Проект выпарной установки для выпарки раствора щелока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет переработки природных соединений

Кафедра промышленной экологии, процессов и аппаратов химических производств

Курсовая работа

Проект выпарной установки для выпарки раствора щелока

Разработал:

Студент группы 54-3

Шаргунова А.М.

Красноярск 2006

Реферат

В данной работе приведены результаты разработки выпарной установки для выпарки раствора щелока. Аппараты с вынесенной зоной кипения и естественной циркуляцией раствора. Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизующихся растворов можно значительно уменьшить путем увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения. Ввиду значительного перепада температур между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает значительной величины, что приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена.

Содержание

Введение

1. Описание технологической схемы и режима

2. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

2.1 Расчет концентраций упариваемого раствора по корпусам

2.2 Определение температур кипения раствора по корпусам

2.3 Определение тепловых нагрузок по корпусам

2.4 Выбор конструкционного материала

2.5 Определение коэффициентов теплопередачи

2.6 Распределение полезной разности температур

2.7 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

2.8 Определение толщины тепловой изоляции

3. Расчет барометрического конденсатора

3.1 Расход охлаждающей воды

3.2 Диаметр конденсатора

3.3 Скорость воды в барометрической трубе

3.4 Высота барометрической трубы

4. Расчет производительности вакуум-насоса

5. Расчет диаметра штуцеров

6. Расчет кожухотрубчатого подогревателя

Заключение

Список использованных источников

Введение

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости.

В химической промышленности выпариванию подвергают растворы твердых веществ (главным образом растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей. Иногда выпаривание применяют для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и полученную воду используют для питьевых и технических целей.

Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако, в большинстве случаев в качестве греющего агента используют водяной пар, который называют греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется соковым или вторичным.

Тепло, необходимое для процесса, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора.

Выпаривание проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлении. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание можно проводить в одну или несколько ступеней, количество которых определяется требованиями конечного продукта.

В химической промышленности применяются в основном непрерывно действующие многокорпусные выпарные установки.

1. Описание технологической схемы

Исходный разбавленный раствор из емкости центробежным насосом подается в теплообменник, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения. Затем раствор поступает в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате, а также позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса.

Самопроизвольный перетек раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающих в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом.

Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором.

Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор, с помощью насоса (9) поступает в емкость упаренного раствора.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков.

2. Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи, F, м², каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи

F= , (1)

где Q - тепловая нагрузка, кВт;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/м^2.К;

Дt - полезная разность температур, ^оС.

Для определение тепловых нагрузок Q, коэффициента теплопередачи К, и полезных разностей температур Дt, необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температуры кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение. Производительность установки по выпариваемой воде, W, кг/с, определяется из уравнения материального баланса

W = G_н^.(1 - ) , (2)

где х_н - начальная концентрация, %;

х_к - конечная концентрация, %;

G_н - производительность, кг/с.

Подставив значения приведенные в задании, в формулу (2), получим

W = 27,78^.(1 - 16/60) = 20,37 кг/с.

2.1 Расчет концентраций упариваемого раствора по корпусам

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом корпусе. На основании практических данных производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

w₁ : w₂ = 1,0 : 1,1 (3)

Тогда количество выпаренной воды находим по формуле

В 1 - м корпусе w₁ = , (4)

w₁ = = 9,7 кг/с.

Во 2 - м корпусе w₂ = , (5)

w₂ = = 10,67 кг/с.

Концентрация растворов в корпусах определяется по формуле

В 1-м корпусе х₁= , (6)

х₁= .

Во 2-м корпусе

х₂=, (7)

х₂=.

Что соответствует заданию.

2.2 Определение температур кипения раствора по корпусам

2.2.1 Распределений давлений по корпусам установки

Общий перепад давлений, ? Р_общ, ат, в установке находим по формуле

Р_общ= Р_г.п. - Р_б.к , (8)

где Р_г.п - давление пара в первом корпусе, ат;

Р_б.к - давление в барометрическом конденсаторе, который мы можем найти как разницу между атмосферным давлением при нормальных условиях и вакуумом в соковом пространстве последнего корпуса, ат.

