Для того, чтобы определить нужно найти давление в среднем слое (P
ср
) и по этому давлению определить температуру в среднем слое (по таблице свойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубах при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора. Плотность раствора (при 100 °С) определяется в зависимости от концентрации раствора в корпусе.
Давление в среднем сечении кипятильных труб (в МПа) равно сумме давлений вторичного пара в корпусе и гидростатического давления столба жидкости (∆P
ср
) в этом сечении трубы длиной H
:
P
ср
=
P
вп
+ ∆
P
ср
=
P
вп
+
Для выбора значения H
нужно ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q
= 10000 ÷ 30000 Вт/м2
.Примем q
= 10000 Вт/м2
. Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно будет равна:
По ГОСТ 11987—81 для выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ближайшая будет поверхность – 63 м2
при диаметре труб 38x2 мми длине труб Н
= 4000 мм.
Давления в среднем слое кипятильных труб корпусовравны:
P
1ср
=
P
вп1
+
МПа
P
2ср
=
P
вп2
+
МПа
P
3ср
=
P
вп3
+
МПа
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования (табл. 1.3):
Таблица1.3 – Температуры кипения и теплоты парообразования
| Давление, МПа | Температура,ºС | Теплота парообразования, кДж/кг |
| P
1ср = 0,2872 |
t
1ср =131,9 |
r
1ср =2173,5 |
| P
2ср = 0,1611 |
t
2ср =113,4 |
r
2ср =2225 |
| P
3ср = 0,0268 |
t
3ср =62,3 |
r
3ср =2374 |
Определяем гидростатическую депрессию по корпусам
Сумма гидростатических депрессий составляет:
в) Температурная депрессия определяется по уравнению:
, (1.6)
где Т
ср
=(t
ср
+ 273), К;
– температурная депрессия при атмосферном давлении, ºС;
– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.
Определяется величина как разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя (воды) при атмосферном давлении. Температуры кипения раствора при атмосферном давлении в зависимости от концентрации даны в справочной литературе.
Находим значение по корпусам:
ºС
ºС
ºС
Сумма температурных депрессий равна:
Тогда температуры кипения растворов по корпусам равны:
ºС
ºС
ºС
1.3 Расчёт полезной разности температур
Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является наличие некоторой полезной разности температур греющего пара и кипящего раствора.
Полезные разности температур по корпусам равны:
ºС
ºС
ºС
Общая полезная разность температур:
ºС
Проверим общую полезную разность температур:
1.4 Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в первом корпусе, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки:
(1.7)
, а , то
(1.8)
(1.9)
(1.10)
W
=
W
1
+
W
2
+
W
3
, (1.11)
гдеD
– расход греющего пара в первом корпусе, кг/с;
Н,
h
– энтальпия пара и конденсата, соответственно, Дж/кг;
1,03, 1,02, 1,01 – коэффициенты, учитывающие 3;2;1 % потерь тепла в окружающую среду по корпусам, соответственно (потери тепла обычно принимают в размере 2 ÷ 6% от тепловой нагрузки аппарата);
C – удельная теплоемкость, Дж/кг∙К;
– теплота концентрирования по корпусам. Величинами пренебрегаем, поскольку эти величины значительно меньше принятых потерь тепла;
t
н
– температура кипения исходного раствора, подаваемого в первый корпус,
– температура кипения в i
-ом корпусе.
,
где – температурная депрессия для исходного раствора;
с
н
, с
1
, с
2
– теплоёмкость растворов при концентрациях , кДж/(кг×К)
Теплоёмкость (в кДж/(кг×К)) разбавленных водных растворов ( < 20%) рассчитывается по формуле:
(1.12)
Подставим известные значения в уравнения.
W
=
1,48 =
W
1
+
W
2
+
W
3
1,48 = + +
Oтсюда :D
= 0,2286 кг/с.
Тогда:
W
1
= 0,954×0,2286 – 0,0141 = 0,204 кг/с
W
2
= 0,875×0,2286 + 0,58 = 0,78 кг/с
W
3
= 0,7001×0,2286 + 0,336 = 0,496 кг/с
Проверка
W
= W
1
+ W
2
+ W
3
= 0,204+0,78+0,496= 1,48 кг/с
Определим тепловые нагрузки, кВт
Q
1
= D
∙2139 = 0,2286∙2139=488,98
Q
2
= W
1
∙2180 = 0,204∙2180=444,72
Q
3
= W
2
∙2234 =0,78∙2234= 1742,52
Полученные данные сводим в табл.1.4.
