Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)
Кафедра процессов и аппаратов химической технологии
Учебная дисциплина:
Процессы и аппараты химической технологии
Курсовая работа на тему:
«Проектирование выпарной установки для концентрированного водного раствора хлорида аммония, производительностью 22 кг/с по концентрированному раствору».
IV Курс, III Группа: 491
Студент: Янин Я.А.
Руководитель: Марков А.В.
Оценка за курсовой проект
Санкт-Петербург-2002 г.
Задание по курсовому проектированию № В9
Студент Янин Я.А.
Группа 491
Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания раствора хлорида аммония.
Основные исходные данные
1. Аппарат с кипением в трубах и естественной циркуляцией раствора.
2. Производительность по концентрированному раствору 2,2 кг/с
3. Содержание растворенного вещества
Начальное 12% масс.
Конечное 25% масс.
4. Начальная температура раствора 23
5. Температура охлаждающей воды 18
6. Избыточное давление греющего пара 3
Выполнить
1. Технологический расчет установки.
2. Полный расчет тепловой установки.
3. Приближенный расчет остальных аппаратов.
Содержание
Введение
1 Аналитический обзор
2 Технологическая часть
3 Инженерные расчеты
3.1 Материальный баланс процесса выпаривания
3.2 Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы
3.2.1 Определение температуры конденсации и давления вторичного пара в барометрическом конденсаторе
3.2.2 Определение температур и давлений в выпарном аппарате
3.3 Тепловой баланс выпарного аппарата
3.3.1 Расход теплоты на выпаривание
3.3.2 Определение расхода греющего пара
3.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата
3.5 Полный тепловой расчет подогревателя начального раствора
3.5.1 Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева раствора перед подачей в выпарной аппарат
3.5.2 Подробный расчет теплообменного аппарата
3.5.2.1 Теплоотдача в трубах
3.5.2.2 Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара
3.5.2.3 Расчет коэффициента теплопередачи
3.5.3 Выбор типа аппарата
3.6 Расчет барометрического конденсатора
3.7 Расчет производительности вакуум – насоса
3.8 Приближенный расчет холодильника
3.9 Определение расходов греющего пара и воды на всю установку
Выводы по проекту
Литература
Введение
В данной работе стоит задача спроектировать установку для выпаривания раствора хлорида аммония.
Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.
Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара, - некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целях.
При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температурах кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.
Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.
Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.
Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.
В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.
Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.
В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной , естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.
В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. В этом аппарате циркуляция раствора осуществляется за счет различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.
В таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.
1 Аналитический обзор
Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.
Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды). Применение вакуума дает возможность проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрировании растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Также дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а так же увеличиваются эксплуатационные расходы.
При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд не связанных с процессом выпаривания. Такой способ выпаривания позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Этот способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, необходимы греющие агенты с более высокой температурой.
При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.
Простейшими выпарными аппаратами со свободной циркуляцией раствора являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы под атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом. Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этих аппаратов очень невелики. Значительно большей поверхностью нагрева в единице объема обладают змеевиковые выпарные аппараты. Выпарные аппараты со свободной циркуляцией раствора в настоящее время вытеснены в большинстве производств выпарными аппаратами более совершенных конструкций, в частности вертикальными трубчатыми аппаратами.
В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при много кратной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.
В аппаратах с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.
В аппаратах с подвесной нагревательной камерой кольцевой канал имеет большое поперечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное воздействие на циркуляцию раствора. Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной нагревательной камерой ( как и в аппаратах с центральной циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка, которых приводит к частым и длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей.
Конструкции аппаратов с выносными циркуляционными трубами несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.
Аппарат в выносной нагревательной камерой работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.
В аппаратах с вынесенной зоной кипения кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи. В этих аппаратах значительно снижается брызгоунос, достигается большая скорость циркуляции раствора, что приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применятся для выпаривания кристаллизирующихся растворов умеренной вязкости.
Принципиальное отличие прямоточных аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. В таких аппаратах достигается снижение температурных потерь, обусловленных гидростатической дисперсией.
В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации, вследствие вращающихся частей (ротора).
