Проектирование установки для выпаривания раствора хлорида аммония

Q= G_конC_кон(t_кон-t'_кон) (54)

где: G_кон - расход упаренного раствора кг/с;

C_кон - удельная теплоёмкость упаренного раствора при t_ср.р. и Х_кон, Дж (кгК)

Удельная теплоёмкость упаренного раствора при t_ср.р. и Х_кон:

Дж/(кг К)

Расход упаренного раствора G_кон,кг/с по формуле (3):

G_кон=2.222 кг/с

Q=2.222 (75,955-40)=3,03910⁵ Вт

Принимая по ([1], табл. 4.8 стр. 172) ориентировочный коэффициент теплопередачи , рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи по формуле (39):

;

F_апп>F_ор на 13%:

F_апп =1,3? F_ор =10,412 .

Найдем с,м раствора по формуле при и :

;

.

;

.

Эквивалентный диаметр:

Теперь по формуле (48) найдем при условии, что Re=10000:

Рассчитаем , площадь трубного пространства по формуле (49):

.

Теперь, зная F_апп =1,3? F_ор =10,412 и , выбираем теплообменный аппарат по ([3] стр. 51) при условии > :

Для обеспечения турбулентного режима течения необходимо, чтобы номинальная площадь проходных сечений трубного пространства была меньше ориентировочно рассчитанной. Исходя из площади теплообмена и величин полученных проходных сечений, мы должны выбрать теплообменник с наиболее подходящими параметрами. В данном случае по совокупности полученных значений можно выбрать одноходовой кожухотрубчатый аппарат.

Таблица 2. ? Параметры кожухотрубчатого теплообменника

D, мм	d, мм	Число ходов	n, шт.	F, м2; L=3 м	Sтр. 102, м2	Sв.п. 102, м2
159	20x2	1	19	3,5	0.4	0.3

Для получения нужной площади таких аппаратов нужно 3 штуки.

В аппарате, намеченном для расчётов, уточняют значения скорости и числа Рейнольдса: при рассчитаем по формуле (48) при :

Условие > выполняется.

Пересчитаем критерий Рейнольдса при новой скорости по формуле (47):

Для оценки необходимо знать площадь выреза перегородки по каталогу / 3, табл. 2.3 /:

м²

Тогда:

(55)

Для дальнейших вычислений необходимо знать плотность упаренного раствора _р1:

м/с

Для расчёта Ренольдса в межтрубном пространстве необходимо знать вязкость упаренного раствора:

;

 (56)

Теперь можно сделать вывод, что в межтрубном пространстве турбулентный режим течения.

Метод итераций

1. Принимаем . Тогда температура стенки со стороны исходного раствора равняется:

(57)

2. По формулам (15,26,28) рассчитываем при x_нач=0,04

Определим Критерий Прандтля по формуле:

, (58)

где: - удельная теплоемкость, ;

- коэффициент теплопроводности, ;

- динамический коэффициент вязкости, .

Определим Pr₁ в трубах по формуле (58) при х_нач=0,04 и

Для этого по формулам (15,26,28) рассчитываем

По ([2], табл. 4.1, С. 151) находим, что теплоотдача для раствора описывается уравнением:

, (59)

где: - критерий Нуссельта;

- поправочный коэффициент;

Re - критерий Рейнольдса;

Pr - критерий Прандтля;

- критерий Прандтля при температуре стенки трубы.

Рассчитываем значение критерия Нуссельта при Re=10570

Коэффициент теплоотдачи от исходного раствора к стенке:

(60)

где: ? критерий Нуссельта;

? коэффициент теплопроводности, ;

? эквивалентный диаметр, d_э = 0.016 м

3. Удельный тепловой поток равен:

(61)

4. Поскольку удельный тепловой поток от раствора к стенке равен удельному тепловому потоку через стенку , то можно получить:

(62)

где - суммарное сопротивление стенки, равняется:

при этом - температура стенки со стороны упаренного раствора, ее мы будем искать по формуле (62):

При температуре , и x_кон=0,09 удельная теплоемкость, динамический коэффициент вязкости и коэффициент теплопроводности, вычисленные, соответственно, по формулам равны:

При :

.

.

Подставляя найденные значения в формулу (58) получаем значение критерия Прандтля при температуре стенки:

Определим Pr₁ в трубах по формуле (58) при х_кон=0,09 и

Считаем критерий Нуссельта при поперечном обтекании пучка гладких труб (при Re>1000 для шахматных пучков) по формуле ([2] стр. 156):

Nu = 0,4*е_ц* Re_м/тр ^0,6* Pr_м/тр ^0,36*(Pr_м/тр / Pr_ст2)^0,25,

где: е_ц ? коэффициент, учитывающий влияние угла атаки.

