Ректификационная установка непрерывного действия для разделения 4,5 т/ч смеси натрий-хлор

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Политехнический институт

Кафедра «Технологические системы пищевых

и перерабатывающих производств»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Процессы и аппараты пищевых производств»

на тему:

«Ректификационная установка непрерывного действия

для разделения 4,5 т/ч смеси натрий-хлор»

Выполнила: ст. гр. Б661111

Мусаева Ю.А

Проверил: к.т.н., доц. каф. ТСПиПП Морозов В.Б.

Тула 2013



Содержание

Введение

1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

2.1 Первое приближение

2.1.1 Производительность установки по выпариваемой воде

2.1.2 Расчёт концентраций упариваемого раствора

2.1.3 Определение температур кипения растворов

2.1.4 Полезные разности температур по корпусам

2.1.5 Определение тепловых нагрузок

2.1.6 Выбор конструкционного материала

2.1.7 Расчёт коэффициентов теплопередачи

2.1.8 Распределение полезной разности температур

2.1.9 Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов

3. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫПАРНОГО АППАРАТА

3.1 Расчёт толщины трубной решётки

3.2 Расчёт толщины обечайки

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

5. РАСЧЁТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА

6. РАСЧЁТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА

Список литературы



Введение

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара - некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар. который называют греющим, или первичным.

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар. или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

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

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные

затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.

Вторичной пар, отбираемый на сторону, называют экстр паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т.е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. Выше было показано, что в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпусной выпарной установке Как указывалось, принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 6.1.

Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.

Рис. 6.1. Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка:

1-3 - корпуса установки; 4 - подогреватель исходного раствора;

5 - барометрический конденсатор; 6 - ловушка; 7 - вакуум-насос

Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.

Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.

Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку - брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур греющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, давление вторичного пара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно.

Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением.



1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Спроектировать трёхкорпусную выпарную установку для концентрирования т/ч, (1,25 кг/с) водного раствора NaCl от начальной концентрации % до конечной концентрации % [10].

1. Обогрев производится водяным паром давлением . ( Па)

2. Давление в барометрическом конденсаторе . ( Па).

3. Тип выпарного аппарата: с принудительной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и вынесенной зоной кипения

4. Взаимное направление пара и раствора: прямоток.

5. Отбор экстра-пара не производится.

6. Раствор поступает в первый корпус подогретым до температуры кипения.



2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Расчёт многокорпусных выпарных установок проводят методом последовательных приближений.

2.1 Первое приближение

2.1.1 Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнений материального баланса:

.

2.1.2 Расчёт концентраций упариваемого раствора

Принимают, что производительность каждого корпуса по выпариваемой воде определяется соотношением (такое распределение на основании практических данных). Тогда

,

,

.

Рассчитывают концентрации раствора по корпусам:

(7,5 %),

(9,8 %),

(14,7 %).

соответствует заданной концентрации упаренного раствора .

2.1.3 Определение температур кипения растворов

В первом приближении общий перепад давлений в установке распределяют по корпусам поровну. Общий перепад давлений равен:

.

Тогда давление по корпусам равны:

,

,

.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

.

Это соответствует заданной величине .

По давлению паров находим [19] их температуры и энтальпии по табл. 6.2

При определении температуры кипения растворах в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией соответствуют модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора - при конечной концентрации.

Таблица 6.2

Значения температуры и энтальпии по величине давления

Давление, Па	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг

По высоте кипятильных труб происходит изменение температуры кипения вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Принимают температуру кипения в корпусе соответствующую температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной () гидростатической () и гидродинамической депрессий ().

Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления паром на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают равной градуса на корпус. Примем для каждого корпуса по , тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:

,

,

.

Сумма температурных потерь вследствие гидродинамических депрессий:

.

По температурам вторичных паров определим их давления из табл. 6.3.

Определение гидростатической депрессии. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:

,

где - давление вторичного пара в корпусе. Па; Н - высота кипятильных труб в аппарате, м; р - плотность кипящего раствора,; е - паронаполнение (объёмная доля пара в парожидкостной смеси), .

