Процесс выпаривания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Технологический расчет аппарата

1.1 Технологическая схема установки и ее описание

1.2 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

1.2.1 Определение концентрации упариваемого раствора

1.2.2 Температуры кипения растворов

1.2.3 Полезная разность температур

1.2.4 Определение тепловых нагрузок

1.2.5 Выбор конструкционного материала

1.2.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

1.2.7 Распределение полезной разности температур

1.2.8 Расчет поверхности теплопередачи

1.2.9 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

2. Определение толщины тепловой изоляция

3. Расчет барометрического конденсатора

3.1 Расход охлаждающей воды

3.2 Диаметр конденсатора

3.3 Высота барометрической трубы

4. Расчет производительности вакуум-насоса

5. Расчет теплообменника - подогревателя

6. Расчет диаметров штуцеров

Заключение

Список использованных источников



Введение

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 вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке.

Процесс выпаривания заключается в удалении из раствора большей части растворителя и получении концентрированного раствора. Выпаривание следует вести так, чтобы при заданной производительности сгущенный раствор требуемой концентрации без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе энергии на обогревание установки.

Физическая сущность процесса выпаривания растворов заключается в частичном или почти полном превращении растворителя в пар.

Многокорпусная установка позволяет значительно снизить расход тепла за счет многократного использования пара.

выпарной тепловой барометрический штуцер



1. Технологический расчет аппаратов [1]

1.1 Технологическая схема выпарной установки и ее описание [1]

1 - емкость исходного раствора, 2, 10 - насосы, 3 - теплообменник-подогреватель, 4-6 -выпарные аппараты, 7 - барометрический конденсатор, 8 - вакуум-насос, 9 - гидрозатвор, 11 - емкость упаренного раствора, 12 - конденсатоотводчик.

Рисунок 1 - Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной [1] установки показана на рис. 1. 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. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго 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 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.

Исходные данные:

Вещество: KNO3

G=12т/час

Хн=5% масс

Хк=20% масс

Рr1=4.7 атм

Pбк=0.43 атм

Тип аппарата : 2

Аппарат с наружной цирк-ей трубой.

1.2 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи:



, (1)

где Q - тепловые нагрузки, Вт;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К);

?tп - полезная разность температур, 0С.

Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса. Уравнение материального баланса имеет вид:

, (2)

где Gн - производительность аппарата, кг/с;

хн - начальная массовая концентрация упариваемого раствора, %;

хк - конечная массовая концентрация упариваемого раствора, %.

Подставив, получим:

кг/с.

1.2.1 Определение концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. Сделаем распределение концентраций на основании практических данных, приняв следующее соотношение массовых количеств выпариваемой воды по корпусам:

= 1,0:1,1:1,2.

Тогда:

кг/с;

кг/с;

кг/с;

кг/с.

Далее рассчитаем концентрации растворов в корпусах:

;

или

;

или

;

или .

Концентрация раствора в последнем корпусе 3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора к.

1.2.2 Определение температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

;

МПа.

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

МПа;

;

МПа;

;

МПа.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

МПа,

что соответствует заданному значению .

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [2] (таблица 1).

Таблица 1 - Распределение температуры насыщенных паров воды и удельных энтальпий по корпусам

Давление пара, МПа	Температура насыщенного пара t, 0С.	Удельная энтальпия I, Дж/кг
Pг1 = 0,3924	tг1 = 142,9	I1=2744
Pг2 = 0,2649	tг2 = 128,9	I2=2724
Pг3 = 0,1374	tг3 = 108,7	I3=2693
Рбк = 0,00981	tбк = 45,4	Iбк=2581

Гидродинамическая депрессия

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают град на корпус. Примем ?/// = 10C для каждого корпуса. Тогда температуры вторичных паров в корпусах ( в 0С) равны:

;

0C;

;

0C;

;

0C.

Сумма гидродинамических депрессий:

;

0C.

По температурам вторичных паров определим их давления [2]

Рвп1 = 0,262МПа; Рвп2 = 0,142МПа; Рвп3 = 0,0104 МПа.