е_ц принимают равным 0,6

Nu=0,4*0,6*66040 ^0,6*3,071 ^0,36*(3,071/3,272)^0,25=275,857

По формуле (60) находим в коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:

6. Удельный тепловой поток от стенки к раствору равняется:

(63)

где - вычисленная ранее средняя температура упаренного раствора.

6. Находим е - погрешность приближений по формуле (38):

не превышает 0.05, значит, расчет на этом заканчивается.

В результате метода итераций принимаем:

, ,

Теперь найдем k - коэффициент теплопередачи по формуле (21):

Рассчитаем поверхность теплообмена по формуле (39):

Произведем расчет еще одного теплообменного аппарата.

Эквивалентный диаметр:

Теперь по формуле (48) найдем при условии, что Re=15000:

Рассчитаем , площадь трубного пространства по формуле (49):

.

Теперь, зная F_апп =1,5? F_ор =12,032 и , выбираем теплообменный аппарат по ([3] стр. 51) при условии > :

Таблица 3. ? Параметры кожухотрубчатого теплообменника

D, мм	d, мм	Число ходов	n, шт.	F, м2; L=3 м	Sтр. 102, м2	Sв.п. 102, м2
159	25x2	1	13	3,0	0.5	0.4

Для получения нужной площади таких аппаратов нужно 4 штуки.

В аппарате, намеченном для расчётов, уточняют значения скорости и числа Ренольдса: при рассчитаем по формуле (48) при :

Условие > выполняется.

Пересчитаем критерий Рейнольдса при новой скорости по формуле (47):

Для оценки необходимо знать площадь выреза перегородки по каталогу / 3, табл. 2.3 /:

м²

Для дальнейших вычислений необходимо знать плотность исходного раствора _р1:

Тогда по формуле (55):

м/с

Для расчёта Рейнольдса в межтрубном пространстве по формуле (56) необходимо знать вязкость исходного раствора:

Теперь можно сделать вывод, что в межтрубном пространстве турбулентный режим течения.

Метод итераций

1. Принимаем . Тогда температура стенки со стороны исходного раствора равняется:

2. По формулам (15,26,28) получаем при x_нач=0,04

Определим Pr_cn1 по формуле (58):

Определим Pr₁ в трубах по формуле (58) при х_нач=0,04 и

Рассчитываем значение критерия Нуссельта при Re=17930 по формуле (59):

Коэффициент теплоотдачи от исходного раствора к стенке по формуле (60):

3. Удельный тепловой поток равен:



4. Поскольку удельный тепловой поток от раствора к стенке равен удельному тепловому потоку через стенку , то можно получить:

где: - суммарное сопротивление стенки, равняется:

; при этом - температура стенки со стороны упаренного раствора, ее мы будем искать по формуле (62):

При температуре , и x_кон=0,09 удельная теплоемкость, динамический коэффициент вязкости и коэффициент теплопроводности, вычисленные, соответственно, по формулам равны:

При :

.

.

Подставляя найденные значения в формулу (58) получаем значение критерия Прандтля при температуре стенки:

Определим Pr₁ в межтрубном пространстве по формуле (58) при х_кон=0,09 и

Считаем критерий Нуссельта при поперечном обтекании пучка гладких труб (при Re>1000 для шахматных пучков) по формуле ([2] стр. 156):

Nu=0,4*е_ц* Re_м/тр ^0,6* Pr_м/тр ^0,36*(Pr_м/тр / Pr_ст2)^0,25,

где: е_ц ? коэффициент, учитывающий влияние угла атаки. е_ц принимают равным 0,6

Nu=0,4*0,6*37170 ^0,6*3,071 ^0,36*(3,071/3,407)^0,25 = 193,428

По формуле (60) находим коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:

5. Удельный тепловой поток от стенки к раствору равняется:

где: - вычисленная ранее средняя температура упаренного раствора.

6. Находим е - погрешность приближений по формуле (38):

не превышает 0.05, значит, расчет на этом заканчивается.

В результате метода итераций принимаем:

, ,

Теперь найдем k - коэффициент теплопередачи по формуле (21):

Рассчитаем поверхность теплообмена по формуле (39):

Проанализировав данные расчета, делаем вывод, что наиболее предпочтительнее выбрать первый холодильник, так как он имеет наибольшее значение коэффициента теплопередачи и необходимое число аппаратов 3.