В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования. Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание протекает при малых полезных разностях температур, не превышающих 3-5 К и при значительных вязкостях растворов.
В выпарных аппаратах с тепловым насосом, с помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в нагревательную камеру того же аппарата. В отдельных случаях выпарные аппараты с тепловым насосом могут конкурировать с многокорпусными выпарными установками.
2 Технологическая часть
В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор хлорида аммония под вакуумом.
Исходный раствор хлорида кальция с начальной концентрацией масс. долей из емкости Е1 подается центробежным насосом Н2 в теплообменник АТ1, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения , а затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата 4. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. Выпариваемый раствор, двигаясь в греющей камере по трубе вскипания, нагревается и кипит при средней температуре с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.
Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений. В выпарном аппарате давление и температура . В барометрическом конденсаторе вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Давление в барометрическом конденсаторе . Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком при гидрометрической трубе с гидрозатвором.
Концентрированный раствор карбоната калия с концентрацией %масс. после выпарного аппарата подается в двухходовой холодильник AT3, где охлаждается до температуры . Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор с помощью центробежного насоса Н2 подается в емкость упаренного раствора.
3 Инженерные расчеты
3.1 Материальный баланс процесса выпаривания
Основные уравнения материального баланса:
(3.1)
(3.2)
где , - соответственно массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;
, - соответственно массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;
W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с.
Из формулы 3.2 получаем:
;
кг/с.
Решая совместно уравнения 3.1 и 3.2 получаем:
;
кг/с.
Материальный баланс выпаривания
Таблица 3.1
| Поток |
Обозначение |
Численное значение, кг/с |
Содержание соли, массовые доли |
| Исходный раствор |
|
4,58 |
0,12 |
| Упаренный раствор |
|
2,2 |
0,25 |
| Вторичный пар |
W |
2,38 |
- |
3.2 Определение температур и давлений в узловых
точках технологической схемы
3.2.1 Определение температуры конденсации и давления вторичного пара в барометрическом конденсаторе
Температуру конденсации вторичного пара в барометрическом конденсаторе мы определяем по формуле:
(3.3)
где - температура конденсации греющего пара, ;
- полезная разность температур, К.
Принимаем = 40 К.
- температурная депрессия, К;
- гидростатическая депрессия, К.
Принимаем = 5 К.
- гидравлическая депрессия, К.
Принимаем = 1 К.
Давление греющего пара:
где - атмосферное давление,
- избыточное давление греющего пара.
По, находим по (/1/, табл. LVII,стр. 549) температуру греющего пара :
.
полагаем равной при и . По (/1/, рис. XIX, стр. 568), находим :
.
Подставляя, найденные значения и в уравнение для получаем:
.
По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим, что при . По (/1/, табл. LVII, стр. 549) находим температуру в барометрическом конденсаторе при давлении :
.
3.2.2 Определение температур и давлений в выпарном аппарате
Температура в сепараторе :
;
.
По [1, табл. LVI] находим давление вторичного пара в сепараторе при температуре :
.
Температура кипения раствора в сепараторе выпарного аппарата, при которой конечный раствор выводится из аппарата определяется по формуле: См. приложение.
; (3.4)
где , , - давление, Па.
.
Уточненное значение температурной депрессии определяем по формуле:
;
.
Оптимальная высота уровня по водомерному стеклу определяем по формуле:
(3.5)
где и - соответственно плотности раствора конечной концентрации и воды при средней температуре кипения , . Так как не известно, то принимаем .- рабочая высота труб, принимаем
Плотность воды можно рассчитываем по формуле:
(3.6)
.
Плотность раствора определяем по формуле:
(3.7)
где , , .
Откуда
Подставляя найденные значения и в формулу 3.5 получаем:
Гидростатическое давление в середине высоты труб при определяем по формуле:
(3.8)
.
Подставляя в формулу 3.4 давление , находим среднюю температуру кипения раствора:
.
Находим уточненное значение гидростатической депрессии :
.
Находим уточненное значение полезной разности температур :
.
Начальную температуру раствора принимаем равной .