Гидростатическая депрессия

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Pcp каждого корпуса определяется по уравнению:

, (3)

где- давление вторичного пара, Па;

- плотность кипящего раствора, кг/м3;

- ускорение свободного падения, м/с2;

- высота кипятильных труб в аппарате, м;

- плотность кипящего раствора, кг/м3;

- паронаполнение, м3/м3.

Для выбора значениянеобходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией = 20000-50000 Вт/м2. Примем = 40000 Вт/м2. Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи 1-го корпуса определяется по формуле:

;

где - теплота парообразования вторичного пара [2], Дж/кг. м3

По ГОСТ 11987-82 [3] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре = 38 мм и толщине стенки = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб = 4 м. При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет = 0,4-0,6. Примем = 0,5.

Плотность водных растворов, в том числе раствора NaNO3 [4] при температуре 200C и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

кг/м3; кг/м3 ;кг/м3.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

;

Па;

;

Па;

;Па.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [2] (таблица 2).



Таблица 2 - Температуры кипения и теплоты испарения растворителя.

Рср, Мпа	tср, 0С	rвп, кДж/кг
0,2727	129,97	2179
0,1532	111,9	2229
0,0244	64,02	2347

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в 0С):

;

;

;

;

;

.

Сумма гидростатических депрессий:

;

0С.

Температурная депрессия

Температурная депрессия обусловлена разностью между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении. Значения температурной депрессии обычно приводятся при атмосферном давлении. Определим температурную депрессию по уравнению:

, (4)

где - температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

- температурная депрессия при атмосферном давлении [1], 0С.

Находим значения по корпусам (в 0С):

;

;

.

Сумма температурных депрессий:

;

0С.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в 0С):

;

;

;

;

;

.

1.2.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

.

Полезные разности температур по корпусам (в 0С) равны:

;

;

;

;

;

.

Тогда общая полезная разность температур:

0С

Проверим общую полезную разность температур:

;

0С.

Перегрев раствора может быть найден из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Уравнение теплового баланса для j-го корпуса записывается в следующем виде:

Gнjcнj(tкj-1-tкj)+Mcнjtперj=wj(Iвпj-cвtкj), (5)

где М - производительность циркуляционного насоса (в кг/с), для первого корпуса tкj-1 - это температура раствора, поступающего в аппарат из теплообменника-подогревателя.

В аппаратах с естественной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна

М=S

Здесь S - сечение потока в аппарате (м2), рассчитываемое по формуле

S=Fорdвн/4H,

где dвн- внутренний диаметр труб, м;

Н- принятая высота труб, м.

м2

кг/с;

кг/с;

кг/с.

Перегрев раствора в j-м аппарате равен:



(6)

0С,

0С,

0С.

1.2.4 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:

; (7)

; (8)

; (9)

, (10)

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

, - теплоемкости растворов исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг*К) [3];

- теплоты концентрирования по корпусам, кВт;

- температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе, 0С; 0С (где - температурная депрессия для исходного раствора).

Можно принять:

; ; .

Рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса, т.к. анализ показывает, что она наибольшая :

, (11)

где Gсух - производительность аппарата по сухому NаNO3, кг/с;

- разность интегральных теплот растворения при концентрациях и , кДж/кг [4].

Тогда:

кВт

Сравним , с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q3ор:

.

Поскольку составляет менее 3% от Q3ор, то в уравнениях тепловых балансов пренебрегаем величиной .

Получим систему уравнений:

;

;

;

.

Решение системы уравнений дает следующие результаты:

кг/с; кг/с; кг/с;

кг/с; кВт; кВт; кВт

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (кг/с, кг/с, кг/с) не превышает 3%, поэтому в дальнейших расчетах не производим пересчет концентраций и температур кипения растворов по корпусам.

Таблица 3 - Параметры растворов и паров по корпусам

Параметры	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде, , кг/с	0,604	0,651	0,746
Концентрация растворов х, %	13,2	20,4	50
Давление греющих паров Рг, МПа	0,3924	0,2649	0,134
Температура греющих паров tг, 0С	142,9	128,9	108,7
Температурные потери ??, град	3,059	6,09	26,46
Температура кипения раствора tк, 0С	131,96	114,79	71,86
Полезная разность температур ?tп, град	10,941	14,11	36,84

Наибольшее отклонение вычислительных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (кг/с,кг/с, кг/с) не превышает 3% , поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

1.2.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NаNO3 интервале концентраций от 5 до 25% [5]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности лст = 25,1 Вт/(м·К).