Таблица 1.4 – Параметры растворов и паров по корпусам
| Параметр
|
Корпус
|
||
| 1 | 2 | 3 | |
| Производительность по испаряемой воде W
,кг/с |
0,204 | 0,78 | 0,496 |
| Концентрация растворов x
, % |
6,5 | 8,7 | 15 |
| Температура греющих паров t
Г , ºC |
143,6 | 129,78 | 110,4 |
| Температура кипения раствора t
к ,ºC |
133,37 | 115,19 | 64,8 |
| Полезная разность температур ∆t
п , ºC |
10,23 | 14,59 | 45,6 |
| Тепловая нагрузка
Q , кВт |
488,98 | 444,72 | 1742,52 |
1.5 Расчет коэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопередачи рассчитываем, исходя из того, что при установившемся процессе передачи тепла справедливо равенство:
(1.13)
Коэффициент теплопередачи К
в [Вт/(м2
К)] можно рассчитать по уравнению:
, (1.14)
где q
– удельная тепловая нагрузка, Вт/м2
; q
= Q
/F
;
и – коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к кипящему раствору соответственно, Вт/(м2
∙К);
– сумма термических сопротивлений стенки загрязнений и накипи, (м2
∙К/Вт);
– разность температур между греющим паром и стенкой со стороны пара в первом корпусе, ºС;
– перепад температур на стенке, ºС;
– разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.
Коэффициент теплоотдачи рассчитываем
, (1.15)
где – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;
– разность температур конденсата пара и стенки, ºС;
– соответственно плотность, кг/м3
, теплопроводностьВт/(м∙К)и вязкость конденсата, Па∙с, при средней температуре плёнки:
Первоначально принимаем
ºС.
Значения физических величин конденсата берём при t
пл
= 142,85ºС.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору в условиях его естественной циркуляции для пузырькового режима в вертикальных трубах равен:
, (2.16)
где – плотность греющего пара в первом корпусе, – плотность пара при атмосферном давлении; – соответственно, теплопроводность, поверхностное натяжение, теплоемкость и вязкость раствора в первом корпусе.
Значения величин, характеризующих свойства растворов NaOH , представлены в таблице 1.5.
| Параметр | Корпус | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Плотность раствора, , кг/м3
|
1012,88 | 1031,88 | 1088,22 |
| Вязкость раствора, | 1,151 | 1,2258 | 1,51 |
| Теплопроводность раствора, | 0,5912 | 0,5886 | 0,5815 |
| Поверхностное натяжение, | 73,4 | 74,28 | 77,0 |
| Теплоёмкость раствора, | 3923 | 3831 | |
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
Как видим
Для второго приближения примем
Очевидно, что
Для определения строим графическую зависимость тепловой нагрузки q
от разности температур между паром и стенкой (см. рис. 1.1) и определяем = 1,1 ºС.
Проверка:
Как видим
Рассчитываем коэффициент теплопередачи К
1
в первом корпусе:
Коэффициент теплопередачи для второго корпуса К
2
и третьего К
3
можно рассчитывать так же , как и коэффициент К1
или с достаточной точностью воспользоваться соотношением коэффициентов , полученных из практики ведения процессов выпаривания .Эти соотношения варьируются в широких пределах:
К1
: К2
: К3
=
1 :(0,85 0,5) (0,7 0,3)
Поскольку – СaCl2 –соль, соотношение коэффициентов принимаем по верхним пределам.
К1
: К2
: К3
=
1 : 0,85: 0,7
К2
= К1
0,85 = 1096,5 0,85 =932
К3
= К1
0,7 = 767,55
1.7 Распределение полезной разности температур
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:
, (1.21)
где – общая полезная разность температур выпарной установки; – отношение тепловой нагрузки к коэффициенту теплопередачи в корпусе; i
= 1,2,3 – номер корпуса.
