Проектирование однокорпусной вакуум-выпарной установки для выпаривания 5-процентного раствора Na2CO3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт

(Технический университет)

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Пояснительная записка

к курсовому проекту по процессам и аппаратам на тему:

Проектирование однокорпусной вакуум-выпарной установки для выпаривания 5 % раствора Na₂CO₃

ПРОЕКТИРОВАЛ СТУДЕНТ 163 группы

Зыков А. В.

РУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА

Фомин В.В.

Санкт-Петербург 2011

Оглавление

Введение

1. Аналитический обзор

2. Технологическая часть

3. Расчёт выпарного аппарата

4. Расчёт подогревателя исходного раствора

5. Расчёт холодильника упаренного раствора

6. Расчёт барометрического конденсатора

7. Расчет производительности вакуум-насоса

8. Расчет трубопроводов для растворов

Выводы по курсовому проекту

Приложения

Список литературы

Введение

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде. 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.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

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.

Выпаривание может проводится под вакуумом, избыточным давлением и под атмосферным давлением. При выпаривании под вакуумом существуют несколько преимуществ:

Понижение температуры кипения раствора;

Увеличивается движущая сила процесса;

Возможно использования греющего пара более низкого давления;

Недостатки выпаривания под вакуумом:

Вакуумная выпарная установка должна содержать дополнительное оборудование: барометрический конденсатор, вакуум-насос, вакуумсборники.

В этом курсовом проекте используется выпарная установка, работающая под вакуумом. Для создания вакуума в выпарной установке обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаются чаще всего при температуре охлаждающей среды (около 20С). 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.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м² в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. В этом аппарате циркуляция раствора осуществляется за счет различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

Высота парового пространства должна обеспечивать сепарацию из пара капелек жидкости, выбрасываемых из кипятильных труб.

Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

В таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом плотность раствора в выносной циркуляционной трубе больше, чем в циркуляционных трубах, размещенных в греющих камерах, что обеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности нагрева.

1. Аналитический обзор

Устройство выпарных аппаратов

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов), по её расположению в пространстве (аппараты с горизонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией.

Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.

В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.

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. Как будет показано ниже, развитие конструкции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможно путём увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси в подъёмной части контура. Это достигается посредствам:

увеличения высоты кипятильных (подъёмных) труб и повышения интенсивности парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной 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 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 камерой /Приложение 2/, имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две нагревательные камеры.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу раствора производят так, как указано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1.5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередачи аппараты такого типа получили широкое распространение.

В некоторых конструкциях аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному в /Приложение 2/, у которого удалена циркуляционная труба.

В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т. е. Аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизирующихся растворов.

Области применения выпарных аппаратов

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~810^-3 Пас, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка ~0.1 Пас, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже - в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

2. Технологическая часть

Описание технологической схемы

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор Na₂CO₃ под вакуумом.

Исходный раствор Na₂CO₃ Р1 из емкости Е1 подается центробежным насосом Н1 в теплообменник АТ1, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, подогревается вторичным паром, который поступает в верхнюю часть теплообменника. Пар, сконденсировавшийся в межтрубном пространстве теплообменника, выводится из нижней части теплообменника с помощью конденсатоотводчика КО1. Теплообменник Т1 работает под избыточным давлением. Затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата АВ. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическим конденсатором КБ и вакуум-насосом НВ. В барометрическом конденсаторе КБ вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар - снизу, вода - сверху). Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по барометрической трубе. Конденсат греющих паров из выпарного аппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчика КО2. Вакуум в системе поддерживается вакуум-насосом, который установлен ниже конденсатора и присоединяется к конденсатору в верхней его части.

Концентрированный раствор Na₂CO₃ после выпарного аппарата подается в одноходовой холодильник АТ2, где охлаждается до определённой температуры. Концентрированный раствор охлаждается холодной водой. Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора Е2. После чего идёт далее на производство.