Р_б.к=, (9)

где - атмосферное давление, ат;

- вакуум в барометрическом конденсаторе, ат.

Р_б.к=,

Подставив значения в формулу (8), получим

Р_общ = 3,5-0,17 = 3,33 ат.

Тогда абсолютные давления греющих паров по корпусам будут равны

Р_{г п 1}=3,5 ат;

Р_{г п 2} = 3,5-3,33/2 = 1,835 ат;

Давление пара в барометрическом конденсаторе

Р_{б к} = 1,835-3,33/2 = 0,17 ат.

Что соответствует заданию.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии, по таблице LVII, [1], результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные для определения температуры кипения вторичных паров

Давление, ат	Температура, 0С	Удельная энтальпия пара, кДж/кг
Рг п 1=3,5	tг п 1=137,9	iг п 1=2737
Рг п 2= 1,835	tг п 2=116,3	iг п 2=2709
Рб к = 0,17	tб к =56,04	iб к =2600

2.2.2 Определение гидродинамической депрессии

На основании практических рекомендаций принимаем гидродинамическую депрессию для каждого корпуса б```=1 град, тогда температуры вторичных паров, t_{в. п.}, ⁰С, давления и теплоты парообразования их в корпусах будут равны

t_{в п1}= t_{г п2} + б ```₁, (10)

t_{в п2}= t_бк + б ```₂, (11)

t_{в п1}= 116,3+1,0=117,3 ⁰С.

t_{в п2}=56,04+1,0=57,04 ⁰С.

По температурам вторичных паров находим их давления. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Температуры вторичных паров

Температура tв п , 0С	Давление рв п , ат
tв п1= 117,3	Рв п1= 1,844
tв п2=57,04	Рв п2= 0,177

Сумма гидродинамических депрессий, б б ```, град, определяется по формуле

б б ``` = б ```₁+ б ```₂, (12)

б б ``` = 1+1 = 2 град.

2.2.3 Определение гидростатической депрессии

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

р_срi = , (13)

где р_{в п i} - давление вторичных паров, МПа, таблица 2;

Н - высота кипятильных труб в аппарате, м;

с_i-плотность кипящего раствора, при начальной и конечной концентрации,

с₁ = 1130 кг/м³ ; с₂ = 1300 кг/м³, с. 186 [2].

Е - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³, при пузырьковом (ядерном) режиме кипения составляет 0,4-0,6, принимаем значение 0,5.

Для выбора высоты трубы Н, мм, необходимо ориентировочно определить площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата F_ор, м², выбрать параметры аппарата по ГОСТ 11987-81.

Площадь поверхности теплопередачи ориентировочно, F_ор, м², определяется по формуле

F_ор. = = , (14)

где r₁ - теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг , табл. LV11, [1];

q - удельная тепловая нагрузка аппарата, Вт/м².

Принимаем для аппаратов с естественной циркуляцией q = 40000 Вт/м², [2]. Тогда поверхность теплопередачи 1-ого корпуса (ориентировочно)

F_ор. = = 537,2 м².

Принимаем по ГОСТ 11987-81 выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной зоной кипения с площадью поверхности теплопередачи F =560м² , высотой кипятильных труб 5 м, диаметром труб 38Ч2 мм, [2].

Таким образом, давление в среднем слое кипятильных труб корпусов, найдем по формуле (13)

р_ср1 = 17,9^.10⁴+4^.1130^.9,8^. = 19,01^.10⁴ Па=1,96 ат;

р_ср2 = 1,7^.10⁴+4^.1300^.9,8^. = 2,97^.10⁴ Па=0,30 ат.

