close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовая работа (7)

код для вставкиСкачать
Задание по курсовому проектированию № 1.
Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для
выпаривания водного раствора KNO 3 . Обеспечить подогрев исходного раствора перед
подачей в аппарат и охлаждение концентрированного раствора после выпарного аппарата.
Исходные данные:
Вид данных
Расход
раствора
Содержание
раствор. вещества
Условное
обозначение
Значение
Единица
измерения
Исходный разбавл.
Gнач
5.25
Кг/с
Концентрированный
Gкон
-
Кг/с
Начальное
Xнач
4.5
% (масс)
Конечное
Xкон
11
% (масс)
tисх
tв
0.55
10
5
ат
̊C
̊C
Абсолютное давление в аппарате
Начальная температура исх. раствора
Начальная температура охл. воды
Содержание
Введение………………………………………………………………………………………….4
1
Аналитический обзор……………………………………………………………………...5
2
Цели и задачи проекта……………………………………………………………………...7
3
Основная часть….…………………………………………………………………………..8
4
Инженерные расчеты……………………………………………………………………….9
4.1
Расчет выпарного аппарата………………………………………………………….....9
4.1.1
5
Метод итераций…………………………………………………..….…………15
4.2
Расчёт холодильника …..…….……………..………………………………………...17
4.3
Расчёт подогревателя исходного раствора…………….…………………………….21
4.4
Расчёт барометрического конденсатора……….……………….……………………26
4.5
Расчет производительности вакуум-насоса……….…………….…….……………..30
Выводы по курсовому проекту………………………………………….……..………...31
Список использованных источников………….…...………………………...………………..32
3
Введение
Выпаривание – это процесс концентрирования растворов 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. 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.
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.
В таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к
трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.
4
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. Развитие конструкции таких аппаратов происходит в направлении
усиления естественной циркуляции. Последнее возможно путём увеличения разности
весов столбов жидкости в опускной трубе и паро-жидкостной смеси в подъёмной части
контура. Это достигается посредствам:
 увеличения высоты кипятильных (подъёмных) труб и повышения интенсивности
парообразования в них с целью уменьшения плотности паро-жидкостной 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 находится нагревательная камера, состоящая
из двух трубных решёток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные
5
трубы (длиной 2-4 м) и циркуляционная труба 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 паро-жидкостной смеси, содержание пара в которой
возрастает по мере её движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое)
пространство, где с помощью брызгоуловителя, 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 паро-жидкостной 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 паро-жидкостной 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 лучше охлаждаться. Этим
увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными
циркуляционными трубами. При расположении циркуляционных труб вне корпуса
аппарата диаметр нагревательной камеры может быть уменьшен по сравнению с камерой
аппарата, а циркуляционные трубы компактно размещены вокруг нагревательной камеры.
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 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.
6
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 показано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар
отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой
циркуляционной трубе, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции
повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель, 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.
2 Цели и задачи проекта
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.).
7
3 Основная часть
Описание технологической схемы
Исходный водный раствор KNO 3 концентрацией 2.5% подается центробежным
насосом Н в трубное пространство подогревателя П типа «труба в трубе», где нагревается
до температуры близкой к температуре кипения. После нагрева раствор поступает в
греющую камеру выпарного аппарата АВ с вынесенной греющей камерой с естественной
циркуляцией. Подвод тепла осуществляется греющим паром, конденсат которого
впоследствии нагревает исходный раствор в подогревателе П. Упаренный раствор уже с
концентрацией 8% после выпарного аппарата АВ поступает в холодильник типа «труба в
трубе» где остужается водой. Движение разбавленного раствора и вторичного пара
осуществляется
вследствие
перепада
давлений,
создаваемого
барометрическим
конденсатором КБ и вакуум-насосом ВН. В барометрическом конденсаторе КБ вода,
поступающая в конденсатор, и пар движутся в противоположных направлениях (вода –
сверху, пар – снизу). Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен
переливными полками. Смесь воды и конденсата удаляется из конденсатора самотеком
через барометрическую трубу в гидрозатвор.
Конденсат греющих паров из выпарного аппарата АВ выводится с помощью