Таблица 3.2 - Температурный режим работы выпарной установки
| Узловые точки технологической схемы |
Температура, |
Давление, |
||
| Барометрический конденсатор |
|
90 |
|
0.715 |
| Паровое пространство аппарата |
|
91 |
|
0.740 |
| Выход кипящего раствора в сепаратор |
|
98.57 |
в сепараторе |
0.740 |
| Трубное пространство (середина высоты труб) |
|
99.48 |
|
0.801 |
| Межтрубное пространство греющей камеры |
|
142,9 |
|
4,03 |
| Вход исходного раствора в выпарной аппарат |
|
92,0 |
- |
- |
3.3 Тепловой баланс выпарного аппарата
3.3.1 Расход теплоты на выпаривание
Тепловая нагрузка выпарного аппарата равна:
, (3.9)
где - расход теплоты на нагревание раствора, кВт; - расход теплоты на испарение влаги кВт; - теплота дегидратации. Обычно, эта величина мала по сравнению с другими статьями теплового баланса и ею можно пренебречь;- расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду.
Расход теплоты на нагревание раствора , определяется по формуле:
, (3.10)
где - теплоемкость разбавленного раствора, определяется по формуле:
(3.11)
где , , , , - удельная теплоемкость воды, определяется по формуле:
(3.12)
где - температура воды,
.
Тогда по формуле 3.11 будет равна:
и по формуле 3.10 получим:
.
Расход теплоты на испарение определяется по формуле:
(3.13)
где - энтальпия вторичного пара, при температуре .
По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим :
.
Теплоемкость воды по формуле 3.12 при температуре будет равна:
,
тогда по формуле 3.13 находим расход теплоты на испарение:
.
Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду ,при расчете выпарных аппаратов принимают 3-5% от суммы . Таким образом, равняется:
.
Следовательно, количество теплоты, передаваемой от греющего пара к кипящему раствору, по формуле 3.9 равняется:
.
3.3.2 Определение расхода греющего пара
Расход греющего пара (в кг/с) в выпарном аппарате определяем по уравнению:
, (3.14)
где - паросодержание (степень сухости) греющего пара; - удельная теплота конденсации греющего пара, . Из (/1/, табл. LVII, стр. 550) находим для температуры ,
.
И получаем:
.
Удельный расход греющего пара:
3.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата
Выпарная установка работает при кипении раствора в трубах при оптимальном уровне. При расчете выпарного аппарата мы приняли высоту труб . При расчете установки мы приняли: тепловая нагрузка ; средняя температура кипения раствора хлорида аммония ;
температура конденсации сухого насыщенного водяного пара . Для кипящего раствора коэффициент теплопроводности раствора NH
4
Cl
мы рассчитываем по формуле:
, (3.15)
где , - коэффициент теплопроводности воды, :
, (3.16)
.
Тогда по формуле 2.15 получаем:
Средняя разность температур:
Находим коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к поверхности вертикальных труб по формуле:
, (3.17)
где (/1/, табл. 4.6, стр. 162).
;
Следовательно,
.
Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к кипящему раствору:
, (3.18)
где
, (3.19)
и - соответственно плотности раствора и его пара при средней температуре кипения , К; - динамический коэффициент вязкости, ; - поверхностное натяжение раствора, Н/м, при и .
Плотность раствора, рассчитанная по формулам 3.6 и 3.7, равна:
;
.
Плотность пара находим по (/1/, табл. LVI, стр. 548):
.
Таким образом, по формуле 3.19 получаем:
.
Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле:
, (3.20)
где - температура раствора, , , , ; - вязкость воды, :
(3.21)
При средней температуре кипения раствора получаем:
.
.
Поверхностное натяжение берем по (/1/, табл. XXIII, стр. 526) для хлорида аммония 10% концентрации:
.
Подставляя найденные значения в формулу 3.18 получаем:
Принимаем тепловую проводимость загрязнений (/1/, табл. XXXI, стр. 531) стенки со стороны греющего пара и со стороны кипящего раствора . Коэффициент теплопроводности стали по (/1/, табл. XXVIII, стр. 529) принимаем равным:
,
по (/3/, табл. 2.2, стр. 16) толщину труб принимаем равной 2 мм. Тогда
.