3.4 Расчет барометрического конденсатора

Барометрический конденсатор служит для создания вакуума в выпарной установке. В качестве охлаждающего агента в конденсаторе применяют воду.

Расход охлаждающей воды G_в определим из теплового баланса конденсатора

, (64)

где: ? расход вторичного пара, кг/с;

? энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

? теплоемкость воды, .

? конечная температура смеси воды и конденсата, ;

? начальная температура охлаждающей воды, .

По ([1], стр. 256) методом интерполяции по формуле (5) находим при :

По заданию . Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 К, поэтому принимаем .

Найдём удельную теплоёмкость воды при средней температуре воды:

Дж/(кгК)

Диаметр барометрического конденсатора определяем из уравнения расхода:

, (65)

где: ? плотность паров, ;

? скорость паров, . Принимаем .

Плотность паров определяем по паровой таблице из [1] С. 256 путем интерполяции по формуле (5):

Рассчитаем диаметр барометрического конденсатора по формуле (65):

Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему большему по ([3] прил. 4.6, стр. 188):

Барометрический конденсатор:

внутренний диаметр d_б.к.=1000 мм

условный проход штуцера для барометрической трубы d_б.т=200 мм=0,2 м

Найдем скорость воды в барометрической трубе:

, (66)

где: - плотность воды, 1000

Тогда:

Высоту трубы определяем по формуле:

(67)

где: - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

? сумма коэффициентов местных сопротивлений;

? коэффициент трения в барометрическом конденсаторе;

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

Вакуум в барометрическом конденсаторе находим по формуле:

 (68)

где: ;

=Р₀

Тогда:

Сумма коэффициентов местных сопротивлений :

, (69)

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

Находим критерий Рейнольдса:

, (70)

где - динамический коэффициент вязкости воды,

Определим динамический коэффициент вязкости воды при конечной температуре смеси воды и конденсата по формуле

По формуле (70) определим критерий Рейнольдса:

По ([1], рис. 1.5, стр. 22) находим, что при таком Re коэффициент трения равняется .

Подставляя найденные значения в формулу (67) получаем:

;

3.5 Расчет производительности вакуум-насоса

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

, (71)

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:

, (72)

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:

; (73)

.

Давление воздуха равно:

, (74)

где - давление сухого насыщенного пара при ;

- давление в барометрическом конденсаторе, было найдено в подразделе 3.2.1 и равняется

По ([1], табл. LVI, стр. 548) методом интерполяции по формуле (5) найдем давление сухого насыщенного пара :

Переведем это давление в систему СИ:

Рассчитаем давление воздуха по формуле (74):

Объемная производительность вакуум-насоса по формуле (72) равна:

Зная объемную производительность и остаточное давление по ([4], табл. 2.5, стр. 19) выбираем вакуум-насос типа ВВН-6 мощностью на валу 12,5 кВт.

Таблица 4. ? Характеристика вакуум-насоса типа ВВН

Типоразмер	Остаточное давление, мм.рт.ст.	Производительность, м3/мин	Мощность на валу, кВт
ВВН-6	38	6	12,5

Выводы по курсовому проекту

В данной курсовой работе представлен процесс выпаривания раствора хлорида аммония.

В результате приведенных выше расчетов были выбраны следующие аппараты:

выпарной аппарат: выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой с площадью теплообмена ;

для подогрева мы выбираем: 2-ух ходовой кожухотрубчатый теплообменник, с диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , площадью сечения одного хода по трубам и диаметром труб d_тр=25х2 мм.

барометрический конденсатор с внутренним диаметром с высотой барометрической трубы .

вакуум насос типа ВВН-6 мощностью N=12,5 кВт

для охлаждения мы выбираем: 3 кожухотрубчатых теплообменника, с диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена по , длиной труб , площадью сечения одного хода по трубам и диаметром труб d_тр=20х2 мм.

Подробно был сделан расчет холодильника. На основании этих расчетов и выбранных по каталогу аппаратов, была составлена технологическая схема установки с описанием технологического процесса.

Список использованной литературы

1. Безденежных А.А., Галкин О.А., Евстропьева И.П. и др. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов./ Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 6-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1990.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учеб. пособие для вузов. / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987.

3. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. / Под ред. Дытнерского Ю.И., 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1991.

4. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. - Л.: 1989.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. ? 8-е изд. ? М.: Химия, 1971.

Размещено на Allbest.ru