Полученным давлениям соответствуют следующие температуры кипения, результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Исходные данные для определения температурной депрессии

Давление рср, ат	Температура tср , 0С	Теплота парообразования rв п , кДж/кг
рср1 =1,96	tср1= 119,6	rв п1 =2208
рср2 =0,30	tср2= 68,7	rв п2 =2336

2.2.4 Определение температурной депрессии

Температурная депрессия, б `_I, ⁰С, по корпусам с учетом давления в них определяется по формуле

б `_I =, (15)

где б `_атмi - температурная депрессия при атмосферном давлении (рисунок Г9) [4].

Подставив значения в формулу (15) получим

б `₁ = = 2,26⁰С ,

б `₂ = = 9,71⁰С.

Сумма температурных депрессий, б `, ⁰С, находим по формуле

б ` = б `₁ + б `₂, (16)

б `= 2,26+9,71= 11,97⁰С .

Температура кипения раствора, t_k1, ⁰С, в первом корпусе, находим по формуле

t_k1= t_{г п 2} + б `₁ + б ```₁, (17)

t_k1=116,3+2,26+1 = 119,56 ⁰С.

Температура кипения раствора, t_k2, ⁰С, во втором корпусе, находим по формуле

t_k2= t_{б к}+ б `₂ + б ```₂ , (18)

t_k2= 56,04+9,71+1 = 66,75 ⁰С.

2.2.5 Определение полезной разности температур

Общая полезная разность температур, ? t _{пол общ}, ⁰С определяется по формуле

t _{пол общ} = б t_п1 + б t_п2, (19)

Полезные разности температур по корпусам, ? t_пi, ⁰С, находим по формуле

t_пi = t_гi - t_кi, (20)

для первого корпуса t_п1 = 137,9 - 119,56 = 18,34⁰С;

для второго корпуса t_п2 = 116,3 - 66,75= 49,55⁰С.

Подставив значения в формулу (19), получим

t _{пол общ} = 18,34+49,55=67,89⁰С.

Тогда общую полезную разность температур, t_п, ⁰С находим по формуле

t_п = t _г.п.- t _б.к. - (б `+б ```), (21)

t_п = 137,9- 56,04- (11,97+2) = 67,89⁰С.

Таблица 4 - Свойства греющего и вторичного паров по корпусам

№ корпуса	Греющий пар	Температура кипения, оС	Вторичный пар
	Температура, оС	Давление, ат	Теплота конденсации, кДж/кг		Температура, оС	Давление, ат	Теплота парообразования, кДж/кг
1	137,9	3,5	2156	119,56	117,3	1,844	2214
2	116,3	1,835	2215	66,75	57,04	0,177	2366,4

2.3 Определение тепловых нагрузок по корпусам

Расход греющего пара, D, в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде, w₁ и w₂, и тепловые нагрузки, Q₁ и Q₂, по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки

Q₁ = D^.r_гп1 = 1,03^.[G_н^.c_н^.(t_k1-t_н)+w₁^.r_вп1], (22)

Q₂= w₁^.r_гп2 = 1,03^.[(G_н - w₁)^.c₁ (t_k2-t_k1)+w₂^. r_вп2], (23)

w₁+w₂ = W (24)

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

с₁, с₂ - теплоемкость начального раствора и в первом корпусе, кДж/(кг^.К);

r_г1, r_г2- теплота конденсации греющего пара по корпусам, Дж/кг;

D, w₁,w₂ - расходы греющего пара по корпусам, кг/с.

Раствор поступает в первый корпус, нагретый в теплообменнике до температуры кипения в корпусе. Поэтому уравнение теплового баланса для первого корпуса принимает вид :

Q₁ = D^.r_гп1 = 1,03w₁^.r_вп1,

Q₁ = D^.2156 = 1,03w₁^.2214,

Q₂= w₁^.2215 = 1,03^.[(27,78 - w₁)^.3,16(66,75-119,56)+(20,37- w₁)^. 2366,4],

w₂ = 20,37- w₁

Решение системы уравнений дает следующие результаты

D = 10,58 кг/с; w₁ = 10,01кг/с; w₂= 10,36 кг/с.

