Технологический процесс выпаривания водного раствора карбоната калия под вакуумом

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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.

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.

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 парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой, 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 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 необогреваемой 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.

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 ~810^-3 Пас, 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 Пас, 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 карбоната калия под вакуумом.

Исходный раствор MgCl2 из емкости Е1 подается центробежным насосом Н в теплообменник АТ, 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. нагревательный температура выпаривание

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создоваемого барометрическим конденсатором КБ и вакуум-насосом НВ. 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 MgCl2 после выпарного аппарата подается в одноходовые холодильники Х1-2, где охлаждается до определённой температуры. Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники Е2-3, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора Е5.

2.1 Расчёт выпарного аппарата

2.1.1 Материальный баланс процесса выпаривания

Основные уравнения материального баланса:

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:

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи :

F=Q/(K* tср )

Для определения тепловых нагрузок Q , коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур tср необходимо знать распределение упариваемой воды , концентрации растворов и их температур кипения по корпусам. Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W=Gн*(1-Xн/Xк)

W=3.61*(1-0.03/0.22)=3.118 кг/с

Где W- массовый расход выпариваемой воды , кг/с;

Gнач,Gкон- массовые расходы начального ( исходного) и конечного (упаренного ) растворов , кг/с;

Хнач , Хкон - массовые доли растворённого вещества в начальном и конечном растворе;

F- поверхность теплопередачи, м ;

К- коэффициент теплопередачи, Вт/м *К;

Q-расход теплоты.

Тепловая нагрузка может быть найдена как сумма:

Q=Qнагр+Qисп+Qпот

Расход теплоты на нагревание находится по формуле;

Qнагр= снач*Gнач(tкон-tнач)

Однако приняв tкон=tнач , можно расход теплоты на нагревание принять за ноль.Расход теплоты на испарение вычисляется по формуле:

Qисп = W * (I в.п. -Св*tк )

Где Iвп- удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата , Дж/с .Эту величину находим по значению давлени в аппарате , из таблицы приложения на странице 550 . Для данного случая: Р1=0,55, Iвп=2646*10^3 Дж/с.

Св - удельная теплоёмкость воды равная 4190 Дж/ кг*К:

tк- температура конечного раствора на выходе из аппарата , расчитываемая по формуле:

tк=1669,6/(10.0888-Lg(0.55*10^4*9.81)+Lg(-3.457*0.22^2-0.417*0.22+1))-228.4=91.04 C

Отсюда:

Qисп = 3,118*(2646000-4190*91,04)=7.06 МВт

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 = 1.05(Q_нагр+ Q_исп)

Для того чтобы найти полезную разность температур необходимо знать температуру греющего пара. Эта величина находится по схеме:

tг.п.=tкип+20

Температура кипения для данного случая находится по формуле:

Tкип=1,669,6/(10,0888-Lg(68221.659)+Lg(-3.457*0.22^2-0.417*0.22-1))-228.4=97.39 C

Отсюда : tг.п=97,39+20=117,39

По полученной температуре греющего пара , по таблице ( пр-е стр. 550) , подбираем близкую по значению температуру и абсолютное давление. В данном случае:

tг.п.=116,3

рабс=1,8 атм

По температуре греющего пара и температуре кипения может быть найдена

полезная разность температур:

tср=116,3-97,32=18,98

Из полученных значений находим площадь поверхности теплопередачи:

F=(7.06*10^6*1.05)/(1000*18,98)=390,616 м

Удельный расход пара на выпаривание d представляет собой отношение расхода греющего пара Gгп к расходу испаряемой воды W. Расход греющего пара , в свою очередь, находят по формуле:

Gг.п.=(1,05*Qисп)/(x*r)

Где х-паросодержание ( степень сухости ) греющего пара;

r-удельная теплота конденсации греющего пара , Дж/кг.

Gг.п.=(1,05*7,06*10^6)/(0.95*2217*10^3)=3.5 кг/с

Отсюда:

d=Gг.п./W=3.5/3.118=1.129 кг гр. Пара/кг исп. Воды

Выбор выпарного аппарата по каталогу.

F	Dmm	D1 mm	D2 mm	H mm	M kg	L mm
400	1600	3800	1000	15000	26500	5000

Основные размеры выпарных аппаратов выбраны по ГОСТ- 11987- 81.