1.2.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

По найденным температурам кипения и концентрациям растворов в корпусах подбираем в справочниках расчетные константы - физические характеристики растворов (плотность, теплопроводность, теплоемкость, вязкость). Далее по этим данным рассчитываем коэффициенты теплоотдачи для конденсирующегося пара и кипящего раствора и коэффициенты теплопередачи. Коэффициент теплопередачи определяем по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

. (12)

Примем что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

;

м2·К/Вт

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен[2]:

, (13)

где - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

, , - соответственно плотность (кг/м3),теплопроводность Вт/(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки,

,

где - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем град.

0С.

Подставив численные значения, получим:

Вт/(м2·К).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

,

где - 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 для пузырькового кипения в вертикальных трубках при условии естественной циркуляции раствора [8] равен:

, (14)

Вт/(м2·К).

Физические свойства кипящих растворов NаNO3 и их паров приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Физические свойства кипящих растворов NаNO3 и их паров

Параметр	Корпус	Литера-тура
	1	2	3
Теплопроводность раствора л, Вт/(м·К)	1,72	1,71	1,651	[9]
Плотность раствора с, кг/м3	1091	1143	1422	[4]
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг·К)	1091	1143	1258	[4]
Вязкость раствора м, Па·с	0,71·10-3	1,14·10-3	3,18·10-3	[10]
Поверхностное натяжение у, Н/м	0,0734	0,0748	0,0798	[9,10]
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2186·103	2229·103	2347·103	[2]
Плотность пара сп, кг/м3	2,122	1,339	0,735	[1]

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

;

Вт/м2;

;

Вт/м2.

Как видим, q/ ? q//.

Для второго приближения примем ?t1=3,0 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0 град, рассчитаем по соотношению

Вт/(м2·К)

Получим:

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2 ; Вт/м2

Очевидно, что q/ ? q//.

Для расчета в третьем приближении ?t1=2,75 град. Получим:

Вт/(м2·К);

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2; Вт/м2.

Как видим, q/ ?q//.

Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, то расчет коэффициентов и на этом заканчивают. Находим К1:

Вт/(м2·К).

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2:

Примем град.

Вт/(м2·К);

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2 ; Вт/м2.

q/ ? q//.

Примем град. Получим:

Вт/(м2·К);

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2 ; Вт/м2.

q/ ? q//.

Примем град. Получим:

Вт/(м2·К);

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2 ; Вт/м2

q/ ? q//.

Примем град. Получим:

Вт/(м2·К);

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2 ; Вт/м2.

Как видим, q/ ?q//. Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов и на этом заканчиваем. Находим К2:

Вт/(м2·К).

Рассчитаем коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К3:

Примем град. Получим

Вт/(м2·К);

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2; Вт/м2.

q/ ? q//.

Примем град. Получим:

Вт/(м2·К);

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2; Вт/м2.

q/ ? q//.

Примем град. Получим:

Вт/(м2·К);

град;

град;

Вт/(м2·К);

Вт/м2; Вт/м2.

Как видим, q/ ?q//. Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов и на этом заканчиваем. Находим К3:

Вт/(м2·К).

1.2.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия

Равенства их поверхностей теплопередачи:

, (15)

где ?tПj, Qj, Kj - полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса

Подставив численные значения, получим:

град;

град;

град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

;

град.

1.2.8 Расчет поверхности теплопередачи

Рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

,

м2;

м2;

м2.

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов. Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи рассчитанных значений полезных разностей температур ?tп приведена в таблице 5 :



Таблица 5- Распределение полезных разностей температур по корпусам

	Корпус
	1	2	3
Распределение в 1-м приближении значения ?tП, град	19,81	19,83	22,95
Предварительно рассчитанные значения ?tп , град	10,94	14,11	36,84

Второе приближение

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-ом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

1.2.9 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов по корпусам представлены ниже (таблица 6).