Расхождение по испаряемой влаге, предварительно принятой и рассчитанной, не превышает 5%, поэтому не пересчитываем концентрации и температуры кипения растворов. В дальнейших расчетах используем новые, полученные из решения балансовых уравнений значения по испаряемой влаге.

Тепловые нагрузки по корпусам Q, кВт

В первом корпусе Q₁ = D^.r_гп1, (25)

Во втором корпусе Q₂= w₁^.r_гп2, (26)

Q₁=10,58^.2156 =22810,486 кВт.

Q₂=10,01^.2215 = 22175,15 кВт.

2.4 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде раствора щелока в интервале изменения концентраций от 16 до 60%. В этих условиях химически стойкий является сталь марки Х17; ее теплопроводность 25,1 Вт/(Вт^.м) [2].

2.5 Определение коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи К₁, Вт/м^2.К, для первого корпуса определяют по формуле

К₁ = , (27)

где б₁ - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, Вт/м^2. К;

б₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору, Вт/м^2. К;

?д/л - суммарное термическое сопротивление, м^2. К/Вт.

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки б_ст/б_ст и накипи б_н/б_н. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.

Принимая для всех корпусов толщину слоя накипи б_н = 0,2 мм, б_н = 2 Вт/(м^.К), получаем

= = 2,87^.10^-4 Вт/ м^2.К.

Коэффициент теплоотдачи, б₁, Вт/м^2.К, от конденсирующего пара к стенки б определяем по формуле:

б₁ = , (28)

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг, таблица LVII, [1];

р_ж1 - плотность, кг/м³;

б_ж1 - теплопроводность, Вт/(м^.К);

б _ж - вязкость конденсата, Па^.с.

Расчет б₁ ведем методом последовательных приближений. В первом приближении примем t₁ = 2,0 град. Тогда для первого корпуса t_пл = 137,9 - 1/2 = 137,4⁰С; р_ж1 = 928 кг/м³ (таблица Б6) [4]; б_ж1 = 0,685 Вт/(м^.К) (таблица Б6) [4]; б _ж = 0,199^.10^-3 Па^.с (таблица Б6) [4]. Подставив значения в формулу (28), рассчитаем коэффициент теплоотдачи б₁ в первом корпусе

б₁ = = 8974,9 Вт/м^2.К.

Для второго корпуса t_п2 = 116,3 - 1/2 = 115,8⁰С; р_ж2 = 946 кг/м³ , (таблица Б6) [4]; б_ж2 = 0,686 Вт/(м^.К), (таблица Б6) [4]; б _ж = 0,241^.10^-3 Па^.с, (таблица Б6) [4]. Подставив значения в формулу (28), рассчитаем коэффициент теплоотдачи б₁ во втором корпусе

б₁ = = 8705,09 Вт/м^2.К.

Для выпарных аппаратов с вынесенной зоной кипения обеспечиваются высокие скорости движения растворов в трубках греющей камеры и вследствие этого устойчивый турбулентный режим. Коэффициент теплоотдачи б₂, Вт/м^2.К, определяем по формуле:

б₂ = , (29)

где - критерий Нуссельта, рассчитывается по формуле

=, (30)

Критерий Рейнольдса рассчитывается по формуле

= , (31)

Критерий Прандтля рассчитывается по формуле

= , (32)

где - плотность раствора, кг/м³ ;

- вязкость раствора, Па^.с;

- теплоемкость раствора, Дж/(кг^.К);

- внутренний диаметр труб, м;

- теплопроводность раствора, Вт/(м^.К);

- скорость движения раствора, м/с.

Физические, теплофизические свойства раствора щелока определяются при температуре кипения и концентрации в корпусах (приложения В-Г) [4], [5]. Они приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Физические свойства кипящего раствора щелока.