конденсатоотводчиков КО. Концентрированный раствор по трубопроводу отводится в
вакуум-сборники Е1 ,Е2 работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются
периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает по назначению.
8
4. Инженерные расчеты
4.1 Расчет выпарного аппарата
Основные уравнения материального баланса:
Gнач  Gкон  W
(1)
Gнач  xнач  Gкон  xкон
(2)
где Gнач - массовый расход начального раствора, кг/с;
Gкон - массовый расход конечного раствора, кг/с;
xнач - массовая доля растворенного вещества в начальном растворе;
xкон - массовая доля растворенного вещества в конечном растворе;
W – расход вторичного пара, кг/с.
Из формулы (2) получаем:
Gкон 
Gкон 
Gнач  xнач
;
xкон
5.25  0.045
 2.148 кг/с.
0.11
Решая совместно уравнения (1) и (2) получаем:
W  Gнач  Gкон ;
W  5.25  2.148  3.102 кг/с.
Абсолютное давление в сепараторе выпарной установки:
P1  0.55ат =0.55
кгс
 0.0557МПа
см2
По заданному значению давления по таблице свойств насыщенного пара из [2]
находим температуру в сепараторе выпарной установки:
t1  t0  ∆tг.с
t1  85,5  1,5  87 0C
Где t 0 – температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе
∆tг.с - гидравлическая депрессия, или изменение температуры вторичного пара на
участке сепаратор - барометрический конденсатор, вызванное падением давления пара изза гидравлического сопротивления паропровода вторичного пара ∆pг.с
Конечная температура при которой конечный раствор выводится из аппарата tкон
определяется по формуле 5 приложения А при P=P1 = 55700Па и x=xкон =0.11
9
t кон 
t кон 
1669,6
 228,4 ;
10,0888 lg( P)  lg( 0.342 x 2  0,238 x  1)
(3)
1669,6
 228,4  84.880 C
2
10,0888  lg(55700)  lg( 0.342  0.11  (0,238)  0,11  1)
Оптимальную высоту уровня в кипятильных трубах определяем по формуле [2]:
Hопт  (0,26  0,0014(  р  в ))  Hтр
где  р - плотности раствора
(4)
кг
;
м3
в - плотности воды, кг3 ;
м
Hтр - рабочая высота труб, принимаем Hтр  5м .
Плотность
воды
в
можно рассчитать
по формуле 1б
приложения А при
t  tкон  87,820 C :
в  1000 0,062 t  0,00355 t 2 ;
в  1000  0,062 84,88  0,00355 84,882  969.161
(5)
кг
.
м3
Плотность раствора  р определяем по формуле 1а приложения А при
t  t кон  84,880 C и x=xкон=0,11:
lg  р  lg в  (0,273  6.847 105  t  2,2132 106  t 2 )  x ;
(6)
lg  p  lg 969.161 (0,273  6.847  105  84.88  2,2132 106  84.882 )  0,11  3
 р  103  1000
кг
м3
Подставляя найденные значения  р и  в в формулу (4) получаем:
H опт  (0,26  0,0014(1000  969.161))  5  1.52м
Гидростатическое давление pср в середине высоты труб при H опт определяем по
формуле:
pср  p1  0,5   р  g  Hопт;
pср  55700 0,5 1000 9,811.52  63156 Па .
Подставляя в формулу (3) давление pср и xкон  0,11, находим температуру кипения
раствора на середине кипятильных труб:
t кон 
1669,6
 228,4  88.110 C
2
10,0888  lg( 63156)  lg( 0.342  0.11  (0,238)  0,11  1)
10
Найдем температуру греющего пара по формуле:
t гр.п  t кип  t пол ,
где
tпол- полезная разность температур, К.
Принимаем tпол= 27.89 К.
Рассчитаем tгр.п:
t гр.п  88.11 27.89  1160C
По найденной температуре находим давление греющего пара Pгр.п по таблице свойств
насыщенного пара из [2].
Pгр.п  17650.7Па
Тепловая нагрузка Q выпарного аппарата равна:
Q  Gнач  C р (t кон  t нач )  W  (i ,, вт.п  св  t кон )  Qпот ,
(7)
где t нач  tкон  9.88  84.88  9.88  750 C ,
Qпот- расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;
Qпот=0,03( Gнач  C р (t кон  t нач )  W  (i ,, вт.п  св  t кон ) ).
c р - теплоемкость разбавленного раствора, определяем по формуле 3а из приложения А
при x= xкон =0,08:
c р  cв  (4293.94  2585 x  3.69  t  5.25 103  t 2 )  x ,
Где cв - удельная теплоемкость воды, найдем при t=84.880С
(8)
по формуле 3б
приложения А:
cв  4223,6  2,476 t  lg(
cв  4223,6  2,476 84.88 lg(
t
);
100
(9)
84.88
Дж
.
)  4238,562
100
кг  К
Тогда по формуле (8) теплоемкость разбавленного раствора c р будет равна:
с р  4238,562  (4293,94  2356,87  0,11 (3,69)  84.88 (5,25 103 )  84.882 )  0,11  3758,893
Рассчитаем i ,, вт.п - энтальпию вторичного пара определяем при температуре t1=87 0C :
11
Дж
кг  К
По найденной температуре по таблице свойств насыщенного пара из [2] путем
интерполяции данных таблицы находим энтальпию вторичного пара i ,, вт.п .. Для начала
запишем формулу интерполяции:
y  y1 
y2  y1
 ( x  x1 )
x2  x1
(10)
Таким образом находим энтальпию вторичного пара по таблице свойств насыщенного
пара из [2]:
i ,, вт.п  2653
2662  2653
кДж
Дж
 (87  85)  2656.6
 2656600
90  85
кг
кг
Теперь по формуле (7) определим тепловую нагрузку выпарного аппарата Q:
Q  3  3855.19(84.88  75)  2.07  (2656600 4211.33* 84.88  146455,976  5,177 106 Вт
Расход греющего пара Gг.п. в выпарном аппарате определяем по уравнению:
Gг.п. 
Q
,
rг.п.
(11)
где rг.п. - удельная теплота конденсации греющего пара, определяем при температуре
t гр.п  1160 C по таблице свойств насыщенного пара из [2]
кДж
rгр.п  2217
кг
Теперь по формуле (11) определим Gг.п. :
Gг.п. 
5177
кг
 2,36
2217
с
Удельный расход греющего пара:
Gг.п
2,36

