Выпаривание раствора хлорида калия

9

Оглавление

 Введение

1. Аналитический обзор

2. Технологическая часть

3. Технологические расчёты

3.1. Расчёт выпарного аппарата

3.1.1. Материальный баланс процесса выпаривания

3.1.2. Тепловой баланс выпарного аппарата

3.1.2.1. Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

3.1.2.2. Расход теплоты на нагрев

3.1.2.3. Расход теплоты на испарение

3.1.3. Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата

3.1.4. Выбор выпарного аппарата по каталогу

Расчёт барометрического конденсатора

4.1. Расход охлаждающей воды

4.2. Диаметр барометрического конденсатора

4.3. Выбор барометрического конденсатора

4.4. Высота барометрической трубы

Расчет производительности вакуум-насоса

5. Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева  исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат

6. Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева  исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат

6.1. Определение средних температур теплоносителей

6.2. Тепловой баланс подогревателя

6.3. Ориентировочный расчет подогревателя

6.4. Ориентировочный выбор подогревателя

6.5. Параметры подогревателя необходимые для уточнённого расчёта

7. Подробный расчет теплообменного аппарата

7.1. Теплоотдача в трубах

7.2. Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара

Выводы по курсовому проекту

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде.

В качестве примера выпаривания с выделением чистого растворителя из раствора можно привести опреснение морской воды, когда образующийся водяной пар конденсируют и полученную воду используют для различных 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.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м² в единичном аппарате).

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.

Высота парового пространства должна обеспечивать сепарацию из пара капелек жидкости, выбрасываемых из кипятильных труб.

Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

В  таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом плотность раствора в выносной циркуляционной трубе больше, чем в циркуляционных трубах, размещенных в греющих камерах, что обеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности нагрева.

1. Аналитический обзор

 

Устройство выпарных аппаратов.

 Разнообразные конструкции выпарных аппаратов применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов), по её расположению в пространстве (аппараты с горизонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией.

Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.

В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.

Ниже подробно рассмотрены лишь наиболее распространённые, главным образом типовые конструкции аппаратов.

 

Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией.

 

В аппаратах данного типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.

Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократно 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. Как будет показано ниже, развитие конструкции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможно путём увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси в подъёмной части контура. Это достигается посредствам:

? увеличения высоты кипятильных (подъёмных) труб и повышения интенсивности парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора;

? улучшения естественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающаяся в ней жидкость имела возможно большую плотность;

? поддержания в опускной трубе определённого уровня жидкости, необходимого для уравновешения столба паро-жидкостной смеси в подъёмных трубах при заданной скорости её движения.

 

Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой.

 

В нижней части вертикального корпуса  / Приложение 1, рис.1 / находится нагревательная камера 2, состоящая из двух трубных решёток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2-4 м) и циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подаётся греющий пар.

Раствор поступает в аппарат над верхней трубной решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб  происходит движение вверх парожидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере её движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где с помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения парового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется унесённая им влага, после этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер конического днища аппарата в качестве промежуточного или конечного продукта.

Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит вследствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и парожидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объёма упаренного раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от её диаметра, а объём жидкости в трубе пропорционален квадрату её диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.

В аппаратах этой конструкции циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси, это может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком также является жесткое крепление труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

 

Аппараты с выносными циркуляционными трубами

 

Как отмечалось, естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор, на опускном участке циркуляционного контура будет охлаждаться. Этим увеличивается скорость естественной циркуляции  в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами / Приложение 1, рис 2 /. При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры 1 может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата / Приложение 1, рис.1 /, а циркуляционные трубы 2 компактно размещены вокруг нагревательной камеры. На рис. 2, показан аппарат с одной циркуляционной трубой, причём центробежный брызгоуловитель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределы сепарационного (парового) пространства 4 аппарата.

Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 м² поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

 

Аппараты с выносной нагревательной камерой.

 

При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счёт увеличения разности плотностей жидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой / Приложение 1, рис.3 /, имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две нагревательные камеры.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу раствора производят так, как указано на рисунке,  в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по не обогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1.5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередачи аппараты такого типа получили широкое распространение.

В некоторых конструкциях аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 3, у которого удалена циркуляционная труба.

В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т. е. Аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизирующихся растворов.

 

Аппараты с вынесенной зоной кипения.

 

При скоростях 0.25-1.5 м/с с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, описанных ранее, не удаётся предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппарата для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизирующихся растворов можно значительно уменьшить путём увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

В аппарате с вынесенной зоной кипения / Приложение 1, рис.4 /, выпариваемый раствор поступает снизу в нагревательную камеру 1 и, поднимаясь по трубам (длиной 4-7 м) вверх, вследствие гидростатического давления не закипает в них. По выходе из кипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубу вскипания 2, установленную над нагревательной камерой в нижней части сепаратора 3. Вследствие понижения давления в этой трубе раствор вскипает и, таким образом, парообразование происходит за пределами нагрева.