Таблица 6.3

Значение давления по температуре

Температура, °С	Давление, Па



Для выбора величины Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. Можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией раствора , аппаратов с принудительной циркуляцией раствора в корпусах . Примем , тогда для 1-го корпуса ориентировочная поверхность будет равна:

,

где - теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТ [6] (см. прил. 7) аппарата с принудительной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и вынесенной зоной кипения (Тип 4) имеют высоту кипятильных труб 5, 6 и 7 м при диаметре труб мм и толщине стенки 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 6 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет . Примем . Плотность водных растворов NaCl [31] (см. прил. 8) по корпусам при равна:

,

,

.

При определении плотности раствора в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры от 15 до температуры кипения в связи с малым значением коэффициента объёмного расширения и ориентировочным значением величины .

Давление в среднем слое кипятильных труб по корпусам равно:

,

,

.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [19], табл. 6.4.

Таблица 6.4

Определение температуры и теплоты испарения по значению давления

Давление, Па	Температура, °С	Теплота испарения, кДж/кг

Гидростатическая депрессия по корпусам:

,

,

.

Сумма гидростатических депрессий равна:

.

Температурная депрессия определяется по уравнению

,

где Т - температура паров в среднем слое кипятильных труб, К, - теплота испарения, кДж/кг, - температурная депрессия при атмосферном давлении [22] (см. прил. 9).

Тогда температурная депрессия по корпусам равна

,

,

.

Сумма температурных депрессий равна:

.

Температуры кипения раствора по корпусам

,

,

.

2.1.4 Полезные разности температур по корпусам

,

,

.

Суммарная полезная разность температур:

.

Проверка суммарной полезной разности температур:

2.1.5 Определение тепловых нагрузок

Совместным решением уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения балансов по воде для всей установки определяем расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам.

,

,

где , , - тепловые нагрузки по корпусам, кВт; D - расход греющего пара в 1-ый корпус, кг/с; 1,03 - коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду; , , - энтальпии греющих паров по корпусам кДж/кг; , , , - энтальпии вторичных паров по корпус кДж/кг; при решении уравнения баланса можно принимать, что ; ; ; , , , - энтальпии конденсата по корпусам, кДж/кг; - теплоёмкость воды ; ,, - теплоёмкость раствора начальной концентрации в первом корпусе и втором корпусе, соответственно, [31]; , , - теплота концентрирования по корпусам, кВт; - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе, °С.

,

где - температурная депрессия для исходного раствора.

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры [5] показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому проведём расчёт теплоты концентрирования для 3-го корпуса.

,

где - производительность аппарата по сухому веществу NaCl, кг/с; - разность интегральных теплот растворения при концентрациях и , кДж/кг.

Сравним с ориентировочной нагрузкой для 3-го корпуса :

составляет значительно меньше 3 % от поэтому в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной .

.

Решение системы уравнений даёт следующие результаты:

;

; ,

; ,

; .

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых ( , , ) не превышает 3 %, поэтому в дальнейших расчётах не производим пересчёт концентраций и температур кипения растворов по корпусам.

Таблица 6.5

Параметры растворов и паров по корпусам

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус
1	Производительность по упариваемой воде, W, кг/с.	0,23	0,24	0,26
2	Концентрация растворов, Х, %	7,5	9,8	14,7
3	Давление греющих паров, , Па	29,42•104	22,23•104	15,04•104
4	Температура греющих паров, ,	132,9	123,2	111,3
5	Температурные потери, , град.	6,03	8,83	12,63
б	Температура кипения раствора, ,	129,27	120,13	105,63
7	Полезная разность температур, град.	3,63	3,07	5,67

2.1.6 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaCl в интервале изменения концентраций от 5 до 15 % [9]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17, имеющая скорость коррозии менее 0,1 мм в год, коэффициент теплопроводности .