Проверим общую полезную разность температур установки:
Поскольку рассчитаны величины тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезной разности температур по корпусам, следовательно, можно найти поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
Полученные значения поверхности теплопередачи сравниваем с определенной ранее ориентировочной поверхностью F
ор
=49 м2
.
Различие незначительное. Значит, размеры выпарных аппаратов выбраны правильно.
По ГОСТ 11987 выбираем аппарат с поверхностью теплообменаF
=63м2
и длиной труб Н
= 4 м. Основные технические характеристики выпарного аппарата представлены в таблице 1.6.
Таблица 1.6 – Техническая характеристики выпарного аппарата.
F
Н
|
Диаметр греющей камеры D
|
Диаметр сепаратораD
с , мм |
Диаметр циркуляционной трубы D
2 , мм |
Высота аппарата Н
|
| 63 | 800 | 1600 | 500 | 15500 |
1.8 Определение толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:
, (1.22)
где – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции к воздуху, Вт/(м2
К) ;
– температура изоляции со стороны воздуха, °
С; Для аппаратов, работающих внутри помещения выбирают в пределах 35 ÷ 45 ºС, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время – в интервале 0 ÷ 10 ºС.;
– температура изоляции со стороны аппарата, ºС (температуру t
ст1
можно принимать равной температуре греющего пара, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции);
– температура окружающей среды (воздуха), ºС;
– коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мК).
В качестве изоляционного материала выбираем совелит, который содержит 85% магнезии и 15 % асбеста. Коэффициент теплопроводности совелита
Толщина тепловой изоляции для первого корпуса:
Такую же толщину тепловой изоляции принимаем для второго и третьего корпусов.
2. Расчет вспомогательного оборудования
2.1 Расчет барометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарных установках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качество охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 ºС). Смесь охлаждающей воды и конденсата выходит из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянного вакуума в системе вакуум-насос постоянно откачивает неконденсирующиеся газы.
2.1.1 Определение расхода охлаждающей воды
Расход охлаждающб ей воды G
в
(в кг/с) определяем из теплового баланса конденсатора:
, (2.1)
где – энтальпия пара в барометрическом компенсаторе, кДж/кг;
– теплоёмкость воды, кДж/(кг К);
С в
=4190 кДЖ/(кгК);
- начальная температура охлаждающей воды, ºС;
tн
= 1020 ºС
- конечная температура смеси воды и конденсата, ºС.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора составляет 3 ÷ 5 град., поэтому конечную температуру воды принимают на 3 ÷ 5 град. ниже температуры конденсации паров:
ºС
Тогда
2.1.2 Расчет диаметра барометрического конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора ‚ определяем из уравнения расхода
, (2.2)
где – плотность пара, кг/м3
выбираемая по давлению пара в конденсаторе P
бк
;
– скорость пара, м/с, принимаемая в пределах 15 ÷ 25 м/с.
По нормалям НИИХИММАШа подбираем барометрический конденсатор диаметром d
бк
= 600 мм с диаметром трубы d
бт
= 150 мм.
2.1.3 Расчет высоты барометрической трубы
Скорость воды в барометрической трубе
Высота барометрической трубы
, (2.3)
где В
–
вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;
– сумма коэффициентов местных сопротивлений;
– коэффициент трения в барометрической трубе;
– высота и диаметр барометрической трубы, м;
0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления.
,
где – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.
Коэффициент трения зависит от режима движения воды в барометрической трубе. Определим режим течения воды в барометрической трубе:
где – вязкость воды, Па∙с, определяемая по номограмме при температуре воды t
ср
.
Для гладких труб при Re = 123250,
2.2 Расчёт производительности вакуум – насоса
Производительность вакуум-насоса G
возд
определяется количеством воздуха, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
, (2.4)
где 2,5∙10-5
– количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через уплотнения на 1 кг паров. Тогда
Объёмная производительность вакуум-насоса
, (2.5)
где R
– универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К);
M
в
– молекулярнаямассавоздуха, кг/кмоль;
t
в
– температура воздуха, ºС;
Р
в
– парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Температура воздуха
ºС
давление воздуха
, (2.6)
где Р
п
– давление сухого насыщенного пара при t
в
, Па. При температуре воздуха 27,07ºС, Р
п
= 0,038∙9,8∙104
Па.