Высота парового пространства Н1- не более 2500 мм

Условное давление в греющей камере - от 0,014 до 1,0 Мпа

Условное давление в сепараторе - от 0,0054 до 1,0 Мпа

Диаметр трубы d=38*2 мм

F- номинальная поверхность теплообмена м

D- диаметр греющей камеры мм

D1- диаметр сепаратора мм

D2- диаметр циркуляционной трубы мм

H- высота аппарата мм

M- масса аппарата кг

L- длина трубы мм

Выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. Наиболее подходящим аппаратом для вычесленной поверхности теплопередачи является аппарат с поверхностью равной 400 м . Аппарат с вынесенной греющей камерой характеризуются тем , что упаривание растворов происходит с выделением незначительного осадка, удаляемого механическим путём .([3], стр. 182)

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

2.2.1 Определение средних температур теплоносителей.

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_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

t_м = t_{конд.гр.п} - t_нач

t_б = 116,3-14=102,3 С

t_м = t_{конд.гр.п} - t_кон

t_м =116,3-91,04=25,26С

Температура гонденсации греющего пара 116,3 С . Так как она постоянна ,то среднюю разность температур за время нагрева можно расчитать по формуле:

tср=( tб - tм )/ 2,3*lg( tб/ tм )

tср=(102,3-25,26)/(2,3*lg( 102,3/25,26))=55,14 С

Средняя температура MgCl2:

tср=116,3-55,14=61,16 С

Расчитаем удельную теплоёмкость раствора при средней температуре:

Ср0=4223,6+2,476*61,16*lg(61,16/100)=4191,264 Дж/кг*К

Ср=4191,264+(-6530,3+4804,79*0,03+5,64*61,16-1,979*10^-2*61.16^2)*0.03

Cр=4007,8 Дж/ кг*К

Расчитаем динамический коэффициент вязкости для средней температуры:

М0=0,59849*(43,252+61,16)^-1.5423=4.6*10^-4 Па*с

Lg M=lg 4.6*10^-4+(2.1786-3.825*10^-3*61.16+4.17079*10^-6*61.16^2)*0.03

LgM=-3.27

M=10^-3.27=5.37*10^-4 Па*с

Плотность раствора при средней температуре:

Р0=1000-0,062*61,16-0,00355*61,16^2=982.93 кг/м

lg P=lg 982.93+(0.3372+7.9113*10^-4*61.16-3.2426*10^-6*61.16^2)*0.03=3.004

P=10^3.004=1009.25 кг/м^3

Для обеспечения турбулентного течения при Re >10000 скорость в трубах должна быть больше W`2:

W`2=(10000*M2)/(d2P2)=(10000*5.37*10^-4)/(0.021*1009.25)=0.253м/с

Число труб , обеспечивающих объёмный расход при Re=10000

нагревательный температура выпаривание

n`=V2/(0.785*d2*W2`)=0.00358/(0.785*0.021^2*0.253)=41

Где V2=G2/P2=3.611/1009.25=0.00358м^3/c

Расход теплоты на нагрев раствора равен:

Q=G*C*(tk-th)=3.611*4007.8*(91.04-14)=1.115*10^6Вт

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена . Минимальное значение коэффициента теплопередачи равно 800 Вт/м^2*К. При этом :

F=Q/ Kmin* tcp=1.115*10^6/(800*55.14)=25.28 м^2

Данному условию удовлетворяют два теплообменника ( табл. 4,12 стр 215):

1. Двухходовой , диаметром 400 мм с общим числом труб 100, и на один ход трубного пространства 50.

2. Шестиходовой , диаметром 600 мм с общим числом труб 196 , и на один ход трубного пространства 32,7.

Расчёт двухходового теплообменника.

Уточняем значение критерия Re2:

Re2=10000*(41/50)=8310

Ввиду того , что данное значение критерия Рейнольдса соответствует переходному режиму , Значение критерия Нуссельта расчитывается по формуле :

Nu=0.022*Re^0.8*Pr2^0.4*(M/Mct2)^0.14=50.357

Расход теплоты на нагрев раствора равен 1,115 МВт . Примем расход теплоты на потери в атмосферу за 5% , тогда расход сухого греющего пара равен :

G1=1.05*Q/r=1.05*1.115*10^6/2217*10^3=0.528 кг/с

Где r-удельная теплота конденсации водяного пара ( табл. Стр. 550) Дж/кг.