2.1.7 Расчёт коэффициентов теплопередачи

Расчёт коэффициента теплопередачи в первом корпусе.

.

Примем, что суммарное термическое сопротивление стенки и накипи равно , при этом не учитывается термическое сопротивление загрязнений со стороны пара.

.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке [19] равен

.

где - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; , , - плотность (), теплопроводность (), вязкость (Па) конденсата при средней температуре плёнки, соответственно, , - разность температур конденсации пара и стенки, град. Расчёт ведут методом последовательных приближений.

1-ое приближение

Примем - , тогда проверяем правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо:

,

где q - удельная тепловая нагрузка, ; - перепад температур на стенке, град; - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Рис. 6.2. Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору

1 - пар, 2 - конденсат, 3 - стенка , 4 - накипь, 5 - кипящий раствор

.

Тогда

.

ректификационная установка выпарная решетка

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для режима пузырькового кипения в вертикальных пузырьковых трубках при условии естественной циркуляции раствора [4] равен:

,

.

Как видно

Таблица 6.6

Физические свойства кипящих растворов и паров по корпусам

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус	Литература
1	Теплопроводность раствора, , Вт/м К	0,57	0,56	0,55	[9]
2	Плотность раствора, ,	1053	1070	1107	[31]
3	Теплоёмкость раствора, С, Вт/кг К	3814	3725	3564	[31]
4	Вязкость раствора, , Па с				[31]
5	Поверхностное натяжение, , Н/м	0,058	0,066	0,099	[35, 32]
6	Теплота парообразования, , Дж/кг				[19]
7	Плотность пара, ,	1,23	0,86	0,47	[19]
8	Плотность пара при 1 атм., ,	0,579	0,579	0,579	[19]

2-е приближение

Примем - , тогда

,

,

,

,

,

,

.

3-е приближение

Строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от принятой разности температур (рис. 6.3).

,

,

,

,

,

,

.

Если расхождение тепловых нагрузок не превышает 3 %, то на этом расчёт коэффициентов и заканчивают.

.

Расчёт коэффициента теплопередачи во 2-м м корпусе

,

,

,

,

,

.

.

Расчёт коэффициента теплопередачи в 3-м корпусе

,

,

,

,

,

,

.

Коэффициент теплоотдачи при кипении в плёночных выпарных аппаратах рекомендуется [11] определять по уравнению

,

где - теплопроводность кипящего раствора, ; - температура вторичного пара, °С; q - тепловая нагрузка, которая в расчёте принимается равной , ; - толщина плёнки [м], рассчитываемая по уравнению:

,

где - кинематическая вязкость раствора, ; - ускорение свободного падения .

,

где - вязкость кипящего раствора, ; Г - линейная массовая плотность орошения, рассчитываемая по уравнению , ; - расход раствора, поступающего в j-й корпус, кг/с; П - смоченный периметр, м, ;

Значения коэффициентов и показателей степеней:

при , , , ;

, , , .

В аппаратах с вынесенной зоной кипения, а также в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечиваются высокие скорости движения растворов в трубках греющей камеры и как следствие этого, устойчивый турбулентный режим течения. Поэтому для вычисления коэффициентов теплоотдачи со стороны жидкости используется эмпирическое уравнение [4]:

.

Значения физических свойств, входящих в критерии подобия, находят при средней температуре потока, равной:

.

2.1.8 Распределение полезной разности температур

Распределение полезной разности температур по корпусам проводим из условия равенства поверхностей теплопередачи в аппаратах установки.

.

где , , - полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

,

.

Проверка суммарной полезной разности температур установки:

.

2.1.9 Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов

;

,

,

.

Найденные значения поверхности теплопередачи выпарных аппаратов отличаются незначительно от ориентировочно определённой ранее (табл. 6.7) . Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высота, диаметр и число труб).