 0.76
W
3.102
Запишем уравнение теплопередачи:
d
Q  K  F  tср ,
где K – коэффициент теплопередачи,
(12)
Вт
;
м 2 K
F – поверхность теплообмена, м2 ;
tср -средняя движущая сила процесса теплопередачи, 0С.
Коэффициент теплопередачи К определяется по формуле:
К
1
1
 конд
 rст 
1
 кип
12
,
(13)
где конд ,  кип - коэффициенты теплоотдачи,
rст - суммарное сопротивление стенки,
Вт
;
м 2 K
м 2 K
.
Вт
Найдем rст по формуле:
rст  rзагр1 
где
 ст
,
r
cт загр2
(14)
rзагр1 , rзагр2 - термические сопротивления загрязнений,
Вт
;
м 2 K
 ст - толщина стенки, 2·10-3м;
cт - коэффициент теплопроводности стали, 46,5 Вт .
м K
Значения rзагр1 , rзагр2 определяем из [2]:
rзагр1 
1
Вт
5800 м 2 K
rзагр2 
1
Вт
2900 м 2 K
Теперь по формуле (14) найдем суммарное термическое сопротивление стенки:
rст 
1
2 103
1


 5,6 104 Вт
5800 46,5 2900
м 2 K
Коэффициенты теплоотдачи конд ,  кип определяются по формулам:
 конд  2,04 4
 кип 
Аt
H  t
(15)
b3  2  (tкип) 2
   Tкип
(16)
Определим величины, входящие в эти уравнения:
Величину функции At находим из [2] при температуре tгр.п=116.30С путем
интерполяции по формуле (10):
At  7100 
7240  7100
 (116  110)  7184
120  110
Безразмерная величина b определяется по формуле:
b  0,075  0,75(
п
 ж  п
)
2
3
где  ж - плотность раствора;
 п - плотность пара;
 ж определяем по формулам (5) и (6) при t= tкип=88.110С и x=xкон=0,11 :
13
(17)
в  1000  0,062  88.11  0,00355 88.112  966.98
кг
м3
lg ж  lg 966.98  (0.273901 6.847105  88.11 (2.2132106 )  88.112 )  0,11  3,014
 ж  103,014  1033
кг
м3
 п определяем по таблице свойств насыщенного пара из [2] путем
интерполяции при
tкип= 88.11 (формула (10)):
п  0,3531
0.4229  0,3531
кг
 (88.11 85)  0.397 3
90  85
м
Теперь определим по формуле (17) безразмерную величину b:
2
0.397
b  0,075  0,75(
) 3  0,079
1033 0.397
Для кипящего раствора KNO3 коэффициент теплопроводности мы рассчитываем по
формуле 4 приложения А при t= tкип= 88.11 0С и x=xкон=0,11:
  0  (1  0,33459 xкон )
(18)
0 - коэффициент теплопроводности воды, Вт /( м  К ) .
0  0,5545 0,00246 t  0,00001184 t 2 ;
(19)
0  0,5545 0,00246 88.11 0,00001184 88.112  0,679Вт/(м  К).
Тогда по формуле (18) получаем:
  0,679 (1  0.33459 0,11)  0,654Вт /( м  К )
Кинематическая вязкость ν находится по формуле:



(20)
Где  - динамический коэффициент вязкости, Па с
Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле 2а приложения А:
lg   lg 0  (0.2142 6.58103  t  1108  t 2 )  x,
(21)
0 - вязкость воды, Па с . Находим по формуле 2б приложения А:
0  0,59849 (43,252  t) 1,5423
При температуре t= tкип= 88.11 и x=xкон=0.11 получаем:
0  0,59849 (43,252  88.11) 1,5423  3,23104 Па с;
lg   lg 3,23 104  (0.2142  6.58  103  88.11  1108  88.112 )  0,11  3,449;
  103,449  3.556 104 Па с .
Ранее мы определили плотность раствора при t=tкип=88.110С и x=xкон=0.11:
14
(22)
 ж  1033
кг
м3
Найдем кинематическую вязкость ν по формуле (20):

3.451104
м2
 3.341107
1033
с
Поверхностное натяжение σ берем из [2] путем интерполяции при tкип=88.11 по
формуле (7):
58,9 103  62,6 103
  62,6 10 
 (88,11 80)  6,11102 H / м
100  80
3
4.1.1 Метод итераций
Подсчет температуры стенки со стороны греющего пара находим методом итерации.
Меняем значение t пока не выполнится условие:  
1.
qконд  qкип
min(qконд , qкип )
 0,05
Принимаем t 40 C . Тогда температура стенки со стороны греющего пара
равняется:
t ст1  t гр.п  t
tст1  116  4  1120C
2.
Находим коэффициент теплоотдачи для переноса теплоты от конденсата к
стенке  конд по формуле (15):
7184
 6929.248 Вт
м 2 K
5 4
 конд  2.04 4
3. Удельный тепловой поток от пара к стенке равен:
qконд  
конд
 t ,
qконд  6929.248 4  27716.993
Вт
.
м2
4. Температура стенки со стороны раствора t ст2 :
t ст2  t ст1  qконд   rст ,
tст2  112  27716.993 5.6 104  96.4780 С .
5. Находим коэффициент теплоотдачи для перехода теплоты от внутренних стенок
труб к раствору  кип по формуле (16):
15
t
t
кип
кип
t
ст2
 t кип
 96.478  88.11  8.368о С
Т кип  tкип  273
Т кип  88.11  273  361,11
 кип 
6.
0,0793  0.6542  8.3682
Вт
 3293.422 2
7
2
3.341 10  6.1110  361.11
м K
Удельный тепловой поток от стенки к раствору равняется:
qкип =  кип·( t ст2 - tкип ) ;
qкип  3293.422 (96.478  88.11)  27559.353
Вт
.
м2
7. Находим ε - погрешность приближений:


qконд  qкип
min(qконд, qкип )
;
27716.993  27559.353
 0.00572
min(27559.353)
 не превышает 0.05, значит при выбранной температуре стенки со стороны
греющего пара tст1  1120C условие выполняется
По данным
приближения определяем коэффициент теплопередачи по формуле
(13):
K
1
1
1
 5,6  104 
6929.248
3293.422
 992.123
Вт
м2  К
Поверхность теплообмена выразим из уравнения (12):
F
Q
;
Kt пол
5.177 106
F
 208.7 м2 .
992.123 25
Возьмем F с запасом на 20 % больше:
F=208.7·1.2=250 м2
По полученной поверхности теплообмена по [3] выбираем выпарной аппарат с
естественной циркуляцией раствора с вынесенной греющей камерой. Размеры аппарата:
D= 500 мм, диаметр циркуляционной трубы
n=626, количество труб
16
l=4000 мм, длина трубы
F=250 м2 , номинальная поверхность теплообмена
4.2 Расчет холодильника.
Запишем тепловой баланс холодильника:
Q  Gкон  Cкон  (tкон  tохл)  Gвод  Cв  (tкон.в.  tнач.в. )
(23)
Зададим конечную температуру упаренного раствора на выходе из холодильника:
t охл  30 0C
Так же задаем температуру нагретой воды на выходе из холодильника. Берем не выше 35
0
C чтобы не образовывалась накипь:
tкон.в.  25 0C
Теплоносители
в
холодильнике
будут
двигаться
противотоком,
что
видно
расположенной ниже температурной схемы:
Рисунок 2 - Температурная схема движения теплоносителей в холодильнике
Значение средней движущей силы теплопередачи рассчитывается из [2]:
tб  tкон  tкон.в.  88.11 25  63.110 С ;
t м  tохл  t нач.в.  30  5  250 С ;
17
из
t ср 
63.11  25
 41.160 С .
 63.11
ln