Циркулирующий раствор опускается по наружной не обогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

Вследствие большой поверхности испарения, которая создаётся в объёме кипящего раствора и частичного самоиспарения капель, унесённых вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.

Ввиду значительного перепада температур (до 30 ?С) между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает 1.8-2 м/с.

Увеличение скорости приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 вт/(м²?К).

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

 

Области применения выпарных аппаратов.

 

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~8*10^-3 Па?с, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми  циркуляционными трубами.

   Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка ~0.1 Па?с, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже - в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

  

2. Технологическая часть

 

Описание технологической схемы.

 

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор хлорида калия под вакуумом.

Исходный раствор КCI из емкости Е1 подается центробежным насосом Н1  в теплообменник Т, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата АВ. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор, нагревается и кипит 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, создаваемого барометрическим конденсатором КБ и вакуум-насосом Н. В барометрическом конденсаторе КБ вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар - снизу, вода - сверху). Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по барометрической трубе с гидрозатвором. Конденсат греющих паров из выпарного аппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчиков КО.

Концентрированный раствор КCI после выпарного аппарата подается в двухходовой холодильники Х, где охлаждается до определённой температуры. Затем концентрированный раствор отводится в  сборники E2.

 

3. Технологические расчеты

 

3.1 Расчёт выпарного аппарата

 

3.1.1. Материальный баланс процесса выпаривания.

 Основные уравнения материального баланса:

 

 (1)

              (2)

 

где  - массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

х_нач, х_кон - массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;            

W - массовый расход выпариваемой воды, кг/с:

 

 

3.1.2. Тепловой баланс выпарного аппарата.

 Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

 

Q  = Q_нагр+ Q_исп+ Q_пот, (3)

 

где Q - расход теплоты на выпаривание, Вт;

Q_нагр - расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

Q_исп- расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

Q_пот - расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;

  

3.1.2.1. Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Q_пот при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (Q_нагр+ Q_исп) (2, с 247).

Следовательно:

 

Q_пот  = 0.05 * (Q_нагр+ Q_исп) (4)

 

Температуру исходного раствора t_нач, поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 2?С меньше t_кон:

 

t_нач = t_кон - 2 (5)

 t_нач =93.67 - 2=91.67 ?С

 

3.1.2.2. Расход теплоты на нагрев

Рассчитаем температуру кипения раствора:

 

 

 

 

 

 

 

Примем  

 

Q_нагр= G_начс_нач(t_кон-t_нач)  (6)

 

где  G_нач - производительность по разбавленному раствору; с_нач - удельная теплоёмкость раствора при t_нач и начальной концентрации Х_нач , Дж/(кгК)  (Приложение 2, п.3)

 

 

3.1.2.3. Расход теплоты на испарение

(7)

где i_вт.п - удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t₁, из таблицы / 2, табл.LVI /, кДж/кг; с_в - удельная теплоёмкость воды при t_кон, (Приложение 2, п.3) Дж/(кгК)

 

 

 

 

 

  

3.1.3.   Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата

 

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

 

Q=KF?t_{полезн,} (8)

  

Рассчитаем :

 

 

 

где  К - К_ор - ориентировочный коэффициент теплопередачи Вт/(м²К), F - площадь поверхности теплообмена, м²;

 

3.1.4. Выбор выпарного аппарата по каталогу

Произведём выбор аппарата по каталогу / 3,приложение 4.2 /. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

 

F_в.п.=1.2F (9)

 F_в.п.=1.2*88.56=106.58м²

 

где F_в.п. - площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м²;

 

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 112 м²;

 

Таблица 1

Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 1198781)

F, м2	D, мм не менее	D1, мм не более	D2, мм не более	Н, мм Не более	М, кг не более
l= 5000 мм
112	1000	1800	600	13000	8500

 

F - номинальная поверхность теплообмена;

D - диаметр греющей камеры;

D₁ - диаметр сепаратора;

D₂ - диаметр циркуляционной трубы;

Н - высота аппарата;

М - масса аппарата;

 

4. Расчёт барометрического конденсатора

 

4.1 Расход охлаждающей воды

 

Расход охлаждающей воды G_в определим из теплового баланса конденсатора:

 

  (10)

где i_б.к. - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

t_н - начальная температура охлаждающей воды, ?С;

t_к - конечная температура смеси охлаждающей воды и конденсата, ?С;

 

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 градусов. Поэтому температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 градуса ниже температуры конденсации паров t₀:

 

t_k=t₀-3 (11)

t_k=88,96-3=85,96 ?С

 

Энтальпия паров в барометрическом конденсаторе i_б.к, при температуре t₀ / 2, табл LVI /:

 

 

Найдём среднюю температуру воды по формуле:

 

t_ср.в.=(85,96+14)/2=49,98 ?С

 

Удельная теплоёмкость воды с_в при температуре t_ср.в. (Приложение 2, п.3):

 

 

 

4.2. Диаметр барометрического конденсатора

 

Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода:

 

(12)

 

где ? - плотность паров, кг/м³; ? - скорость паров, м/с.