3. Расчёт выпарного аппарата

Материальный баланс процесса выпаривания

Основные уравнения материального баланса:

(1)

(2)

где - массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

х_нач, х_кон - массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W - массовый расход выпариваемой воды, кг/с:

(3)

(4)



	Обозначение	Численное значение, кг/с	Содержание соли, масс. доли
Исходный раствор	Gнач.	5.555	0.06
Упаренный раствор	Gкон.	1,449	0.23
Вторичный пар	W	4,106	-

Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы

Определение температуры парового пространства сепаратора и температуры кипения раствора в сепараторе, t₁, t_кон

По давлению в сепараторе P₁=0,4 атм (3.921*10⁴ Па) найдем температуру вторичного пара над кипящим раствором t₁ [2], табл. LVII

По давлению в сепараторе мы можем найти температуру кипения раствора в верхних слоях t_кон, С (Приложение 1 п.5)

Определим температуру и давление в барометрическом конденсаторе t₀, P₀

Температура в барометрическом конденсаторе t₀, С

t₀= t₁ - ``` (5)

Зададимся значением гидродинамической депрессии из промежутка 1.0-1.5 С:

```<sub>.</sub>=1 K

t<sub>0</sub>= 75.4 - 1= 74.4 С

По температуре в барометрическом конденсаторе мы можем найти давление в барометрическом конденсаторе P<sub>0</sub>, атм. [2], табл. LVI

Определение давления и температуры в среднем слое кипящего раствора Р<sub>ср</sub>, t<sub>ср</sub> и тмпературы кипения в аппарате t<sub>кип</sub>

Для нахождения давления в выпарном аппарате найдем Н<sub>опт</sub> , м.

Н<sub>опт</sub>=(0.26+0.0014(<sub>р</sub>-<sub>в</sub>))Н<sub>тр</sub> (6)

Где (<sub>р</sub>-<sub>в</sub>) - разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения, если температуре кипения неизвестна то можно взять при t=20С [2], с.252

Н<sub>тр</sub> - рабочая высота труб, м

Плотность раствора <sub>р</sub>, и воды <sub>в</sub> при температуре t=20 С, и концентрации X<sub>кон</sub> (Приложение 1, п.1)

Примем Н<sub>тр</sub>=5 м, тогда

Н<sub>опт</sub>=(0.26+0.0014(1.25210<sup>3</sup>-997.34))5=3,081 м (7)

Находим давление в среднем слое кипящего раствора P<sub>ср</sub>, Па

, (8)

где - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе). При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет

Найдем температуру кипения раствора в среднем слое кипящего раствора t<sub>ср,</sub> С:

Определим гидростатическую депрессию:

``= t<sub>ср</sub> - t<sub>1</sub> (9)

``= 82,34 - 75,4 = 6,94 K

Температурную депрессию найдем по формуле:

, (10)

где - температурная депрессия при атмосферном давлении [3], приложение 4,5

Сумма температурных депрессий:

(11)

Температура кипения раствора в корпусе равна:

(12)



Определение давления и температуры в греющего пара Р<sub>гр.п</sub>, t<sub>гр.п</sub>

Найдём температуру греющего пара t<sub>гр.п</sub> С:

t<sub>конд.гр.п.</sub>= t<sub>полезн.</sub>+ t<sub>0</sub> + (13)

Зададимся полезной разностью температур t<sub>полезн.</sub> 25 С

t<sub>полезн.</sub>= 20 С

t<sub>конд.гр.п.</sub>= 20 +74.4 + 10.28 = 104.68 С

По температуре греющего пара t<sub>гр.п</sub>=104.68С найдём давление насыщенного пара p<sub>гр.п</sub> [2], табл. LVI/

P<sub>конд.гр.п</sub> = 1.219 ат

Таблица 1. Давление и температура в основных узлах аппарата

Барометрический конденсатор	P0 = 0.384 ат.	t0 = 74.40 0С
Паровое пространство сепаратора	P1 = 0.400 ат.	t1 = 75.40 0С
Кипение раствора в сепараторе	P1 = 0.400 ат.	tкон = 76.05 0С
Кипение в среднем слое кипящего раствора	Pср = 0.572 ат.	tср = 82,34 0С
Температура кипения раствора в корпусе		tкип = 84,68 0С
Греющий пар	Pгр.п = 1.219 ат.	tгр.п = 104,680С
Разбавленный раствор (поступающий в выпарной аппарат)		tнач = 74,05 0С

Тепловой баланс выпарного аппарата

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

(14)

гд - расход теплоты на выпаривание, Вт;

- расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

- расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

- расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Q<sub>пот</sub> при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (+ ) [2], с 247. Следовательно:

(15)

Температуру исходного раствора t<sub>нач</sub>, поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 2С меньше t<sub>кип</sub>:

t<sub>нач</sub> = t<sub>кон</sub>-2 (16)

t<sub>нач</sub> = 76,05 - 2 = 74,05 С

Расход теплоты на нагрев:

Q<sub>нагр</sub>= G<sub>нач</sub>с<sub>нач</sub>(t<sub>кип</sub>-t<sub>нач</sub>) (17)

где G<sub>нач</sub> - производительность по разбавленному раствору

с<sub>нач</sub> - удельная теплоёмкость раствора при t<sub>нач</sub> и начальной концентрации Х<sub>нач</sub> , Дж/(кгК) (Приложение 1, п.3)

Q<sub>нагр</sub>= 5,5553,992*10<sup>3</sup> (76,05-74,05)=4,43610<sup>4</sup> Вт

Расход теплоты на испарение:

Q<sub>исп</sub>=W(i<sub>вт.п</sub> - с<sub>в</sub>t<sub>кон</sub>) (18)

гдеi<sub>вт.п</sub> - удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t<sub>кон</sub>, из таблицы [2], табл.LVI, кДж/кг;

с<sub>в</sub> - удельная теплоёмкость воды при t<sub>кон</sub>, (Приложение 1, п.3) Дж/(кгК)

i<sub>вт.п</sub> =2638 кДж/кг,

с<sub>в</sub>=4201 Дж/(кгК)

Q<sub>исп</sub>=4,106(263810<sup>3</sup> - 420176,05)=9,5210<sup>6</sup> Вт

Q = 1.05(Q<sub>нагр</sub>+ Q<sub>исп</sub>)

Q=1.05(4.43610<sup>4</sup>+9,5210<sup>6</sup>) = 1,00410<sup>7</sup> Вт

Определим удельный расход пара на выпаривание по формуле:

(19)

где G<sub>грп</sub> - расход греющего пара.

Определим расход греющего пара:

r<sub>грп</sub>=2248,8 кДж/кг ([2] табл. LVI при температуре конденсации греющего пара)

кг/с

Тогда удельный расход греющего пара:

кг<sub>гр.п</sub>/кг<sub>исп.влаги</sub>

Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

Q=KFt<sub>полезн.</sub> (20)

где К - коэффициент теплопередачи Вт/(м<sup>2</sup>К)

F - площадь поверхности теплообмена, м<sup>2</sup>;

Коэффициент теплопередачи примем ориентировочно: [2], таблица 4.8

Найдем площадь поверхности теплообмена:

Выбор выпарного аппарата по каталогу

Произведём выбор аппарата по ГОСТ 11987-81. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

F<sub>в.ап.</sub>=1.1F, (21)

Где F<sub>в.ап.</sub> - площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м<sup>2</sup>;

F<sub>в.ап.</sub>=1.1502,15=552,4м<sup>2</sup>

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией, кипением в трубах и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи м<sup>2</sup>

Таблица 2. Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 11987-81)

F, м2	D, мм не менее	D1, мм не более	D2, мм не более	Н, мм не более	М, кг не более	d, мм
l=5000 мм
560 м2	1800	4500	1200	17000	38300	38х2

F - номинальная поверхность теплообмена;

D - диаметр греющей камеры;

D<sub>1</sub> - диаметр сепаратора;

D<sub>2</sub> - диаметр циркуляционной трубы;

Н - высота аппарата;

М - масса аппарата;

d - диаметр кипятильных труб.

4. Расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат

выпарная вакуум подогреватель испарение

Определение средних температур теплоносителей

гдеt'<sub>нач</sub> - начальная температура исходного раствора (по заданию)

t<sub>б</sub>, t<sub>м</sub> - большая и меньшая разность температур соответственно, С;

t<sub>нач</sub> - температура исходного раствора после подогревателя, С;

t<sub>нач</sub> = 74,05С

t'<sub>нач</sub>= 14С

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле (17):

 (22)

t<sub>б</sub> = t<sub>конд.гр.п</sub> - t'<sub>нач</sub> (23)

t<sub>б</sub> = 104,68 - 14 = 90,68 K

t<sub>м</sub> = t<sub>конд.гр.п</sub> - t<sub>нач</sub> (24)

t<sub>м</sub> = 104,68 -74,05= 30,63 K

K

Средняя температура раствора:

t<sub>ср.р</sub> =t<sub>конд.гр.п</sub> - t<sub>ср</sub> (25)

t<sub>ср.р</sub> =104,68 -55,327 = 49,353 С

Тепловой баланс подогревателя

Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t'<sub>нач</sub> до температуры t<sub>нач</sub> найдем, приняв значение теплоёмкости раствора при начальной температуре и концентрации

= (26)

Расход греющего пара w1 найдём по формуле:

(27)

гдеr - удельная теплота парообразования, кДж/кг;

- степень сухости пара;

Удельная теплота парообразования при температуре t<sub>конд.гр.п</sub> [2], табл. LVI:

r =2249 кДж/кг

кг/с

Ориентировочный расчёт подогревателя

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от жидкости к жидкости [2], табл. 4.8:

К<sub>ор</sub>=600 Вт/(м<sup>2</sup>К)

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (20);

м<sup>2</sup>

Произведём выбор аппарата по ГОСТу. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности

Таблица 3. Характеристика подогревателя исходного раствора

Характеристика аппарата
Буквенный индекс	ТН
Диаметр кожуха D, м	400
Длина трубчатки L, м	4,0
Поверхность теплообмена F, м2	46
Количество труб, n	181

5. Расчёт холодильника концентрированного раствора

Определение средних температур теплоносителей



Рис. 2 Температурная схема движения теплоносителей при противотоке

t<sub>кон</sub> ,t'<sub>кон</sub> - температура упаренного раствора до и после холодильника, С;

t<sub>нач.в</sub>,t<sub>кон.в</sub> - температура охлаждающей воды до и после холодильника, С;

Конечную температуру воды и упаренного раствора выбираем самостоятельно

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:

,

t<sub>б</sub> = 76,05 -20=56,05 К

t<sub>м</sub> = 25 - 11 = 14 К

К

Среднюю температуру воды найдём как среднее арифметическое t<sub>вод.ср.</sub>, С:

t<sub>вод.ср</sub>= (t<sub>нач.в</sub>+t<sub>кон.в</sub>)/2 (28)

t<sub>вод.ср</sub>= (20+11)/2=15,5 С

Средняя температура раствора t<sub>ср.р</sub>, С:

t<sub>ср.р</sub>= t<sub>вод.ср</sub> + t<sub>ср</sub> (29)

t<sub>ср.р</sub>=15,5+30,313=45,813С

Тепловой баланс холодильника

Количество теплоты, которое необходимо отвести от раствора для его охлаждения:

Q= G<sub>кон</sub>с<sub>кон</sub>(t<sub>кон</sub>-t'<sub>кон</sub>) (30)

Где G<sub>кон</sub> - расход упаренного раствора кг/с;

с<sub>кон</sub> - удельная теплоёмкость раствора при t<sub>ср.р.</sub> и Х<sub>кон</sub>, Дж(кгК)

Удельная теплоёмкость раствора с<sub>кон</sub> раствора при t<sub>ср.р.</sub> и Х<sub>кон</sub> (Приложение 1 п.3):

с<sub>кон</sub>=3540 Дж(кгК)

Q = 1.4493540(76,05 - 25) = 2,619 10<sup>5</sup> Вт

Так как вся отводимая от раствора теплота передаётся охлаждающей воде, то её расход можно найти по формуле:

(31)

гдеG<sub>вод</sub> - расход охлаждающей воды, кг/с;

с<sub>вод</sub> - теплоемкость воды при температуре t<sub>вод.ср.</sub>,Дж/(кгК)

Удельная теплоемкость воды при температуре t<sub>вод.ср</sub> (Приложение 1 п.3):

с<sub>вод</sub>= 4193 Дж/(кгК)

кг/с

Ориентировочный расчёт холодильника

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от жидкости к жидкости [2], табл. 4.8:

К<sub>ор</sub>=300 Вт/(м<sup>2</sup>К)

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (20);

м<sup>2</sup>

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным или переходным режимом течения теплоносителей. Исходный раствор направим в теплообменную трубу, а охлаждающую воду в кожуховую трубу.

Зададимся критерием Рейнольдса для раствора: Re<sub>1</sub>=10000

Эквивалентный диаметр трубного сечения: d<sup>экв</sup>=0.098 м

Вязкость раствора при ее средней температуре (Приложение 1 п.2):

Плотность раствора (Приложение 1 п.1):

Найдем скорость раствора:

(31)

Найдем площадь поперечного сечения:

(32)

Найдем по ГОСТу ближайшую стандартную площадь:

Найдем по стандартной площади скорость и число Рейнольдса для раствора:

Зададимся критерием Рейнольдса для воды: Re<sub>2</sub>=10000

Эквивалентный диаметр трубного сечения: d<sup>экв</sup>=0.039 м

Па с

Вязкость воды при ее средней температуре (Приложение 1 п.2):

кг/м<sup>3</sup>

Плотность воды (Приложение 1 п.1):