 25 
(24)
Средние температуры теплоносителей:
Воды
tср.в. 
tнач.в.  tкон.в.
2
tср.в. 
25  5
 15
2
горячего
tср. р.  tср.в.  tср
tср. р.  15  41.16  56.16 С
Из уравнения теплового баланса (23) выводим массовый расход охлаждающей воды:
Gвод 
Gкон  Cкон  (t кон  tохл)
Cв  (t кон.в.  t нач.в. )
(25)
Определим удельную теплоёмкость воды по формуле (9) при её средней температуре
tср.в.  15 С :
сH2O  4223,6  2,47615  lg
15
Дж
 4193
100
кг  К
Определим удельную теплоёмкость упаренного раствора при температуре
раствора tср. р.  56.16 С по формулам (9) и (8) :
cв  4223,6  2,476 56.16  lg(
56.16
Дж
.
)  4188.757
100
кг  К
с р  4188.757  (4293.94  2585 0,11 (3.69)  56.16  (5.25 103 )  56.162 )  0,11  3723.085
Находим массовый расход охлаждающей воды по формуле (25):
Gвод 
2.148  3723.085  (88.11  30)
 5.547кг / с
4188.757  (25.  5)
Расчитываем расход теплоты упаренного раствора:
Q  Gкон  Cр  (tкон  tохл)  2.148 3723.085 (88.11 30)  464716.512Вт
18
Дж
кг  К
Принимая по [2] ориентировочный коэффициент теплопередачи K  1000
Вт
,
м2  К
рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи исходя из формулы (12):
Q
464716.512

 11.29м 2 ;
Kор  t ср 1000 41.16
Fор 
Реальную площадь теплопередачи Fапп берем с запасом 20% (Fапп>Fор на 20 %):
Fапп =1,2· Fор =13.55 м2 .
Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формулам (21) и (22):
0
Воды при средней температуре раствора t ср. р.  56.16 С
0  0,59849 (43,252  58.16) 1,5423  4.82*104 Па с;
Раствора:
lg   lg( 4.82 104 )  (0.2142  6.58 103  56.16  1 108  56.162 )  0,11  3.279
  103,279  5.26 104 Па с .
0
Находим плотность раствора по формулам (6) и (5) при t ср. р.  56.16 С
Сначала определим плотность воды:
в  1000  0,062 56.16  0,00355 56.162  942.581
кг
.
м3
Плотность раствора  р определяем по формуле 1а приложения А при конечной
концентрации раствора x=0.08:
lg  p  lg 942.581 (0,273901 6.847  104  56.16  (2,2132 106 )  56.162 )  0,11  3,00792
 р  103,00792  1018.404
кг
м3
Выбираем теплообменник по таблице 1 по [4]:
Таблица 1- Некоторые основные параметры выбранного теплообменника
типа «труба в трубе»
Диаметр трубы, мм
Площадь проходного сечения, м2
Площадь
теплообмен
кожухово
ной
й
108×6
159×6
Внутри
теплообменн
ой трубы
72,4*10-4
19
В кольцевом
теплообме
пространстве
на м2
78,1*10-4
3,02
Находим значения скорости и критерия Рейнольдса при S т р  72.4 104 м 2 и
Gкон  2.148 кг  =1018.404 кг3 :
с
м
w
wт р 
G
S
(26)
2.14810000
 0,291 м
1018.404 72,4
с
Критерий Рейнольдса при скорости wт р  0.291
м
и внутреннем диаметре
с
теплообменной трубы dвн=108-(6*2)=96 мм :
0.291 96 103 1018.404
Re 
 54087
5.26 104
Рассчитаем плотность воды при её средней температуре tср.в. 15C
в  1000  0,06215  0,00355152  998
При
S кольц  78,1 10-4 м 2
кг
м3
рассчитаем wкольц по формуле (26) при Gвод  5.547
wкольц 
кг
:
с
5.547
 0.712 м/с
78.1104  998
Найдем эквивалентный диаметр для поперечного сечения межтрубного пространства по
формуле:
dэ 
4S

(27)
Где S- площадь сечения, м2,  - периметр стенок, м
  Dвн  dнар  3,14  0.147  3,14  0.108  0,801м
dэ 
4S
4  78.1

 0,039м
 10000 0,801
0
Динамический коэффициент вязкости воды при температуре t  t ср.в.  15 С
формуле (22)
0  0,59849 (43,252  15) 1,5423  1,133103 Па с;
Критерий Рейнольдса в кольцевом пространстве:
Reкольц 
0.388 0,039 998
 13328
1,133103
20
находим по
Значение Reкольц  10000, следовательно, этот аппарат подходит для наших целей.
Найдем
r
ст -
суммарное тепловое сопротивление стенки теплообменной трубы:
rст  rзагр1 

1
0,006
1
м2  K
 rзагр2 


 7,790104

4350 46,5 2380
Вт
Где rзагр1 и rзагр2 тепловые сопротивления загрязнения с двух сторон стенки,
стенки,
 -толщина
 -коэффициент теплопроводности стенки (значения взяты из [1])
Теперь рассчитаем сколько выбранных элементов площадью Fэл=3.02 м2 необходимо
соединить, чтобы обеспечить площадь теплоотдачи Fапп =5.56 м2:
n
Fапп 13.55