Параметр	Корпус
	1	2
Теплопроводность раствора б, Вт/(м.К)	0,52	0,35
Плотность раствора р, кг\м3	1130	1300
Теплоемкость раствора с, Дж/(кгК)	3561,5	2933
Вязкость раствора б1, Па.с	2.10-3	2,91.10-3

Рассчитываем Критерий Рейнольдса, приняв скорость циркуляции =1,5 м/с [2, с.175]

= = 28815

Рассчитываем Критерий Прандтля по формуле (32)

= = 13,7

Рассчитываем Критерий Нуссельта по формуле (32)

= = 262,5

Подставив найденные значения в формулу (29), определяем коэффициент теплоотдачи б₂ в первом корпусе, Вт/м^2. К:

б₂ = = 4015 Вт/м^2.К

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи б₂, Вт/м^2.К, во втором корпусе.

Рассчитываем Критерий Рейнольдса, приняв скорость циркуляции =1,5 м/с [2, с.175]

= = 22784

Рассчитываем Критерий Прандтля по формуле (32)

= = 24,38

Рассчитываем Критерий Нуссельта по формуле (32)

= = 178,2

Подставив найденные значения в формулу (29), определяем коэффициент теплоотдачи б₂ во втором корпусе, Вт/м^2. К:

б₂ = = 1834 Вт/м^2.К

Коэффициент теплопередачи К₁, Вт/м^2.К, для первого корпуса определяют по формуле (27)

К₁ = = 1545 Вт/м^2.К

Коэффициент теплопередачи К₂, Вт/м^2.К, для второго корпуса определяют по формуле (27)

К₁ = = 1055 Вт/м^2.К

2.6 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур, t_пj, в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи

t_пj = , (33)

где t_пj - полезная разность температур, ⁰С;

Q_i - тепловая нагрузка, кВт;

K_i - коэффициент теплопередачи для j - корпуса, Вт/(м^2.К) .

Подставив численные значения в формулу (33), получим:

t_п1 = 67,89= 28,01 ⁰С;

t_п2 = 67,89 = 39,88 ⁰С.

Проверим общую полезную разность температур установки,?? ?t_п, ⁰С, по формуле

t_п =t_п1 + t_п2, (34)

t_п = 28,01 + 39,88 = 67,89 ⁰С.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов F, м², по формуле (1)

F₁ = = 526,9 м²;

F₂ = = 527,1 м².

Найденные значения мало отличаются от определенной раннее поверхности F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппарата (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур ?t_п представлено ниже.

Таблица 6

Распределенные в 1-м приближении значения tп , град.	28,01	39,88
Предварительно рассчитанные значения tп , град.	18,34	49,55

Второе приближение

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

2.7 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

t_k1 = t_{г 1} - t_п1 = 137,9 - 28,01= 109,89 ⁰С;

t_вт1 = t_{к 1} - б`₁ = 109,89 - 2,26 = 107,63 ⁰С;

t_г2 = t_гв1 - б```₁ = 107,63 - 1 = 106,63 ⁰С;

t_k2 = t_{г 2} -t_п2 = 106,63 - 39,88 = 66,75 ⁰С;

t_вт2 = t_к2 - б`₂ = 66,75 - 9,71 = 57,04 ⁰С;

t_бк = t_вт2 - б```₂= 57,04 - 1 = 56,04 ⁰С.

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше способом, приводит к следующим результатам :

К₁ =1545,6 Вт/м^2.К;

К₂ = 1044,1 Вт/м^2.К.

Рассчитываем тепловые нагрузки Q_, кВт

Q₁ = 10,58^.2156 = 22810,480 кВт;

Q₂ = 10,01^.2246,6 = 22488,466 кВт

Распределение полезных разностей температур бt_п, ⁰С, найдем по формуле (34)

t_п1 =67,89 = 27,61 ⁰С;

t_п2 = 67,89 = 40,28 ⁰С.