.
Тогда
Зная объёмную производительность воздуха и остаточное давление в конденсаторе Р
бк
, по каталогу подбираем вакуум-насос типа ВВН – 3мощность на валу .
Удельный расход энергии на тонну упариваемой воды, ,
.
2.3 Определение поверхности теплопередачи подогревателя
Поверхность теплопередачи подогревателя (теплообменника) F
п
,м2
определяем по основному уравнению теплопередачи:
, (2.7)
где – тепловая нагрузка подогревателя, Вт определяется из теплового баланса теплообменника: К
п
– коэффициент теплопередачи,
Вт/(м К), К
п
= 120 ÷ 340;
– средняя разность температур между паром и раствором, ºС;
– количество начального раствора, кг/с, и его теплоёмкость, Дж/(кг∙К);
– начальная температура исходного раствора, ºС;
– температура раствора на выходе из теплообменника, ºС, равная температуре с которой раствор входит в первый корпус.
t
1н
= 143,6ºС пар t
1к
= 143,6ºС
t
2н
= 20ºС раствор t
2к
= 129,9ºС
Так как отношение , то величину определим как среднелогарифмическую:
Тогда поверхность теплообменника
Площадь поверхности теплопередачи теплообменника принимается на 10—20 % больше расчетной величины:
На основании найденной поверхности по ГОСТ 15122 – 79 выбираем кожухоторубчатый одноходовой теплообменник с такими параметрами: площадь поверхности теплопередачи F
= 65 м2
, число труб n
= 283длина труб l
= 3 м, диаметр труб 25 х 2 мм, диаметр кожуха D
= 600 мм .
2.4 Расчёт центробежного насоса
Основными типами насосов, используемых в химической технологии, являются центробежные, осевые и поршневые. Для проектируемой выпарной установки используем центробежный насос. При проектировании обычно возникает задача определения необходимого напора Н
и мощности N
при заданной подаче (расходе) жидкости Q
, перемещаемой насосом. Далее по найденному напору и производительности насоса определяем его марку, а по величине мощности на валу – тип электродвигателя к насосу.
Мощность на валу насоса, кВт,
, (2.8)
где Q
– производительность насоса, м3
/c;
Н
– напор, развиваемый насосом, м;
– к.п.д. насоса, = 0,4 ÷ 0,9;
–к.п.д. передачи (для центробежногонасоса = 1).
Напор насоса
, (2.9)
где Р
1
– давление жидкости для исходного раствора (атмосферное), Па; Р
2
– давление вторичного пара в первом корпусе, Па;
Н
Г
– геометрическая высота подъема раствора, м,
Н
Г
= 8 ÷ 15 м; h
п
– напор, теряемый на преодоление гидравлических сопротивлений (трения и местных сопротивлений) в трубопроводе и теплообменнике, м.
Потери напора
, (2.10)
где и – потери напора соответственно в трубопроводе и в теплообменнике, м. В связи с громоздкостью расчета потери напора в теплообменнике можно не рассчитывать и принимать их в пределах , в зависимости от скорости движения раствора в трубах теплообменника, длины, количества труб и числа ходов теплообменника;
w
– скорость раствора, м/с, w
= 0,5 ÷ I,5 м/с;
l
иd
– длина и диаметр трубопровода, м; l
= 10 ÷ 20 м;
– коэффициент трения;
– сумма коэффициентов местных сопротивлений.
Определим диаметр трубопровода из основного уравнения расхода:
Для определения коэффициента трения рассчитываем величину Rе:
, (2.11)
где плотность, кг/м3
и вязкость, Па∙с исходного раствора; при концентрации x
= 5%;
Для гладких труб при Re = 49168 по задачнику
Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений :
Коэффициент местных сопротивлений равны:
вход в трубопровод = 0,5;
выход из трубопровода = 1,0;
колено с углом 90º (дл--+я трубы d
= 54 мм); = 1.1;
вентиль прямоточный = (для трубы d
= 24,6 мм);
;
Примем потери напора в теплообменнике и аппарата плюс 2 метра,Н
Г
= 6,5 + 2 = 8,5 м.
Тогда, по формулам (2.8) и (2.9)
;
.