Ввиду того, что и , для расчета коэффициента теплопередачи принимаем метод последовательных приближений.
Для определения исходного значения , учитывая: что при установивш
.
Затем рассчитываем исходные значения и , принимая :
;
.
Находим значение
.
Составляем расчетную таблицу 3.3, в которую записываем исходные данные , , , и результаты последующих расчетов.
Таблица 3.3 Температурный режим работы выпарной установки
| Прибли-жения и провероч-ный расчет |
Конденсация греющего пара |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
| I |
142,9 |
139,9 |
3,0 |
7529 |
24770 |
||||
| II |
142,9 |
137,31 |
5,59 |
6594 |
36863 |
||||
| III |
142,9 |
136,06 |
6,85 |
6267 |
42934 |
||||
| IV |
142,9 |
135.17 |
7.73 |
6081 |
47008 |
||||
| Прибли-жения и провероч-ный расчет |
Стенка и ее загрязнения |
Кипение раствора |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
| I |
1785 |
13,88 |
125,73 |
109,9 |
28,65 |
2532 |
72548 |
||
| II |
1785 |
20,65 |
116,66 |
109,9 |
19,58 |
3301 |
64628 |
||
| III |
1785 |
24,05 |
112,01 |
109,9 |
14,93 |
3654 |
54552 |
||
| IV |
1785 |
26.33 |
108.84 |
109,9 |
11.76 |
3881 |
45646 |
||
I. Первое приближение:
;
;
;
;
;
;
;.
В первом приближении:.
II. Второе приближение.
Рассчитываем по первому приближению :
,
тогда
.
Величину определяем, принимая при
:
.
Затем выполняем аналогичный расчет (см. строку II в табл. 3.3).
Расхождение и по второму расчету:
.
III. Третье приближение.
Рассчитываем по второму приближению :
,
тогда
.
Величину определяем, принимая при :
.
Затем выполняем аналогичный расчет (см. строку III в табл. 3.3).
Расхождение и по третьему расчету: .
По результатам расчетов второго и третьего приближения строим график . Полагая что при малых изменениях температуры поверхностные плотности и линейно зависят от , графически определяем Графическая зависимость
IV. Проверочный расчет (см. табл. 3.3).
Расчеты аналогичны расчетам первого приближения.
Расхождение и :
По данным последнего приближения определяем коэффициент теплопередачи:
.
Площадь поверхности теплопередачи:
.
По (Таблице 2.2 стр. 16) принимаем аппарат Тип 1, Исполнение 2, группа А (С выносной греющей камерой и кипением в трубах), с площадью поверхности теплопередачи 132 (действительная), Трубы 38 х 2 мм, длинной Н = 4000
мм , т.е. с запасом .
3.5 Полный тепловой расчет подогревателя начального раствора
3.5.1 Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева раствора перед подачей в выпарной аппарат
Таблица 3.4 - Основные данные для расчета подогревателя
| Раствор хлорида аммония |
Греющий пар |
|||
| , % масс. |
|
|
|
|
| 12 |
23 |
92,0 |
142,9 |
4,03 |
Значение усредненной по всей теплообменной поверхности разности температур рассчитывается по формуле:
; (3.22)
при этом
;
.
Получаем
.
Средняя температура раствора :
,
где - среднее арифметическое значение температуры теплоносителя, которое изменяется на меньшую величину (в данном случае температура конденсации греющего пара);
.
Расход раствора :
.
Расход теплоты на нагрев раствора:
, (3.23)
где - удельная теплоемкость раствора, рассчитанная по формуле 2.11, при и % масс.
По формуле 3.12 удельная теплоемкость воды при равна:
.
Тогда по формуле 3.11 получаем:
Расход теплоты на нагрев раствора по формуле 3.23 равен:
.
Расход греющего пара:
Принимая по (/1/, табл. 4.8 стр. 172) ориентировочный коэффициент теплопередачи , (аппарат со свободной циркуляцией, передача тепла от конденсирующегося пара к воде), рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи:
.