Таблица 6.7

Сравнение распределённых и рассчитанных значений полезных разностей температур

Корпуса	1	2	3
Распределённые в 1-ом приближении	4,22	3,82	4,43
Рассчитанные	3,63	3,07	5,67

Как видно из табл. 6.7 рассчитанные полезные разности температур (из условия равного перепада давления в корпусах) и распределённые в 1-ом приближении (из условия равенства поверхности теплопередачи в корпусах) существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределять температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) кладут полезные разности температур найденные по результатам распределения общей полезной разности из условия равенства поверхностей теплопередачи.

2.2 Второе приближение

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с первым приближением происходит только в 1 и 2 корпусах, где суммарные температурные потери незначительны, во втором приближении принимаем значения , и для каждого корпуса такими же, как и в первом приближении (см. рис. 6.8).



Таблица 6.8

Параметры растворов и паров по корпусам

№	Параметры	1 корпус	2 корпус	3 корпус
1	Производительность по выпаренной воде, W, кг/с	0,23	0,24	0,26
2	Концентрация растворов X, %	7,5	9,8	14,7
3	Температура пара, греющего 1 корпус , °С	132,9	-	-
4	Полезная разность температур , °C	4,22	3,82	4,43
5	Температура кипения раствора, , °C	128,68	119,38	106,87
6	Температура вторичного пара раствора, , °C	123,61	111,55	95,24
7	Давление вторичного пара ,Па
8	Температура греющего паpa, , °C	-	123,2	111,3

,

,

.

2.2.1 Расчёт коэффициентов теплопередачи

Расчёты, выполненные методом, описанным выше, приводят к следующим результатам:

,

,

.

2.2.2 Распределение полезной разности температур

,

.

Проверка суммарной полезной разности температур установки:

.

Результаты сведём в табл. 6.9

Таблица 6.9

Сравнение полезных разностей температур

Корпуса	1	2	3
Распределённые во 2-ом приближении	4,07	3,7	4,6
Распределённые в 1-ом приближении	4,22	3,82	4,43

Различия в полезных разностях температур по корпусам из 1-ого и 2-го приближения не превышают 5 %. В случае, если это различие более 5%, необходимо выполнить следующее, 3-е приближение, в основу расчёта которого принять tn по корпусам для 2-го приближения, и так далее до совпадения полезных разностей температур.

2.2.4 Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов

,

,

.

По каталогу [10] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками.

Номинальная поверхность теплообмена .

Действительная поверхность теплообмена .

Диаметр труб мм.

Высота труб мм.

Диаметр греющей камеры мм.

Диаметр сепараторов мм.

Общая высота аппарата мм.

Масса аппарата кг.



3. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫПАРНОГО АППАРАТА

3.1 Расчёт толщины трубной решётки

Толщина трубной решётки (плиты) h определяется по уравнению [1]

,

где - диаметр греющей камеры, м; - расчётное давление в 1-ом корпусе, равное разности

, м;

- допускаемое напряжение материала трубной решётки, , [33]; - коэффициент ослабления трубной плиты отверстиями,

,

- сумма диаметров отверстий в трубной плите [м] на диаметре ,

,

где - шаг разбивки отверстий по ГОСТ [2]; - наружный диаметр труб, м.

,

,

.

Следовательно

м.

Принимаем толщину трубной решётки 40 мм.

3.2 Расчёт толщины обечайки

Толщина обечайки определяется по уравнению [1]:

,

где - давление греющего пара 1-го корпуса, ; - коэффициент прочности сварного шва, равный ; - поправка на коррозию, принимаемая мм в зависимости от скорости коррозии материала обечайки, м.

м.

Принимаем толщину обечайки 10 мм.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Толщина тепловой изоляции находится из равенства удельный тепловых потоков через слой изоляции и в окружающую среду для 1 -го корпуса:

,

где - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, , [7].

,

где - температура изоляции со стороны воздуха, принимаемая равной ; - температура изоляции со стороны аппарата. Ввиду незначительного термического сопротивления стенка аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции принимают равной температуре греющего пара ; - температура окружающей среды, ; - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, .

Толщина тепловой изоляции равна:

м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 40 мм.



5. РАСЧЁТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА

Для создания вакуума в выпарных установках применяют обычно конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаётся в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 ). Смесь охлаждающей воды и конденсата выпивается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума из конденсатора с помощью вакуум - насоса откачиваются неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры барометрического конденсатора (диаметр и высота) и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

Определение расхода охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды определяется из теплового баланса конденсатора:

,

где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, ; - теплоёмкость воды, ; -начальная температура охлаждающей воды, ; -конечная температура смеси воды и конденсата, .

Движущая сила теплопередачи на выходе из конденсатора должна быть , поэтому конечную температуру на выходе из конденсатора принимают на градусов ниже, чем температура конденсации паров.

,

.

Расчёт диаметра барометрического конденсатора

,

где - плотность паров в барометрическом конденсаторе, ; -скорость паров в барометрическом конденсаторе, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе Па скорость паров принимают м/с.

м.

По нормали НИИХИММАШ (см. прил. 10) подбираем ближайший больший расчётного диаметра конденсатор и определяем его размеры.

Выбираем барометрический конденсатор с мм.

Расчёт высоты барометрической трубы

В соответствии с нормалями [7] внутренний диаметр барометрической трубы равен мм.

Скорость воды в барометрической трубе равна



.

Высота барометрической трубы определяется из уравнения:

,

где - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; - сумма коэффициентов местных сопротивлений; коэффициент трения в трубе; - коэффициент трения в трубе; - плотность воды, , , - высота и диаметр барометрического давления, м, 0,5 - запас высоты на изменение барометрического давления.

Па.

.

Определим режим движения воды в барометрической трубе:

,

(для гладких труб).

.

Откуда м.



6. РАСЧЁТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА

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

,

где 0,025 - количество неконденсирующихся газов [кг/с], выделяющихся на 1000 кг воды; 10 - количество газов [кг/с], подсасываемых через неплотности в конденсатор на каждые 1000 кг паров.

кг/с.

Объёмная производительность вакуум-насоса равна:

,

где R - газовая постоянная, ; - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; -- температура воздуха, ; - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температура воздуха рассчитывается по уравнению:

.

Давление воздуха равно

,

где - давление сухого насыщенного пара при ,

Па.

Тогда

(16,8 ).

По ГОСТ [12, 13] (см. прил. 11) подбираем по объёмной производительности и остаточному давлению вакуум-насос типа ВВН-25 с мощностью на валу вакуум-насоса кВт.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Альперт Л.В. Основы проектирования химических установок. М.: Высшая школа, 1976. 272 с.

2.Аналитический обзор международных тенденций развития выс-шего образования № 4 (июль - декабрь 2002 г.): центр проблем развития образования Белорусского государственного университета. URL: www.charko.narod.ru (дата обращения 01.06.2011).

3.Васин В.М. Процессы и аппараты: непрерывное смешивание сыпучих материалов : учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. 88 с.

4.Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчёты. Л.: Химия, 1977. 360 с.

5.Воробьёва Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. 2-е изд. M.: Химия, 1975, 816 с.

6.ГОСТ 11987-73. Аппараты выпарные трубчатые. URL: http://metal-forming.ru/index.php/tehob/49-viparnie-apparati (дата обращение 12.02.2011).

7.ГОСТ 1867-57 Вакуум-насосы низкого давления.

8.Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Колос, 2000. 551 с.

9.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд., М.: Химия, 1973. 750 с.

10.Каталог УКРНИИХИММАШ. Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. M.: ЦИНТПХИМ-НЕФТЕМАШ, 1972. 38 с.

11.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчёты химической аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1970. 752 с.

12.Лекае В.М., Елкин Л.Н. Методические указания по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии. М.: МХТИ, 1977. 84 с.

13.Методическое пособие по расчёту трёхкорпусной выпарной уста-новки по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств», «Процессы и аппараты химических технологий» / А.Г. Хантургаев [и др.]: методическое пособие. Улан-Удэ: ИПЦ ВСГТУ, 2006. 57 с.