Таблица 6 - Параметры растворов и паров по корпусам:

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде , кг/с	0,604	0,65	0,746
Концентрация растворов х, %	13,2	20,4	50
Температура греющего пара в 1-ом корпусе tг1, 0С	142,9	_	_
Полезная разность температур ?tп, град	19,81	19,1	22,95
Температура кипения раствора tк = tг-?tп, 0С	123,09	100,93	71,89
Температура вторичного пара tвп = tк-(?/-?//), 0С	121,03	95,841	46,43
Давление вторичного пара Рвп, МПа	0,199	0,085	0,01
Температура греющего пара tг = tвп-?///, 0С	_	120,03	94,841

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

;

;

;

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт/(м2·К)]:

Распределение полезной разности температур (в град.):

град;

град;

град.

Проверка суммарной разности температур:

;

0С

Сравнение полезных разностей температур ?tп, полученных во 2-м и 1-м приближениях таблица 7:



Таблица 7- Распределение полезных разностей температур па корпусам:

	Корпус
	1	2	3
?tп во 2-м приближении, град	18,30	18,30	25,29
?tп в 1-м приближении, град	19,81	19,83	22,95

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-ом и во 2-ом приближениях превышают 5%, необходимо выполнить следующее,

3-е приближение, взяв за основу расчета ?tп из 2-го приближения, и т.д., до совпадения полезных разностей температур.

Третье приближение

Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже (таблица 8).

Таблица 8 - Параметры растворов и паров по корпусам:

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде , кг/с	0,604	0,65	0,746
Концентрация растворов х, %	13,2	20,4	50
Температура греющего пара в 1-ом корпусе tг1, 0С	142,9	_	_
Полезная разность температур ?tп, град	18,30	18,30	25,29
Температура кипения раствора tк = tг-?tп, 0С	124,6	103,7	71,71
Температура вторичного пара tвп = tк-(?/-?//), 0С	123	98,61	46,25
Давление вторичного пара Рвп, МПа	0,219	0,097	0,01
Температура греющего пара tг = tвп-?///, 0С	_	122,01	97,61

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

;

;

;

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт/(м2·К)]:

Распределение полезной разности температур (в град.):

град;

град;

град.

Проверка суммарной разности температур:

;

0С

Сравнение полезных разностей температур ?tп, полученных в 3-ем и во 2-м приближениях таблица 9:

Таблица 9 - Характеристика растворов:

	Корпус
	1	2	3
?tп во 3-м приближении, град	18.35	19,18	24,36
?tп во 2-м приближении, град	18,30	18,30	25,29

Различия между полезными разностями температур по корпусам во 2-ом и в 3-ем приближениях не превышают 5%.Значит, на этом заканчиваем приближения.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

м2;

м2;

м2.

По ГОСТ 11987-81 [2] выбираем выпарной аппарат (тип 1, исполнение 2) со следующими характеристиками (таблица 9).

Таблица 9 - Техническая характеристика выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой :

Номинальная поверхность теплообмена Fн, м2	40
Диаметр труб d, мм	38Ч2
Высота труб Н, мм	4000
Диаметр греющей камеры dк, мм	600
Диаметр сепаратора dс, мм	1200
Диаметр циркуляционной трубы dц, мм	400
Общая высота аппарата На, мм	12500
Масса аппарата Ма, кг	4700



2. Определение толщины тепловой изоляции

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

(16)

где - 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 35-450С;

- температура изоляции со стороны аппарата;

- температура окружающей среды, 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 выбираем совелит, имеющий коэффициент теплопроводности Вт/(м·К).

Тогда получим:

м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,04 м и для других корпусов.



3. Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных аппаратах обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре 20 0С. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

3.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:

, (18)

где Iбк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг,

tн - начальная температура охлаждающей воды, 0С;

tк - конечная температура смеси воды и конденсата, 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.

0С.



Тогда:

кг/с.

3.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора dбк определяют из уравнения расхода:

, (18)

где - производительность по испаряемой воде в первом корпусе, кг/с;

с - плотность паров, кг/м3;

х - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров х = 15-25 м/с. Примем х =20 м/с. Тогда:

м.