Так как nи - число труб по вертикали для горизонтальных аппаратов- для выбранного аппарата равно 10 ( стр. 215), то коэффициент Е=0,65 ( стр.162 , по графику зависимости для шахматного расположения труб.).

Расчёт теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Расчёт осуществляется приближённо (без учёта поперечных перегородок) по формуле :

L1=2.02*E*Bt*(n/G1)^1/3*L^1/3=2.02*0.65*1059*(100/0.528)^1/3*L^1/3=7985.1*L

Пусть L=3м, тогда :

L1=Lcr=3^1/3*7985.1=11636.569Вт/м^2K

Примем температуру стенки t``2=113 C, тогда удельная тепловая нагрузка будет равна:

q1=L1(*t1-tct)=11636.569*(116.3-113)=3.674*10^4Вт/м^2

Сумма термических сопротивлений равна:

?r=д/л + rзагр1 + rзагр=0.002/46.5 + 1/5800 + 1/1800=7,71*10^-4 м·К/Вт

1/rзагр=5800 Вт/м^2*K (стр 531)

лст=46,5 Вт/м*К (стр 529)

tст2=tст1-q1*?rст=113-3,674*10^4*7.71*10^-4=84.811 C

Pr2=C2M2/ л2=4007.8*5.37*10^-4/0.651=3.246

Л0=0.5542+0.00246*61.16-0.00001184*61.16^2=0.66 Вт/м*К

Л2=0,66*(1-0,49317*0,03)=0,651 Вт/м*К

Prст2=Сст2*Мст2/ Лст2=4027*3,834/0,65=2,37

Для того чтобы расчитать критерий Прантля для температуры стенки равной 84,811 С , необходимо найти для этой температуры динамическмй коэффициент вязкости , равный , в данном случае:

М0=0,59849*(43,252+84,811)^-1.5423=3.363*10^-4Па*с

LgM=lg 3.363*10^-4+(2.1786-3.825*10^-3*84.811+4.17079*10^-6*84.811^2)*0.03=-3.417

M=10^-3.417=3.831*10^-4 Па*с

Удельная теплоёмкость: Ср=4027 Дж/кг*К

Коэффициент теплопроводности: Л=0,667 Вт/м*К

Из вычесленных значений можно найти коэффициент теплоотдачи:

L2=Nu2* Л2/d2=50.357*0.667/0.021=1561 Вт/м*К

q2=L2*(tст2-t2)=1561*(84.811-61.16)=36831 Вт/м^2 По

значениям расчитанных тепловых нагрузок q1,q2 ,расчитаем расхождение:

Е=(36831-36741)/36831=0,00221*100=0,221

Так как данное приближение не превышает 5% то дальше расчёт можно не продолжать.

Сводная таблица расчётов расхождений
t1 С	tст1 С	L1	q1Вт/м^2	?rст	tст2 С	L2	q2Вт/м^2	E*100
116.3	113	1.163*10^4	3.674*10	7.71*10	84.811	1.561*10	3.673*10	0.221

Расчёт шестиходового теплообменника

Уточняем значение критерия Re2:

Re2=10000*(41/32,7)=12720

Расчёт теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Расчёт осуществляется приближённо (без учёта поперечных перегородок) по формуле :

L1=2.02*E*Bt*(n/G1)^1/3*L^1/3=2,02*0,6*1056*(196/0,528)^1/3*L^1/3=7661.02*L^1/3

Пусть L=2м , тогда:

L1=2^1/3*7661.02=9630 Вт/м^2*К

Pr2=3.246

Л2=0.651 Вт/м*К

Примем температуру стенки t``2=112 C, тогда удельная тепловая нагрузка будет равна:

q1=L1(*t1-tct)=9630*(116,3-112)=41600 Вт/м^2

tст2=tст1-q1*?rст=112-41600*7,71*10^-4=79,906 С

Prст2=Сст2*Мст2/ Лст2=4022*4,073*10^-4/0.665=2.464

Для того чтобы расчитать критерий Прантля для температуры стенки равной 79.906 С , необходимо найти для этой температуры динамическмй коэффициент вязкости , равный , в данном случае:

М0=0,59849*(43,252+79.906)^-1.5423=3.572*10^-4Па*с

LgM=lg 3.363*10^-4+(2.1786-3.825*10^-3*79.906+4.17079*10^-6*79.906^2)*0.03=-3.39

M=10^-3.39=4.073*10^-4 Па*с

Удельная теплоёмкость: Ср=4022 Дж/кг*К

Коэффициент теплопроводности: Л=0,665 Вт/м*К

Так как значение критерия Рейнольдса , в данном случае , удовлетворяет турбулентному режиму течения , то критерий Нуссельта может быть вычислен по следующей формуле:

Nu=0.021*Re^0.8*Pr2^0.43 *(Pr/Prct2)^0.25

Nu=0.021*12720^0.8*3.246^0.43*(3.246/2.464)^0.25=71.715

Из вычесленных значений можно найти коэффициент теплоотдачи:

L2=Nu2* Л2/d2=71.715*0.665/0.021=2231.19 Вт/м*К

q2=L2*(tст2-t2)=2231.19*(79.906-61.16)=4.154*10^4 Вт/м^2

По значениям расчитанных тепловых нагрузок q1,q2 ,расчитаем расхождение:

Е=(41600-415400)/41600=0,0015*100=0,15

Так как данное приближение не превышает 5% то дальше расчёт можно не продолжать.

t1 С	tст1 С	L1	q1Вт/м^2	?rст	tст2 С	L2	q2Вт/м^2	E*100
116,3	112	9,63*10^4	4.16*10^4	7.71*10^-4	79.906	2231.19	4.154*10^4	0.15

Расчитаем площадь поверхности теплообмена для двухходового теплообменника

F=Q/q=1.115*10^6/36740=30.276м^2

Расчётная длина труб равна:

L=F/П*n*dср=3,276/3,14*100*0,023=4,2м

Подходящий теплообменник : F=31м^2 L=4м. Запас поверхности составляет 2,3%.

Для шестиходового теплообменника:

F=1.115*10^6/41600=26.842м^2

L=26.842/3.14*196*0.023=1.89м

Так как в двухходовом теплообменнике длина труб больше , чем в шестиходовом , то выбираем шестиходовой теплообменник.Кроме того двухходовой подогреватель не удовлетворяет турбулентному течению. Запас поверхности для шестиходового теплообменника равен 13,4%.

2.3 Расчёт барометрического конденсатора

2.3.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_в определим из теплового баланса конденсатора:

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

t_k=82.28-3=79.28 С

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

i_б.к,=2650.810³ Дж/кг;

Удельная теплоёмкость воды с_в :

с_в=4190 Дж.(кгК)

кг/с

2.3.2 Диаметр барометрического конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода:

где - плотность паров, кг/м³;

- скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров =15-25 м/с

Возьмём: =20 м/с

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

=0.3590 кг/м³

м

2.3.3 Выбор барометрического конденсатора

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

Барометрический конденсатор: внутренний диаметр d_б.к.=800 мм

Условный проход штуцера для барометрической трубы d_б.т=200 мм

2.3.4 Высота барометрической трубы

Скорость воды в барометрической трубе равна:

Высота барометрической трубы / 3, формула 1 /:

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

В=(1-0.6)10⁵=0.410⁴ Па

Сумма коэффициентов местных сопротивлений :

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:

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

_в=0.5410^-3 Пас

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

=0,0142

Окончательно имеем:

2.4 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

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(3.118+ 25.26) + 0,013.118=31.8910^-4 кг/с

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/кмольК;

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)

t_возд= 11 + 4 + 0,1(79.28 - 11) = 21.828 С

Давление воздуха Р_возд. равно:

Р_возд=Р₀ - Р_п

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

Р_п=0.028 ат

Р_возд=(0.6-0.028)10⁵=0.5710⁵ Па

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

м³/с = 2.82 м³/мин

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,КПа	Производи-тельность, м3/мин	Мощность на валу, КВт
ВВН-3	75	3	6.5

Выводы по курсовому проекту

В данном курсовом проекте описан процесс выпаривания раствора MgCl2.

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 390.616м².

- Подогреватель: шестиходовой теплообменник с длиной труб l=2 м, диаметром кожуха 600мм, и поверхностью теплообмена 31 м² и числом труб 196.

- Барометрический конденсатор диаметром D=0,74м с высотой трубы 9,21м.

- вакуум- насос типа BBH - 3

На основании расчетов и выбранных по каталогу аппаратов, была составлена технологическая схема установки с описанием технологического процесса.

Список используемых источников

• Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд., перераб. и доп. - М: Химия, 1973. - 754с.
• 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.
• Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - Москва:1991. - 496с.
• Размещено на Allbest.ru