Сравнение полезных разностей температур t_{п ,} ⁰С,полученных во 2-ом и 1-ом приближениях, представлено ниже.

Таблица 7

tп в 1-м приближении, град.	28,01	39,88
tп во 2-м приближении, град.	27,61	40,28

Различия между полезными разностями температур t_п, ⁰С, по корпусам во 2-ом и 1-ом приближениях не превышает 5 %, следовательно, распределение полезных разностей температур закончено.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов F, м², равна

F₁ = = 534 м²;

F₂ = = 534 м².

По ГОСТ 11987-81 [2] выбираем аппарат со следующими характеристиками:

Таблица 4

Номинальная поверхность теплообмена Fн	560 м2
Диаметр труб d	38*2 мм
Высота труб Н	5000 мм
Диаметр греющей камеры dk	1800 мм
Диаметр сепаратора dc	4500 мм
Диаметр циркуляционной трубы dц	1200 мм
Общая высота аппарата На	17000 мм
Масса аппарата Ма	28300 кг

2.8 Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции ?_и, м, находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду

з_в(t_ст2 - t_в) = ()(t_ст1 - t_ст2) , (35)

где з_в = 9,3+0,058 t_ст2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м^2.К;

t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха), примем равной 35 ⁰С, тогда з_в = 9,3+0,058 ^.35 = 11,33 Вт/м^2.К;

t_ст1 - температура изоляции со стороны аппарата; в виду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t₁ = 120,93 ^оС;

t_в - температура окружающей среды, ^оС;

з_н - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/мК.

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85 % магнезии + 15 % асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности ?_н = 0,09 Вт/мК.

Подставив значения в формулу (35), получаем

з_и = = 0,055 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,055 м и для другого корпуса.

3. Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая поддается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 ^оС). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. 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 G_в, кг/с, определяют из теплового баланса конденсатора

G_в = , (36)

где I₂ - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

с_в - теплоемкость воды, Дж/(кг ^оС);

t_н - начальная температура охлаждающей воды, ^оС;

t_к - конечная температура смеси воды и конденсата, ^оС.

- количество вторичного пара, поступающего в барометрический конденсатор из второго корпуса.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсата должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды, t_к., на выходе из конденсатора примем на 3 градуса ниже температуры конденсации паров в барометрическом конденсаторе

t_к = t_бк - 3,0 = 56,04 - 3,0 = 53,04 ^оС,

Тогда

G_в = = 89 кг/ч.

3.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк, м, определяется из уравнения расхода

d_бк = , (37)

где р - плотность паров, кг/м³;

v - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров v = 15-25 м/с. Принимаем v = 20 м/с [1, с.17].

Тогда

d_бк = = 1,73 м.

Выбираем 2 барометрических конденсатора диаметром d_бк=2000 мм (приложение А10) [2].

3.3 Скорость воды в барометрической трубе

Скорость воды в барометрической трубе w, м/с, определяем по формуле

w = , (38)

В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической трубы d_тр = 300 мм. Тогда

w = = 1,33 м/с.

3.4 Высота барометрической трубы

Высоту барометрической трубы, Н_б.т., м, находим из уравнения

Н_бт =, (39)

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

?о - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

н_б - коэффициент трения в барометрической трубе;

- ориентировочная высота барометрической трубы, м;

- плотность воды, кг/м³;

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

?о = а_вх+b_вых = 0,5+1,0 = 1,5.

где а_вх+b_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения н зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе, Re, по формуле (31)

Re = = 767307.

Среднее значение шероховатости стенок труб с незначительной коррозией е = 0,2 мм [1, с.514]. Относительная шероховатость d/е = 300/0,2 = 1500. По [1, с.22] определяем коэффициент трения ? = 0,021.

Подставив в формулу (39) указанные значения получим

Н_бт =

Отсюда находим Нбт = 9,35 м.