 4.49
Fэл
3.02
Принимаем число элементов n=5
4.3 Расчет подогревателя исходного раствора
Запишем тепловой баланс подогревателя исходного раствора:
Q  Gнач  Cр  (tнач  tисх)  Gгр.п.  CH2O  (tконд.нач.  tконд.кон. )
(28)
где Gнач - расход разбавленного раствора, кг/с;
tнач - температура раствора на выходе из подогревателя, 0С;
tисх - температура раствора на входе в подогреватель, 0С;
Gгр.п. - массовый расход конденсата греющего пара
CH2O - удельная теплоемкость конденсата греющего пара
tконд.нач. - температура конденсата на входе в подогреватель(температура конденсации
греющего пара в выпарной установке)
t конд.кон. - температура конденсата на выходе из подогревателя
C р - удельная теплоёмкость раствора, Дж/(кг К), рассчитанная по формулам
и
приложения А, при t  tcр. р и х  xнач  0,045
t cр. р 
t нач  t исх 70  10

 40
2
2
21
Определим удельную теплоёмкость воды по формуле 3б приложения А при
средней температуре раствора :
сH2O  4223,6  2,476 44,05  lg
40
Дж
 4180
100
кг  К
Определим удельную теплоёмкость упаренного раствора при средней температуре
раствора по формуле 3а Приложения А:
с р  4180  (4293.94  2585 0,025  (3.69)  40  (5.25 103 )  402 )  0,045  3983
Дж
кг  К
Следовательно, расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры tисх до
температуры tнач найдем по следующей формуле:
Q  Gнач  C р  (tнач  tисх )
(29)
Q  3  3983 (70  10)  7.17 105 Вт
Выразим из теплового баланса
tконд.кон.  tконд.нач. 
температуру конденсата на выходе из подогревателя:
Q
Gгр.п.  CH2O
(30)
Найдем недостающее значение CH2O при начальной температуре конденсата
t конд.нач  t гр.п.  1160 С по формуле 3б Приложения А:
сH2O  4223,6  2,476116 lg
116
Дж
 4242.113
100
кг  К
Следовательно температура конденсата на выходе из подогревателя по формуле (30)
равна:
t конд.кон.
Теплоносители
в
7.17 105
 116 
 37.386С
2.15  4242.113
подогревателе
будут
двигаться противотоком, что
расположенной ниже температурной схемы:
22
видно из
Рисунок 3 - Температурная схема движения теплоносителей в подогревателе
Значение средней движущей силы теплопередачи рассчитывается по
(24):
tб  tконд.нач  tнач  116  70  460С ;
t м  t конд.кон  tисх  30 10  200С ;
t ср 
46  20
 31.2150 С .
 46 
ln 
 20 
Принимая по таблице [2] ориентировочный коэффициент теплопередачи
K  1000
Вт
, рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи по
м2  К
формуле (12):
Fор 
Q
7.17 105

 22.97м2
Kор  tср 1000 31.215
Реальную площадь теплопередачи Fапп берем с запасом 20% (Fапп>Fор на 20 %):
Fапп =1,2· Fор =27.564 м2 .
Средние значения температур теплоносителей:
Раствора:
t ср. р. 
70  10
 40
2
23
Конденсата:
t конд.ср.  tср. р.  tср  40  31.215  71.2150 С
Выбираем теплообменник.
Таблица 2 - Некоторые основные параметры выбранного теплообменника
типа «труба в трубе»
Диаметр трубы, мм
Площадь проходного сечения, м2
Площадь
теплообмена
Внутри
теплообменной
кожуховой
В кольцевом
теплообменной
пространстве
трубы
159×6
219×6
м2
0,017
0,0138
4.45
Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формулам (21) и (22):
0
Воды при средней температуре раствора t ср. р.  45 С
0  0,59849 (43,252  40) 1,5423  6.535*104 Па с;
Раствора:
lg   lg( 6.535 104 )  (0.2142  6.58 103  40  1108  402 )  0,11  3.179
  103,179  6.622104 Па с .
0
Находим плотность раствора по формулам (6) и (5) при t ср. р.  40 С
Сначала определим плотность воды:
в  1000  0,062 40  0,00355 402  991.84
кг
.
м3
Плотность раствора  р определяем по формуле 1а приложения А при конечной
концентрации раствора x=0.08:
lg  p  lg 991.84  (0,273901 6.847  104  40  (2,2132 106 )  40 2 )  0,11  3,0292
 р  103,0292  1069.547
24
кг
м3
Найдем скорость потока раствора в теплообменной трубе по формуле (26):
wт р 
3
 0,165м / с
1069.547  0,017
Найдём значение критерия Рейнольдса для потока раствора в трубном пространстве
при d = 159 – (6*2) = 147 мм:
Re 
0.147  0.1651069.547
 43236
6 104
0
Находим плотность конденсата при его средней температуре t конд.ср.  71.215 С по
формуле (5):
в  1000  0,062 71.215  0,00355 72.2152  977.58
кг
.
м3
2
При S кольц  0,0138м рассчитаем wкольц по формуле (26) при Gгр.п.  2.15
wкольц 
кг
:
с
2.15
 0.159 м/с
977.58  0,0138
Найдем эквивалентный диаметр для поперечного сечения кольцевого пространства по
формуле (27)
  Dвн  dнар  3,14  0,207  3,14  0,159  1,15м
dэ 
4S 4  0,0138