По нормалям НИИХИММАШа [7] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром dбк = 800мм.

3.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [7], внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 300мм. Тогда скорость волы в барометрической трубе:

, 

м/с.

Высота барометрической трубы:

, (20)

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

?о - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

л - коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

Па.

,

где овх, овых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

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

.

При коэффициент трения л ? 0,0195 [2] .

.

Отсюда находим м.



4. Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

, (21)

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.

кг/с.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

, (22)

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К);

Мвозд - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

tвозд - температура воздуха, 0С;

Рвозд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

;

0С.

Давление воздуха равно:

, (23)

где Рп - давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд = 27 0С.

Па.

Тогда:

.

Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление Рбк, по каталогу [14] подбираем вакуум-насос типа ВВН-0,75 мощность на валу

N=1,3кВт.



5. Расчет теплообменника-подогревателя

Расчет теплообменника включает определение необходимой поверхности теплопередачи и выбор типа аппарата. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

, (24)

где К-коэффициент теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к кипящему раствору.

Тепловую нагрузку Q находят из уравнения:

;

Вт.

Для того чтобы рассчитать воспользуемся формулой:

142,9>142,9 ;

124,6<20,0

;

С;

;

С;

Отсюда:

С.

Следовательно:

м2.

Выбор теплообменника и его основные параметры (таблица 10):

Диаметр кожуха D, мм	400
Диаметр трубы d, мм	25Ч2
Общее число труб, шт	100
Поверхность теплообмена F, м2	31
Длина труб L, м	4



6. Расчёт штуцеров

Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Расчет штуцеров производится для подвода и отвода раствора и пара по уравнению расхода:

(25)

где -расход раствора или пара, кг/с; D-диаметр штуцера м;

-скорость жидкости или пара м/с. Скорость жидкости равна 1,5 м/с, а скорость пара-15м/с;

- плотность жидкости или пара, кг/м3 [2].

Диаметр штуцера для подвода жидкости:

м.

Для расчета диаметра штуцера для отвода упаренного раствора предварительно нужно найти его расход по уравнению:

кг/с.

м.

Для расчета диаметра штуцера для подвода греющего пара предварительно нужно найти его расход по уравнению:

,

Где - тепловая концентрирования в первом корпусе, кВт;

rгп - теплота парообразования, кДж/кг [2];

х - влагосодержание, x=1

кг/с

м

Диаметра штуцера для отвода вторичного пара:

м



Заключение

Таким образом, в данном проектном расчете предложена конструкция 3-х корпусной выпарной установки для выпаривания водного раствора NаNO3 с начальной концентрацией хн = 10% до конечной - хк = 50% при производительности аппарата Gн = 9000 кг/ч. Давление греющего пара в первом корпусе Рг = 4 атм. Для проведения данного процесса выбран выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип1, исполнение 2). Также приведен расчет барометрического конденсатора и вакуум-насоса.

В результате технологического расчета аппарата получены следующие данные:

- производительность установки по корпусам (в кг/с):

;;.

- концентрации раствора по корпусам (в %):

;;х1 .

- номинальная поверхность теплообмена аппарата Fн = 40м2.

- диаметр греющей камеры dк = 600 мм.

- высота кипятильных труб Н = 4000 мм.

- диаметр циркуляционной трубы dц = 400мм.

- высота барометрической трубы Нбт = 9,63м.

Более подробные данные о параметрах раствора по корпусам приведены в таблице 8 и данные о технической характеристике аппарата в таблице 9.



Список использованных источников

1. 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, 2011 - 496 с.;

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10-е изд., перераб. И доп.- Л.: Химия, 2012.-576с., ил.

3. ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.

4. Справочник химика. М.- Л.: Химия, Т. III, 1962. 1006 с.Т. V, 1966. 974 с.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973. 750 с.

6. ОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.

7. Вакуумные насосы. Каталог-справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. 63 с.

8. Викторов М. М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. Л.: Химия, 1977. 360 с.

9. Чернышов А. К., Поплавский К. Л., Заичко Н. Д. Сборник номограмм для химико-технологических расчетов. Л.: Химия, 1974. 200 с.

10. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975. 816 с.

Размещено на Allbest.ru