раствор кипение изоляция конденсатор

4. Расчет производительности вакуум-насоса

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

L = , (40)

где 0,025 - количество газа, выделяющегося с одного кг воды, кг;

W₂ - количество выпаренной воды во втором корпусе, кг/с.

Подставляем значения в формулу (40) и получаем

G_возд = = 108,3 10^-3 кг/с.

Объемная производительность, V_возд, м³/мин, вакуум-насоса равна:

V_возд = , (41)

где R - универсальная газовая постоянная, R = 8310 Дж/(кмоль^.К);

М_возд - молекулярная масса воздуха, М_возд =29 кг/кмоль;

t_возд - температура воздуха, ^оС;

Р_возд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом

конденсаторе, Па.

Температура воздуха, t_возд, ^оС, рассчитывается по уравнению

t_возд = t_н + 4 + 0,1(t_к - t_н), (42)

t_возд = 20 + 4 + 0,1(53,04-20) = 27,3 ^оС.

Давление воздуха, Р_возд, Па, рассчитывается по формуле

Р_возд = Р_бк - Р_п, (43)

где Р_п - давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд = 27,3 ^оС. Р_п = 0,037 ат. (приложение Б5) [4]

Подставив значения в формулу (41), получим

Р_возд = 0,17^.98000 - 0,037 ^.98000 = 13034 Па.

Подставив все полученные значения в формулу (41), получим

V_возд = = 0,715 м³/с = 42,9 м³/мин.

Подбираем вакуум-насос типа ВВН-50 мощностью на валу 94 кВт, производительностью 50 м³/мин, остаточное давление 15 мм.рт.ст (приложение А11) [4].

5. Расчет трубопроводов

Диаметры штуцеров находим по уравнению массового расхода

М =, (44)

где М - массовый расход вещества, кг/с;

- средняя скорость потока, м/с [1, с.17].

- плотность потока, кг/м³;

- площадь поперечного сечения потока, м².

Для трубопровода круглого сечения уравнение (44) принимает вид

М = , (45)

Тогда диаметр трубопровода определяем по уравнению

d =, (46)

1) Диаметр штуцера для подачи греющего пара в 1-ый корпус d_гр1, м, находим по формуле (46)

d_гр1 = = 0,63 м

По ГОСТу принимаем стандартный штуцер диаметром 630 ^х 15 мм.

2) Диаметр штуцера для выхода вторичного пара из1-ого корпуса d_вт1, м, находим по формуле (46)

d_вт1 = = 0,7 м

По ГОСТу принимаем стандартный штуцер диаметром 720 ^х 10 мм.

3) Диаметр штуцера для выхода конденсата d_конд, м, находим по формуле (46)

d_конд = = 0,16 м

По ГОСТу принимаем стандартный штуцер диаметром 159 ^х 4,5 мм.

4) Диаметр штуцера для подачи раствора d_р-ра1, м, находим по формуле (46)

d_р-ра1 = = 0,023 м

По ГОСТу принимаем стандартный штуцер диаметром 25 ^х 2 мм.

5) Диаметр штуцера для выхода раствора из 1-ого корпуса d_{уп.р-ра1}, м, находим по формуле (46)

d_{уп.р-ра1} = = 0,2 м

По ГОСТу принимаем стандартный штуцер диаметром 219 ^х 6 мм.

6. Расчет кожухотрубчатого подогревателя

Рассчитать горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник для нагрева 27,78 кг/с щелока от 20 до 109,89 ^оС. Греющий водяной насыщенный пар имеет температуру 137,9 ^оС.

Средняя разность температур, t_ср, ^оС, определяется по формуле

t_ср = , (47)

t_б = t_г1 - t_н 137,9 - 20 =117,9 ^оС;

t_м = t_г1 - t_к1 137,9 - 109,89 = 28,01 ^оС

Подставляя найденные значения в формулу (47) получим

t_ср = = 62,61 ^оС.