Проходное сечение трубного пространства рассчитываем по формуле:
, (3.24)
где - внутренний диаметр труб; - динамический коэффициент вязкости начального раствора при средней температуре ; Re – критерий Рейнольдса.
По формуле 3.21 при для воды получаем:
,
а по формуле 3.20 для раствора находим:
,
Для обеспечения интенсивного теплообмена подбираем аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Раствор направляется в трубное пространство, греющий пар – в межтрубное.
Максимальное проходное сечение считаем при критерии Рейнольдса :
,
минимальное – при :
.
По полученному оценочному значению поверхности теплопередачи с учетом и , в качестве подогревателя, мы выбираем по (/3/ табл. 1.2 стр. 6) 2-у ходовый теплообменник, с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением и числом рядов труб , расположенных в шахматном порядке.
3.5.2 Подробный расчет теплообменного аппарата
3.5.2.1 Теплоотдача в трубах
Находим, что теплоотдача для раствора описывается уравнением:
, (3.25)
где - критерий Нуссельта; - поправочный коэффициент; Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля; - критерий Прандтля при температуре стенки трубы.
Коэффициент примем равным 1, полагая, что (/1/, табл. 4.3, стр. 153), где - длина труб, - эквивалентный диаметр. Критерий Рейнольдса рассчитываем по формуле:
, (3.26)
где - средняя скорость потока, и - соответственно плотность раствора и динамический коэффициент вязкости, при средней температуре .
По формуле 3.7 плотность раствора при и % масс. равняется:
,
.
Среднюю скорость потока определяем по формуле:
Учитывая, что для труб круглого сечения диаметр труб и эквивалентный диаметр совпадают, то для труб получаем:
.
Критерий Прандтля находим по формуле:
, (3.27)
где - удельная теплоемкость, ; - коэффициент теплопроводности, ; - динамический коэффициент вязкости, .
Коэффициент теплопроводности при и % масс. по формуле 3.15 равняется:
,
.
Таким образом, критерий Pr при и равняется:
Коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:
.
С учетом формулы 3.25 получаем:
, (3.28)
.
3.5.2.2 Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара
Для водяного пара в случае конденсации на пучке горизонтальных труб осредненный по всему пучку коэффициент теплопередачи можно рассчитать по формуле:
, (3.29)
где - поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали; - наружный диаметр труб; =7430 (взято из /1/, табл.4.6, стр. 162 при температуре конденсации греющего пара); - разность средней температуры конденсации греющего пара и температуры стенки со стороны греющего пара :
.
Поправочный множитель находим по (/1/, рис. 4.7, стр. 162) для шахматного расположения труби при числе рядов труб по вертикали :
.
Имеем:
.
3.5.2.3 Расчет коэффициента теплопередачи
I. Первое приближение.
Принимаем в первом приближении . Тогда температура стенки со стороны греющего пара равняется:
.
Тогда по формуле (3.29) получаем:
.
При этом удельный тепловой поток от пара к стенке равен:
.
Сумма термических сопротивлений равна:
,
где - соответственно термические сопротивления загрязнений со стороны греющего пара, стенки и со стороны раствора.
По (/1/, табл. XXXI, стр. 531) находим:
,
.
Для стенки:
,
где - толщина стенки, - коэффициент теплопроводности стали (/1/, табл. XXVIII, стр. 529).
,
.
Поскольку удельный тепловой поток от пара к стенке равен удельному тепловому потоку через стенку , то можно получить:
,
при этом - температура стенки со стороны раствора равна:
,
.
При температуре удельная теплоемкость, динамический коэффициент вязкости и коэффициент теплопроводности, вычисленные, соответственно, по формулам 3.11, 3.15, 3.20 равны:
,
,
;
,
.
Подставляя найденные значения в формулу 3.27, получаем значение критерия Прандтля при температуре стенки:
.
По формуле 3.28 находим в коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:
.
Тогда удельный тепловой поток от стенки к раствору равняется:
,
где - вычисленная ранее средняя температура раствора.
.
Расхождение между и в первом приближении составляет
.
Составляем таблицу 3.4, в которую заносим результаты первого и второго приближений , а также проверочный расчет.