По приложению табл. П11 устанавливаем, что данным подаче и напору больше всего соответствует центробежный насос марки X8/30, для которого в оптимальных условиях работы Q
= 2,4 10-3
м3
/с, H
= 30 м. Насос обеспечен электродвигателем АО2 – 32 – 2 номинальной мощностью N
= 4 кВт.
По мощности, потребляемой двигателем насоса, определяем удельный расход энергии:
2.5 Расчёт объёма и размеров емкостей
Большинство емкостей представляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндрические аппараты. При проектировании емкостей основными руководящими документами являются нормали и Государственные стандарты.
По номинальному объему аппарата выбирают его основные конструктивные размеры (диаметр, высоту), которые должны соответствовать ГОСТ 9941 – 72, ГОСТ 9671 – 72.
Длина (высота) емкостей принимается равной (1 ÷1,5) D
н
.
Расчет емкостей для разбавленного и упаренного раствора ведем из условий шестичасовой (сменной) работы выпарного аппарата, т.е. ч.
0бъём емкости для разбавленного (исходного) раствора
, (2.12)
где – количество (кг/ч) и плотность (кг/м3
) исходного раствора;
– коэффициент заполнения емкости, = 0,85 - 0,95. Для удобства работы устанавливаем три емкости объемом 20м3
. Принимаем диаметр емкости равным D
= 2,6м. Тогда длина ее l
= 3,8, м.
Объем емкости упаренного раствора
, (2.13)
где – количество (кг/ч) и плотность (кг/м3
) упаренного раствора.
Устанавливаем емкость объемом 8 м3
диаметром 2 м и длиной 2,6 м.
3.6 Определение диаметра штуцеров
Штуцера изготовляют из стальных труб необходимого размера. По ГОСТ 9941 – 62 применяют трубы следующих диаметров:
14, 16, 18, 20, 22, 25, 32, 38, 45, 48, 57, 70, 76, 90, 95, 108, 133, 159, 194, 219, 245, 273, 325, 377, 426.
Диаметр штуцеров определим из основного уравнения расхода:
, (2.14)
где V
c
– расход раствора или пара, м3
/с; w
– средняя скорость потока, м/с. Диаметр штуцера для разбавленного раствора
Диаметр штуцера для упаренного раствора
Диаметр штуцера для ввода греющего пара в первом корпусе
, (2.15)
где – расход пара, кг/с; – плотность пара при давлении его Р
Г1
, кг/м3
; (при Р
Г1
= 0,4 МПа = 2,16 кг/м3
).
2.7 Подбор конденсатоотводчиков
Для отвода конденсата и предотвращения проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками. Расчет и подбор стандартного поплавкового конденсатоотводчика по ГОСТ 15112 – 69 заключается в определении диаметра условного прохода по максимальному коэффициенту пропускной способности k
и в выборе по найденной величине D
у
конструктивных размеров аппарата [3].
Значение максимального коэффициента пропускной способности определяется в зависимости от расхода конденсата в (т/ч) и перепада давлений (кгс/см2
) между давлением до конденсатоотводчика и после него:
(2.16)
Давление до конденсатоотводчика Р
1
следует принимать равным 90 – 95 % от давления греющего пара, поступающего в аппарат, за которым установлен конденсатоотводчик; давление после конденсатоотводчика принимается в зависимости от его типа и от величины давления в аппарате, но не более 40 % этого давления.
P
1
= 3,92∙0,9 = 3,53 кгс/см2
;
P
1
= 3,92∙0,4 = 1,568кгс/см2
;
=3,92– 1,568= 2,35 кгс/см2
.
Количество конденсата G равняется количеству пара, поступающего в греющую камеру аппарата, т.е. G
= 0,2286 кг/с = 0,823 т/ч.
Тогда
Согласно зависимости при К
= 2,11 т/ч конденсатоотводчик должен иметь диаметр условного прохода D
у
= 32 мм. По этой величине диаметра условного прохода выбираем конструктивные размеры конденсатоотводчика.
Список источников информации
1. Касаткин А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии: Химия, I97I. 784 с.
2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976. 550 с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. - М.: Химия, 1983. 272 с.
4. Методические указания к выполнению курсового проекта «Расчет выпарной установки» по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» -Харьков- НТУ«ХПИ»,2004.55с.