14.Морозов В.Б. Инновационная педагогическая методика преподавания студентам технических специальностей // Молодёжный вестник политехнического института: сб. статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 24-26.

15.Морозов В.Б. Компетентностный подход в методологии техниче-ского образования // Молодёжный вестник Политехнического института: сб. статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 21-23.

16.Морозов В.Б. Обеспечение воспитания молодёжи в регламентиро-ванном преподавании технических дисциплин в вузе // Проблемы правового образования и воспитания молодёжи: сб. статей. Тула: «Папирус», 2009. С. 19-23.

17.Нестерова Е.Н., Морозов В.Б. Компетентностный подход к методике преподавания технической дисциплины «Процесссы и аппараты пищевых производств» // Молодёжный вестник политехнического института: сб. статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 27-29.

18.Организация самостоятельной работы студентов. URL: bestref.ru (дата обращения 02.07.2011).

19.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л. Химия, 1976, 552 с.

20.Плаксин Ю.М., Малахов Н.Н., Ларин В.А. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Колос, 2008. 760 с.

21.Положение о научно-исследовательской работе студентов (НИРС) высших учебных заведений. URL: http://www.msta.ac.ru/web2/naukan/nirs/common. aspx. (дата обращения 21.06.2011).

22.Порядок представления и правила оформления рукописей статей для публикации в научных периодических изданиях «Известия Тульского государственного университета». Серии: Технические науки. Гуманитарные науки. Экономические и юридические науки: Утверждено редакционным советом научного издания «Известия ТулГУ» (протокол № 4 от 10.12.2008 г.).

23.Процессы и аппараты пищевых производств : учебник / В.И. Горбатюк; под ред. Г.А. Гусева . М. : Колос, 2000. 335 с.

24.Процессы и аппараты пищевых производств : учебник для вузов: в 2 кн. Кн. 2 / А.Н. Остриков [и др.]; под ред. А.Н. Острикова. СПб.: ГИОРД, 2007. 608 с.

25.Самостоятельная работа как средство организации деятельности студента на занятии. URL: library.fentu.ru/book/gumi/26/Metod/viii.html (дата обращения 15.05.2011).

26.Самостоятельная работа студентов: метод. указания / сост. А.С. Зенкин [и др.]. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. 35 с.

27.Сосков В.Б. Научная и академическая оценка актуальности, сути и проблем инновационной деятельности России // «Инженерное образование». Вып. 5. 2009. С. 92-97. URL.: http://aeer.tomsk.ru/winn/magazine/m5/art_13.pdf.

28.Сосков В.Б. Популяризация науки // Импульс. 2008. № 3 (9). С. 13.

29.Сосков В.Б., Воротынцев А.Ю. Реализация воспитательной функ-ции в преподавании технических дисциплин // Педагогическое мастерство: проблемы, поиски, решения; сб. материалов преподавателей Тульского госу-дарственного университета, получивших диплом «Преподаватель высшей школы»; под ред. д-ра пед. наук, проф. В.М Петровичева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. Вып. 4. С. 98-100.

30.Сосков В.Б.Методика преподавания специальных дисциплин в условиях профессионально-ориентированного обучения // Вузовская наука. Традиции. Новации. Перспективы: межвузовский сборник научных статей. Тула: АНОВОПО «ИЭУ», 2007. С. 206-210.

31.Справочник химика. Т. III, 1962.; Т. V, М-Л.: Химия, 1966. 974 с.

32.Тананайко Ю.М., Воронцов Е.Г. Методы расчёта и исследования плёночных процессов. Киев: Техника, 1975. 312 с.

33.Теплотехнический справочник. Т 2. М.: Энергия, 1972, 896 с.

34.Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 151000 Технологические машины и оборудование (квалификация (степень) «бакалавр»): утверждён Приказом Министерства образования и науки Рос. Федерации от 9 ноября 2009 г. № 556.

35.Чернышов А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номо-грамм для химико-технологических расчётов. Л.: Химия, 1974. 200 с.

Размещено на Allbest.ru