Таблица 3.5
| Прибли-жения и провероч-ный расчет |
Конденсация греющего пара |
||||
|
|
|
|
|
|
|
| I |
142,9 |
137.9 |
5,0 |
10485 |
52428 |
| II |
142,9 |
131,4 |
11,5 |
8514 |
97913 |
| III |
142,9 |
132.6 |
9,1 |
9027 |
82148 |
| Прибли-жения и провероч-ный расчет |
Стенка и ее загрязнения |
Нагревание раствора |
|||
|
|
|
|
|
|
|
| I |
|
118,73 |
1,642 |
2181 |
116899 |
| II |
|
98,2 |
1,804 |
2130 |
75402 |
| III |
|
100,08 |
1,783 |
2137 |
83642 |
II. Второе приближение.
Принимаем . Результаты - табл 3.5 строка II.
Расхождение по второму приближению: .
По результатам расчетов первого и второго приближения строим график . Полагая что при малых изменениях температуры, поверхностные плотности и линейно зависят от , графически определяем (рис. 3.3, точка А). Графическая зависимость
III. Проверочный расчет.
Расчеты аналогичны расчетам первого приближения (см. табл. 3.4, строку III).
Расхождение и :
Коэффициент теплопередачи равен:
.
Поверхность теплообмена:
Так как , то истинную поверхность теплообменника рассчитывают по формуле:
,
где - внутренний диаметр труб, - число труб, - длина труб.
.
Запас поверхности:
.
3.5.3 Выбор типа аппарата
Поверхностная плотность теплового потока:
,
Определение температуры внутренней поверхности труб :
;
.
Определение температуры наружной поверхности труб:
;
.
Средняя температура стенок труб:
.
Средняя разность:
.
Величина меньше 40 К (/1/, табл. 35, стр. 534), поэтому (/1/, стр. 213) принимаем кожухотрубчатый горизонтальный теплообменник с неподвижными трубными решетками типа ТН.
3.6 Расчет барометрического конденсатора
Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:
,
где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; - начальная температура охлаждающей воды, ; - конечная температура смеси воды и конденсата, ; - расход вторичного пара (см. табл. 1), кг/с; - теплоемкость воды, .
По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим, что при , . По заданию . Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 К, поэтому принимаем . Теплоемкость воды принимаем равной .
.
По расходу вторичного пара по (/3/, табл. 3.3, стр. 17) выбираем барометрический конденсатор смешения, диаметром , с диаметрои труб.
Высота трубы:
, (3.30)
где - высота водяного столба, соответствующая вакууму разряжения в конденсаторе и необходимая для уравновешивания атмосферного давления, м; - высота, отвечаемая напору, затрачиваемому на преодоление гидравлических сопротивлений в трубе и создания скоростного напора в барометрической трубе; 0,5 – запас высоты на возможное изменения барометрического давления, м.
;
,
- сумма коэффициентов местных сопротивлений; - коэффициент трения.
Принимаем (/4/, стр. 365).
Находим критерий Рейнольдса:
,
где - динамический коэффициент вязкости воды, при температуре ,
По формуле 3.21 получаем:
.
Принимаем скорость смеси воды и парового конденсата в пределах 0,5-1,0 м/с,
.
По (/1/, табл. XII, стр. 519) принимаем среднее значение шероховатости стенки трубы , тогда отношение .
По (/1/, рис. 1.5, стр. 22) находим, что при таких Re и коэффициент трения равняется .
Подставляя найденные значения в формулу 3.30 получаем:
,
откуда
7,585м.
Выбираем барометрический конденсатор диаметром , 2-у ходовый, с высотой труб 7,585м.
3.7 Расчет производительности вакуум – насоса
Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
,
где - количество газа. Выделяющегося из 1 кг воды; 0,01- количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда
.
Объемная производительность вакуум-насоса равна:
,
где - универсальная газовая постоянная R = 8,314 ; - молекулярная масса воздуха M
= 29 кг/кмоль; - температура воздуха, ; - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:
.
Давление воздуха равно:
,
где - давление сухого насыщенного пара (Па) при .