Найдем скорость воды:

Найдем площадь поперечного сечения:

Найдем по ГОСТу стандартную площадь:

Найдем по стандартной площади скорость и число Рейнольдса для воды:

Температуры стенки со сторон холодного и горячего теплоносителей будем искать с помощью метода итераций. Суть метода заключается в нахождении удельного потока теплоты со стороны хладагента и теплоносителя как функций от температуры одной из стенок теплообменника и решения уравнения с помощью ПК относительно температуры стенки.

Подробные расчеты теплообменников, рассчитанных с помощью ЭВМ, приводятся в приложении 3.

Теплообменник обладает следующими характеристиками:

Теплообменник «труба в трубе» диаметр теплообменной трубы 89х5 мм, кожуховой трубы 159х6, число элементов теплообменника шт., длина одного элемента м, с общей поверхностью теплообмена м<sup>2</sup>.

Для сравнения был рассчитан теплообменник обладающий следующими свойствами: Теплообменник «труба в трубе» диаметр теплообменной трубы 38х4 мм, кожуховой трубы 89х5, число элементов теплообменника шт., длина одного элемента м, с общей поверхностью теплообмена м<sup>2</sup>.

Оба выбранных теплообменных аппарата пригодны для использования в данном технологическом процессе (оба обладают достаточным запасов поверхности теплообмена, и в обоих аппаратах развивается интенсивный турбулентный режим). С экономической точки зрения выгоднее применять первый аппарат, т.к при одинаковой цене за один кг массы аппарата капитальные затраты на первый аппарат будут ниже.

6. Расчёт барометрического конденсатора

Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G<sub>в</sub> определим из теплового баланса конденсатора:

(33)

гдеi<sub>б.к.</sub> - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

t<sub>н</sub> - начальная температура охлаждающей воды, С;

t<sub>к</sub> - конечная температура смеси охлаждающей воды и конденсата, С;

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 градусов. Поэтому температуру воды t<sub>к</sub> на выходе из конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров t<sub>бк</sub>:

(34)

С

Энтальпия паров в барометрическом конденсаторе i<sub>б.к</sub>, при температуре t<sub>бк</sub> [2], табл. LVI:

Среднюю температуру воды найдём по формуле (36)

С (35)

Удельная теплоёмкость воды с<sub>в</sub> при температуре t<sub>ср.в.</sub> (Приложение 1 п.3):

кг/с

Диаметр барометрического конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода:

(36)

где - плотность паров, кг/м<sup>3</sup>;

- скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10<sup>4</sup> Па скорость паров =15-25 м/с

Возьмём =20 м/с

Плотность паров при температуре t<sub>бк</sub> [2], табл. LVI,

=0.241 кг/м<sup>3</sup>

м

Выбор барометрического конденсатора

Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему большему.

Барометрический конденсатор: внутренний диаметр d<sub>б.к.</sub>=1000 мм

Условный проход штуцера для барометрической трубы d<sub>б.т</sub>= 200 мм

Высота барометрической трубы

Скорость воды в барометрической трубе равна:

(37)

Плотность воды <sub>в</sub> при температуре t<sub>к</sub>:

<sub>в</sub>=978,01 кг/м<sup>3</sup>

Высота барометрической трубы [3], формула 4.24:

(38)

Где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений;

<sub>тр</sub> - коэффициент трения в барометрической трубе;

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

Вакуум в барометрическом конденсаторе В, Па;

(39)

Сумма коэффициентов местных сопротивлений :

(40)

где <sub>вх</sub>, <sub>вых</sub> - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения <sub>тр</sub> зависит от режима течения жидкости; определим режим течения воды в барометрической трубе:

(41)

Коэффициент динамической вязкости воды <sub>в</sub> при t<sub>k</sub> (Приложение1 п.2)

При таком значении Re для гладких труб, коэффициент трения <sub>тр</sub> равен [2], рис 1.5.

=0.0198

По формуле (45):

Окончательно имеем: м

7. Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса G<sub>возд</sub>, кг/с определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

(35)

где0,000025 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.

кг/с

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

(36)

гдеR - универсальная газовая постоянная, Дж/кмольК;

М<sub>возд</sub> - молекулярная масса воздуха, кг/моль;

Т<sub>возд</sub> - температура воздуха, К;

Р<sub>возд</sub> - парциальное давление сухого насыщенного пара (Па) в барометрическом конденсаторе при t<sub>возд</sub>.

Температуру воздуха рассчитывают по формуле [3], с. 179:

(37)

С

Давление воздуха <sub>.</sub> равно:

(38)

где - давление сухого насыщенного пара при температуре [2], табл LVI

Па

Па

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Зная объемную производительность и остаточное давление по таблице [3], приложение 4.7, выбираем вакуум-насос:

Таблица 4. характеристика вакуум-насоса типа ВВН

Типоразмер	Остаточное давление, кПа	Производительность, м3/мин	Мощность на валу, КВт
ВВН-6	38	6	12.5

8. Расчет трубопроводов для растворов

Разбавленный раствор

1.Диаметр трубопровода (при этом скорость подачи-1.5 м/c):

Плотность раствора

кг/м<sup>3</sup>

кг/м<sup>3</sup>

- примем, что диаметр трубы -

2. Фактическая скорость смеси:

Концентрированный раствор

1.Диаметр трубопровода (при этом скорость подачи-1.5 м/c):

Плотность раствора



- примем, что диаметр трубы -

2. Фактическая скорость смеси:

Выводы по курсовому проекту

В данном курсовом проекте описан процесс выпаривания раствора.

В результате проведенных расчетов были выбраны по каталогу следующие аппараты:

· Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, кипением в трубах и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) по ГОСТ 11987-81: L=5000 мм; F=560 м<sup>2</sup>

· Подогреватель: кожухотрубный теплообменный аппарат одноходовой по ГОСТ (15120-79) с диаметром кожуха внутренний 400 мм и теплообменных труб 20*2 мм, общее число труб 181, длина труб 4 м, F=46 м<sup>2</sup>

· Холодильник: Теплообменник «труба в трубе» диаметр теплообменной трубы 89х5 мм, кожуховой трубы 159х6, число элементов теплообменника шт., длина одного элемента м, с общей поверхностью теплообмена м<sup>2</sup>.

· Барометрический конденсатор диаметром D=1.0 м с высотой трубы 7,11 м.

· Вакуум- насос типа ВВН - 6

Подробно был сделан расчет подогревателя исходного раствора методом итераций. На основании этих расчетов и выбранных по каталогу аппаратов была составлена технологическая схема установки с описанием технологического процесса.

Приложения

Приложение 1

Физические свойства водного раствора Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>

1. Плотность , кг/м<sup>3</sup>:

где - плотность воды кг/м<sup>3</sup>; a<sub>0</sub>=0.422132, а<sub>1</sub>= 4.2462*10<sup>-4</sup>, а<sub>2</sub>= -3/8714*10<sup>-6</sup>

.

2. Динамический коэффициент вязкости м, Па*с:

где - вязкость воды Па*с; d<sub>0</sub>=3.1088, d<sub>1</sub>= -1.3483*10<sup>-2</sup>, d<sub>2</sub>= -2.91419*10<sup>-6</sup>.

.

3. Удельная теплоемкость C<sub>p</sub>, Дж/(кг*К):

где - вязкость воды Дж/(кг*К); B<sub>1</sub>= -4187.41, B<sub>2</sub>=4760.1, B<sub>3</sub>=6.66, B<sub>4</sub>= -8.25*10<sup>-3</sup>.

4. Коэффициент теплопроводности л, Вт/(м*К):



где - коэффициент теплопроводности воды Вт/(м*К); в=0.14384.

5. Температура кипения t<sub>кип</sub>, <sup>0</sup>С:

где P - давление, Па; а= -0.171, b= -0.445



Приложение 2

Список литературы

• 1. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. 8-е изд., перераб.. - М: Химия, 1971.
• 2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии. 10-е изд., перераб. и доп. - Ленинград: Химия. 1987.
• 3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - Москва:1991.
• Размещено на Allbest.ru