Средняя температура раствора, t_ср, ^оС, определяется по формуле

t_ср = t_конд -t_ср, (48)

t_ср = 137,9 - 62,61 = 75,29 ^оС .

Расход теплоты на нагрев Q, Вт, определяется по формуле

Q = G_нc_н^. (t_кип1 - t_н), (49)

где с_н - теплоемкость исходного раствора, Дж/кг^. К, рассчитывается по формуле

с_н = 4190^. (1 - 0,16) = 3519,6 Дж/кг^. К.

Тогда

Q = 27,78 ^.3519,6 ^.(109,89-20) = 8788948 Вт.

Ориентировочный расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на пучке вертикальных труб

₂ = Nu^. (50)

Диаметр труб принимаем 25*2мм;?? = 1,8^.10^-3 Па^.с, вязкость раствора при температуре 75,29 ^оС, [1]; р =1038 кг/м³ - плотность раствора [5].

Подставляем значения в формулу (31), определим режим течения

Re = =24220.

Режим развитый турбулентный. Следовательно, критерий Прандтля, Pr, рассчитаем по формуле (32):

Pr = = 14,87.

где с₂ = 0,48 Вт/(м^.К) - коэффициент теплопроводности раствора щелока при 75,29 ^оС, [5],

с_н = 3965,8 Дж/(кг^.К) - удельная теплоемкость раствора [5].

Критерий Нуссельта, Nu, рассчитываем по формуле

Nu=0,023^. Re^0,8. Pr^0,43. , (51)

где Pr -критерий Прандтля раствора;

Pr_ст - критерий Прандтля стенки.

Задамся = 1, тогда критерий Нуссельта равен

Nu = 0,023 ^. 24220^0,8.14,87^0,43.1 = 236,13.

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи, ₂, Вт/м² К, раствора щелока, подставив значения в формулу (50)

₂ = = 6014,4 Вт/м² К.

Для расчета суммы сопротивлений стенки и её загрязнений принимаем тепловые проводимости загрязнений со стороны раствора щелока и водяного пара по 5800 Вт/м^2.К (таблица ХХХ1) [1]; коэффициент теплопроводности стали_ст=46,5 Вт/м^2.К (таблица ХХVIII) [1]; тогда сумму сопротивлений, , Вт/м^2.К, рассчитываем по формуле

, (52)

= 7,6 ^.10^-4.

Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м^2.К), находим по формуле (27). Принимаем коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке ₁ =12000 Вт/м^2.К.

К = = 991 Вт/м^2.К.

Расчетная площадь поверхности теплообмена, F_р, м², определяется по формуле

F_р = , (53)

F_р = = 141,6 м².

Принимаю одноходовой подогреватель с поверхностью теплообмена F=146м², длина труб L = 4 м, число труб n = 465, диаметр кожуха (внутренний) D=800 мм, [1].

Заключение

В данной курсовой работе был проведен расчет выпарной двухкорпусной установки, в результате чего подобрали выпарной аппарат с поверхностью теплопередачи 560 м². Также произвели расчет барометрического конденсатора, вакуум-насоса и кожухотрубчатого подогревателя.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизующихся растворов можно значительно уменьшить путем увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения. Ввиду значительного перепада температур между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает значительной величины, что приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена.

Список использованных источников

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов.- Л.: Химия, 1987. - 576 с.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. Изд. 2-е в 2-х кн.- м.: Химия. 1995.- Часть 1 - 400 с.

3. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

4. Шайхутдинова М.К., Ченцова Л.И., Борисова Т.Б. Расчет выпарной установки. Учебное пособие к выполнению курсового проекта.- Красноярск: СибГТУ, 2005.-80 с.

5. Пузырев С.А., Рюхин Н.В. Справочник бумажника. Изд. в 3-х томах.- Москва: Лесная промышленность, 1964.-Том 1 - 842 с.

Размещено на Allbest.ru