По (/1/, табл. LVI, стр. 548) . Подставив, получим:
;
.
Зная объемную производительность и остаточное давление по (/3/, табл. 2.5, стр. 19) выбираем вакуум-насос типа ВВН1-3 мощностью на валу 4,95 кВт.
3.8 Приближенный расчет холодильника
Таблица 3.6
Основные данные для расчета холодильника
| Раствор хлорида аммония |
Вода |
|||
| , % масс. |
|
|
|
|
| 25 |
93,55 |
35,0 |
18,0 |
30,0 |
Значение усредненной по всей теплообменной поверхности разности температур рассчитывается по формуле:
;
при этом
,
где
;
;
;
;
.
Получаем
.
Средняя температура раствора:
,
где
;
.
Расход раствора:
.
Количество теплоты, которое необходимо забрать у раствора:
,
где - удельная теплоемкость раствора, рассчитанная по формуле 3.11 при и % масс.
По формуле 3.12 удельная температура воды при равна:
.
Тогда по формуле 3.11:
, получаем:
.
Расход воды:
,
где - теплоемкость воды при средней температуре . По формуле 3.12 находим:
.
Тогда
.
Принимая по (/1/, табл. 4.8 стр. 172) ориентировочный коэффициент теплопередачи , рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи:
.
Проходное сечение трубного пространства рассчитываем по формуле 3.24, где - внутренний диаметр труб; - динамический коэффициент вязкости начального раствора при средней температуре ; Re – критерий Рейнольдса.
По формуле 3.21 при для воды получаем:
,
а по формуле 3.20:
,
для раствора находим:
,
Для обеспечения интенсивного теплообмена подбираем аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Раствор направляется в трубное пространство, греющий пар – в межтрубное.
Максимальное проходное сечение по трубам считаем при критерии Рейнольдса :
,
минимальное – при :
.
Проходное сечение межтрубного пространства рассчитываем по формуле:
,
где - наружный диаметр труб; - динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре ; Re – критерий Рейнольдса.
По формуле 3.21 получаем:
Максимальное проходное сечение межтрубного пространства считаем при критерии Рейнольдса :
.
Минимальное проходное сечение межтрубного пространства считаем при критерии Рейнольдса :
.
Полученное оценочное значение поверхности теплопередачи с учетом и позволяет сделать вывод о том, что в качестве холодильника может быть использован кожухотрубчатый двухходовой теплообменник с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением трубного пространства , проходным сечением межтрубного пространства и числом рядов труб .
3.9 Определение расходов греющего пара и воды на всю установку
Расход греющего пара:
,
где - расход пара на подогрев раствора, - расход пара на выпаривание.
Расход воды:
,
где - расход воды в барометрическом конденсаторе, - расход воды в холодильнике.
Выводы по проекту
В данной курсовой работе представлен процесс выпаривания раствора хлорида аммония.
В результате приведенных выше расчетов были выбраны следующие аппараты:
- выпарной аппарат: тип 1 исполнение 2 группа А – выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания с площадью теплообмена (по внутреннему диаметру трубы);
- Для подогрева мы выбираем: 2-у ходовый теплообменник, с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением и числом рядов труб , расположенных в шахматном порядке.
-барометрический конденсатор диаметром с высотой трубы 7,585м. (/5/, табл. 2.7 стр. 26).
- вакуум насос типа ВВН1-3 мощностью N=4,95 кВт
- холодильник: кожухотрубчатый двухходовой теплообменник с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением трубного пространства , проходным сечением межтрубного пространства и числом рядов труб .
Расход греющего пара на всю установку: .
Расход воды на всю установку: .
Среда раствора хлорида аммония относится к слабоагрессивным средам, поэтому в качестве основного конструкционного материала для всех аппаратов применима сталь Ст3кп.
Литература
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.- корр. АН СССР П. Г. Романкова, - 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю. И./Под редакцией Дытнерского Ю. И., 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1991. – 496с
3. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. – Л.: 1989. – 40 с.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 8-е изд., М.: Химия, 1971. – 784 с.
5. Методическое пособие №705