 Плотность паров ? при температуре t₀ / 2, табл. LVI /

 

 

  

4.3. Выбор барометрического конденсатора

 

Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему большему / 3, приложение 4.6 /.

Барометрический конденсатор: внутренний диаметр d_б.к.=500 мм

 Условный проход штуцера для  барометрической трубы d_б.т=125 мм

 

4.4. Высота барометрической трубы

 

Скорость воды в барометрической трубе равна:

  (13)         (46)

 

Плотность воды ?_в при температуре t_к (Приложение 2, п.1):

 

 

 

Высота барометрической трубы / 3, формула 1 /:

 

 (14)

 

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; ?? - сумма коэффициентов местных сопротивлений; ? _тр - коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

 

Вакуум в барометрическом конденсаторе В, Па;

 

В=Р_атм-Р₀ (15)

 P₀ = x t₀ = 88.96 ⁰C

P₁= 70 кПа t₁ = 89.96 ⁰C

=>

 

Сумма коэффициентов местных сопротивлений ??:

 

(16)

 

где ?_вх, ?_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

 

Коэффициент трения ?_тр зависит от режима течения жидкости, определим режим течения воды в барометрической трубе:

 

 (17)

Коэффициент динамической вязкости воды ?_в при t_k (Приложение 2, п.2)

 

 

 

При таком значении Re, коэффициент трения ?_тр равен  / 2, рис 1.5 /.

 

?=0,025

 

По формуле (47):

 

 

Окончательно имеем:

 

5. Расчет производительности вакуум-насоса

 

Производительность вакуум-насоса G_возд, кг/с определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

 

G_возд = 0,000025(W+ G_в) + 0,01W (18),

 

где 0,000025 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.

 

G_возд = 0.000025(1.601 + 12.22) + 0,01*1.601=0.016 кг/с;

 

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

 

 (19),-

 

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/кмоль?К; М_возд  - молекулярная масса воздуха, кг/моль; Т_возд - температура воздуха, К; Р_возд - парциальное давление сухого насыщенного пара (Па) в барометрическом конденсаторе при  t_возд.

 

Температуру воздуха рассчитывают по формуле  / 3, с. 179 /:

 

t_возд =  t_н + 4 +0,1(t_к - t_н) (20);

 t_возд= 14 + 0,1(85.96 - 14) + 4 = 25.20 ?С;

 

Давление воздуха Р_возд. равно:

 

Р_возд=Р₀ - Р_п (21),

 

где Р_п - давление сухого насыщенного пара при температуре t_возд / 2, табл LVI /

 

 Р_возд=69.22*10³ - 6,023*10⁴=8.99 kПа

 

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

 

 

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р₀ по таблице  / 3, приложение 4.7 / выбираем вакуум-насос:

Таблица 4 

Характеристика вакуум-насоса типа ВВН

Типоразмер	Остаточное давление, мм.рт.ст.	Производи-тельность, м3/мин	Мощность на валу, КВт
ВВН-12	23	12	20

 

6. Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева  исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат

 

6.1. Определение средних температур теплоносителей

 

      t

         t_{конд.гр.п.}                                       

                                                  

 

                                                           ?t_м   

                                          t_нач

?t_б

 

  

 

 

  t'_нач

 

                                                   F

Рис. 1 Температурная схема

 

где t'_нач - начальная температура исходного раствора (по заданию)

?t_б, ?t_м - большая и меньшая разность температур соответственно, ?С;

t_нач - температура исходного раствора после подогревателя, ?С ;

 

?t_б = t_{конд.гр.п} - t'_нач  (22)

 ?t_б = 125 - 15 = 110?С

 ?t_м = t_{конд.гр.п} - t_нач (23)

 ?t_м = 125 -91.67= 33.33?С

 

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:

 

 (24)

  ?С;

 

Средняя температура раствора:

 

t_ср.р = t_{конд.гр.п} - ?t_ср (25)

 t_ср.р =125-64.21=60.79?С

 

6.2. Тепловой баланс подогревателя

 

Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t'_нач до температуры t_нач найдем по формуле (10), приняв значение теплоёмкости раствора при температуре и концентрации Х_нач ( Приложение 2, п.3 )

 

Q_нагр= G_начс_нач(t_нач - t'_нач) (26);

 

 

Расход греющего пара G_гр.п. найдём по формуле:

 

 (27)

 