 0,048м

1,15
0
Динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре t конд.ср.  71.215 С
найдем по формуле (21):
0  0,59849 (43,252  71.215) 1,5423  3,999104 Па с;
Критерий Рейнольдса для потока в кольцевом пространстве:
Reкольц 
0,160 0,048 975,75
 19739
3,999104
Значения критериев Рейнольдса в трубном и кольцевом пространствах показали, что везде
режим течения турбулентный, следовательно, этот аппарат подходит для наших целей.
Найдем
r
ст -
суммарное тепловое сопротивление стенки теплообменной трубы
25
rст  rзагр1 

1
0,006
1
м2  K
 rзагр2 


 7,79 104

4350 46,5 2380
Вт
Где rзагр1 и rзагр2 тепловые сопротивления загрязнения с двух сторон стенки,
стенки,
 -толщина
 -коэффициент теплопроводности стенки.
Теперь рассчитаем сколько выбранных элементов площадью Fэл=4,45 м2 необходимо
соединить, чтобы обеспечить площадь теплоотдачи Fапп =29.964 м2:
n
Fапп 29.9

 6.73
Fэл 4,45
Принимаем число элементов n=7
4.4. Расчет барометрического конденсатора.
Барометрический конденсатор смешения 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:
Gв 
W  (I б.к.  cв t кон )
,
cв (t кон  t нач )
(31)
где W - расход вторичного пара, кг/с;
I б.к. - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;
cв - теплоемкость воды, Дж (кг  К) .
tкон - конечная температура смеси воды и конденсата, 0C ;
tнач - начальная температура охлаждающей воды, 0C .
Найдем температуру пара на входе в барометрический конденсатор:
t 0  t1  t г.с.
Где tг.с. - понижение температуры из-за гидравлического сопротивления. Примем
tг.с. =1.5 0C . Отcюда:
t 0  87  1.5  85.5 0C
26
По [1] находим I б.к. при t0  85.50C :
I б.к.  2650103
Дж
кг
По заданию начальная температура воды t нач 50 C . Разность температур между
паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 К, поэтому принимаем
t кон  t0  4  82.50 C .
Найдём
удельную
теплоёмкость
воды
при
средней
температуре
воды
(формула (9)):
t ср.в 
10  82.5
 46.25 0C
2
 46.25 
Св  4223.6  2.476  46.25  lg
  4185 Дж/(кгК)
 100 
Подставим найденные величины в формулу (31)
3.102 (2650103  4185 82.5)
кг
 23.56
4185 (82.5  10)
с
Gв 
Диаметр барометрического конденсатора определяем по формуле 4.23 ( [3] стр
178) :
4 W
,
   
d б .к 
где
(32)
 - плотность паров, кг3 ;
м
 - скорость паров, м .
с
При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров  =15-25 м/с
[3]
Принимаем скорость потока из этого интервала:
 =20 м/с
Плотность паров  определяем по таблице свойств насыщенного пара [1] путем
интерполяции по формуле (10):
  0,3531
0,4229  0,3531
кг
 (86.5  85)  0,374 3
90  85
м
27
Рассчитаем диаметр барометрического конденсатора по формуле (32):
4  3.102
 0.741м
0,360 3,14  20
d б .к 
Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему
большему стандартному по [3]:
Барометрический конденсатор:
внутренний диаметр dб.к.=800 мм =0,8м
условный проход штуцера для барометрической трубы dб.т=200 мм=0,2м
Найдем скорость воды в барометрической трубе по формуле:
в 
где в - плотность воды,
4  (Gв  W )
,
в    dб2.т
(33)
кг
м3
Найдем плотность воды при конечной температуре t кон  81.50 C по формуле (5):
в  1000  0,062  82.5  0,00355 82.52  970.722
кг
м3
Тогда по формуле (33) :
в 
4  (23.56  3.975)
 0,903 м
2
с
970.722 3,14  0,2
Высоту трубы определяем по формуле [3] :
Н б.т. 