где r - удельная теплота парообразования, Дж/кг; ? - степень сухости пара;

 

?=0.95

 

Удельная теплота парообразования при температуре t_{конд.гр.п.} / 2, табл. LVI /:

 

r =2196 кДж/кг;

 кг/с;

 

6.3. Ориентировочный расчет подогревателя

 

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от конденсирующегося пара к жидкости / 2, табл. 4.8 /:

 

К_ор=800 Вт/(м²К);

 

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле;

 

 

Для обеспечения интенсивного теплообмена необходимо обеспечить турбулентный режим течения, он достигается при Re более 10000. Зададимся:

 

Re=11000

 

Скорость течения раствора в аппарате с диаметром труб d=20 мм рассчитаем

по формуле:

 

 (28),

 

где ?_тр - скорость течения раствора в трубном пространстве м/с; d₂ - эквивалентный диаметр, м;

 

Значения коэффициентов вязкости раствора ?_р и плотности ?_р возьмём при температуре t_ср.р.и концентрации Х_нач ( Приложение 2, п.1,п.2 )  

 

 

 

 м/с;

 

Проходное сечение трубного пространства S_тр,м²:

 

 (39)

 

  

6.4 Ориентировочный выбор подогревателя

 

Для обеспечения турбулентного режима номинальная площадь проходного сечения должна быть меньше рассчитанной. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара не зависит от режима течения в межтрубном пространстве, следовательно, необязательно рассчитывать скорость движения пара и проходное сечение межтрубного пространства

Выбор теплообменных аппаратов производится по проходному сечению трубного пространства  / 3, табл. 2.3 /.

 

6.5. Параметры подогревателя необходимые для уточнённого расчёта

 

Подача горячего теплоносителя - в межтрубное пространство

Направление потоков - противоток

Расположение аппарата -  горизонтальное

Расположение труб - шахматное

Наличие перегородок - есть

Аппарат двухходовой

 

Наружный диаметр кожуха - D,мм	325
Внутренний диаметр труб - d,мм	16 мм
Толщина стенки труб - ?,мм	2 мм
Проходное сечение трубного пространства  м2	0,9*10-2
Проходное сечение межтрубного пространства - Sм?102 м2	1,6*10-2

                    

Теплопроводность материала труб - ?	46,5 Вт/(мК)
Число труб n	90
Число ходов Z	2
Число рядов труб nр	10

.

7. Подробный расчет теплообменного аппарата

 

7.1 Теплоотдача в трубах

 

По (/1/, табл. 4.1, стр. 151) находим, что теплоотдача для раствора  описывается уравнением:

(30),

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:

(31),

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:

 

 (32)

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:

 

(33);

 

С учетом формулы 3.25 получаем:

 (33);

 

 

7.2 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:

(34)

где - поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали; - наружный диаметр труб; =7285 (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 :

 

(35)

 

Поправочный множитель  находим по (/1/, рис. 4.7, стр. 162) для шахматного расположения труб и при числе рядов труб по вертикали :

 

;

 

Имеем:

 

  

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:

(36)

 

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 равны:

 

;

 ;

 ;

 ;

 ;

 ;

 

Подставляя найденные значения, 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.

 

Прибли-жения и провероч-ный расчет	Конденсация греющего пара
I	125	120	5,0	1,078*104	5,39*104
II	125	116.88	8,13	9,55*103	7,76*104
III	125	115,73	9,27	9,24*103	8,57*104
Прибли-жения и провероч-ный расчет	Стенка и ее загрязнения	Нагревание раствора
I		85,94	2,065	1,18*105	2,98*106
II		67,82	2.57	1.12*105	7,92*105
III		64,59	2,801	1,096*105	8,73*104

 

Второе приближение.

 

;

 ;

 ;

 .

 

Принимаем . Результаты - табл 3.4 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

 

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:

 

м;

 ,

 

где - внутренний диаметр труб, - число труб,  - длина труб.

 

;

 

.

 

Выводы по курсовому проекту

 

В данном курсовом проекте описан процесс выпаривания раствора КCI.

В результате проведенных расчетов были выбраны по каталогу следующие аппараты:

- выпарной аппарат: тип 1 исполнение 2 группа А - выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах с площадью теплообмена равной 112 м².

- Подогреватель: двухходовой теплообменник с длиной труб l=3 м, диаметром кожуха 325 мм, и поверхностью теплообмена 17 м² и числом труб 90.

- Барометрический конденсатор диаметром D=0,5м с высотой трубы 4.11м.

- вакуум- насос типа ВВН-12

Литература

 

• 1. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд., перераб. и доп. - М: Химия, 1973. - 754с.
• 2. Павлов К.Ф. ,Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии. 10-е изд., перераб. и доп. -  Ленинград: Химия. 1987.- 576с.
• 3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - Москва:1991. - 496с.
•