B
  в2
  0.5
 1   
в  g 
d бт  2g
(34)
где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;
 - сумма коэффициентов местных сопротивлений;
 - коэффициент трения в барометрическом конденсаторе;
0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.
0
Найдем давление в барометрическом конденсаторе зная температуру пара t 0  85,5 C
из [2]:
P0  0,062МПа
28
Вакуум в барометрическом конденсаторе равняется:
В  9,81 104 1  0,6199  3,724  104 Па
Сумма коэффициентов местных сопротивлений :
  
вх
 вых ,
(35)
где вх, вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.
  0,5  1  1,5
Коэффициент трения  зависит от режима течения жидкости.
Находим критерий Рейнольдса:
Re 
в  d т р   в
,
в
(36)
где в - динамический коэффициент вязкости воды, Па с
Определим динамический коэффициент вязкости воды при конечной температуре
смеси воды и конденсата t кон  81,50 С по формуле (22) приложения А
в  0,59849 (43,252  82,5) 1,5423  3,45 104 Па  с
По формуле (36) определим критерий Рейнольдса:
Re 
0,903 0,2  970,722
 5.08  105
4
3,45  10
По [1] находим, что при таком Re и для гладких труб 0,2 мм коэффициент трения
равняется тр  0,024
Подставляя найденные значения в формулу (62) получаем:
Н б.т. 
3,724  104 
0,024  0,632
 1  1,5 
 0.5

970,722  9,8 
0,2  2  9,8
Нб.т. =4,46м
29
4.5. Расчет производительности вакуум-насоса.
Производительность
вакуум-насоса
Gвозд определяется количеством газа
(воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора. Находим
по [3]:
Gвозд  2,5 105 (W  Gв )  0,01W ,
(37)
где 2,5  105 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;
0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через не плотности, на 1 кг
паров.
Тогда: Gвозд  2,5  105 (3.102  17.16)  0,01 3.102  0,032
кг
с
Объемная производительность вакуум-насоса равна [3] :
Vвозд 
R(273 tвозд)Gвозд
,
M воздPвозд
(38)
где R - универсальная газовая постоянная R = 8,31 Дж /( моль К ) ;
М возд- молекулярная масса воздуха M = 0,029 кг/моль;
tвозд- температура воздуха, 0C ;
Pвозд- парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:
tвозд  t нач  4  0,1(t кон  t нач ) ;
(39)
tвозд  15  4  0,1(81.5 15)  25.650 C .
Давление воздуха равно:
Pвозд  P0  Pп ,
(40)
где Pп - давление сухого насыщенного пара при tвозд  21.550 C , которое находим
интерполируя данные таблицы свойств насыщенного пара из [2]:
Pп  0,0323
0,0433 0,0323
кг
 (21.55  20)  0,034 3
25  20
м
30
Рассчитаем давление воздуха по формуле (40):
Pвозд  (0,6199  0,034)  9,81103  5.747 104 Па
Объемная производительность вакуум-насоса по формуле (38) равна:
Vвозд 
8,31 (273  21.25)  0,032
м3
м3

0
,
047

2
.
82
с
мин
0,029 5.747 104
Зная объемную производительность Vвозд =2.82 м3/мин и остаточное давление
P0 =0,06 МПа по [4]выбираем водокольцевой вакуум-насос ВВН-3 мощностью 6,5 кВт
и производительностью 3 м3/мин.
5. Выводы по проекту
Для осуществления процесса выпаривания раствора KNO 3 выбраны следующие
аппараты :
1. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип
1, исполнение 2) с площадью теплообмена 250 м2
2.
Для
охлаждения
концентрированного
раствора
используется
цепь
из
2
теплообменных аппаратов типа «труба в трубе», каждый с площадью теплообмена
0,302 м2
3. Для подогрева исходного раствора используется комплекс из теплообменных
аппаратов типа «труба в трубе», каждый с площадью теплообмена 4,45 м2
4.
Для
создания
вакуума
в
сепараторе
выпарного
аппарата
используются
барометрический конденсатор диаметром 800 мм и длинной трубы 4.46м и
водокольцевой вакуум-насос ВВН-3 мощностью 6.5 кВт и производительностью 3
м3/мин.
На основе выбранных аппаратов представлена технологическая схема процесса
выпаривания.
31
Список использованной литературы
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов
химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.- корр. АН СССР П. Г. Романкова.
- 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987.
2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И «Основные процессы и аппараты
химической технологии: Пособие по проектированию./Под редакцией
Дытнерского Ю. И., 4-е
изд., стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2008-496 с.
3. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие
справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. – Л.: 1989.
4. Марков А.В., Маркова А.В. Неразборные теплообменники «труба в трубе»
(конструкции и основные размеры): Метод. указания /СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2001.30 с.
32
Документ
Категория
Техника
Просмотров
75
Размер файла
1 014 Кб
Теги
работа, курсовая
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа