Министерствообразования и науки Украины
НациональныйТехнический Университет
«ХарьковскийПолитехнический Институт»
Кафедра Общей химической технологии,процессов и аппаратов
Курсовойпроект
Тема проекта:
Расчеттрехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
Проектировал студент
Шорин В. В..
гр. Н-48
Руководитель проекта
Новикова Г. С.
Харьков2010 г.
Введение
Технологическая схемавыпарной установки
В химическойпромышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществшироко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этогоиспользовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУсостоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпусаиспользуется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этихустановках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусныхвыпарных установках достигается значительная экономия греющего пара посравнению с однокорпусными установками той же производительности.
Принципиальнаятехнологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывногодействия представлена на рис.1.1.
Исходный раствор подаетсяиз емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходныйраствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора впервом корпусе выпарной установки.
Первый корпус установкиобогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипениираствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второйкорпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор изпервого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается втретий корпус 6, обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренныйдо конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него вемкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление итемпература пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низкимдавлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в которомпри конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются изкорпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего врезультате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздухи неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (вконденсаторе) и через неплотности трубопроводов,отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом.
Смесь охлаждающей воды иконденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9.Конденсатгреющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощьюконденсатоотводчиков.
Выбор выпарныхаппаратов
Конструкция выпарногоаппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся:высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньшихобъеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства,надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра иремонта.
Вместе с тем выборконструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретномслучае физико-химическими свойствами раствора.
Для выпаривания растворовнебольшой вязкости (до 8 мПа∙с) без образования кристаллов, чаще всегоиспользуют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие икристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.
Растворы чувствительные кповышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарныхаппаратах, а растворы склонные к пенообразованию – в прямоточных аппаратахс восходящей пленкой.
Типы и основные размерывыпарных аппаратов представлены в ГОСТ 11987–81, и каталогах УКРНИИХИММАШа[11,12].
/>
Задание на расчетвыпарной установки
Цель расчета выпарнойустановки – расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеровосновного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего втехнологическую схему установки.
Задание на курсовоепроектирование
Рассчитать испроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия дляконцентрирования водного раствора /> по следующим данным:
1. Производительность установки поисходному раствору –8000 кг/ч;
2. Концентрация раствора:начальная – 5% масс.; конечная – 15 % масс.;
3. Давление греющего пара –Р=0,4 МПа;
4. Давление в барометрическомконденсаторе –, Р=0,0147 МПа;
5. Раствор подается в первый корпусподогретым до температуры кипения;
6. Схема выпаривания — прямоточная;циркуляция естественная
1. Определениеповерхноститеплопередачи выпарных аппаратов
Технологический расчётвыпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи.Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основномууравнению теплопередачи
/>, (1.1)
где /> – поверхностьтеплопередачи, м2;
/> – тепловая нагрузка, Вт;
/> – коэффициент теплопередачи,Вт/(м2∙К);
/> – полезная разностьтемператур, К.
Для определения тепловыхнагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температурнеобходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов покорпусам и их температуры кипения. Первоначально определим эти величины поматериальному балансу, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.
1.1 Расчётконцентраций выпариваемого раствора
Производительностьустановки по выпариваемой воде определяем по формуле:
/>, (1.2)
где /> –производительность по выпаренной воде, кг/с;
/> – производительность поисходному раствору, кг/с;
/> – соответственно начальная иконечная концентрация раствора, масс. доли,
/> кг/с.
На основании практическихданных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами всоотношении
/>
Тогда:
/>
/>
/>
Проверка:
W1+W2+W3= W=0,45+0,49+0,54=1,76 кг/с.
Рассчитываем концентрациирастворов в корпусах:
/>
/>
/>
Концентрация раствора втретьем корпусе /> соответствует заданнойконцентрации упаренного раствора />.
1.2 Определениетемператур кипения раствора
Температура кипенияраствора в корпусе /> определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса /> и температурных потерь
/>, (1.3)
где /> – соответственнотемпературная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, К.
Для определениятемператур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆P распределяется между корпусамипоровну:
/>, (1.4)
где PГ1 – давление греющего пара впервом корпусе, МПа;
Pбк – давление в барометрическомконденсаторе, МПа.
Тогда давление греющихпаров, МПа, в корпусах составляет:
PГ1=0,4МПа
PГ2 = PГ1 – ∆P = 0,4 – 0,1284 = 0,2716 МПа
PГ3 = PГ2 – ∆P = 0,2716 – 0,1284 = 0,1432 МПа
Pбк = PГ3 – ∆P = 0,1432 – 0,1284 = 0,0148 МПа
По давлению греющего паранаходим его температуру и теплоту парообразования /> (табл. 2.1) по корпусам.
Таблица 1.1 – Температурыи теплоты парообразованияДавление, МПа Температура, ºС Теплота парообразования, кДж/кг
PГ1=0,4
tГ1=143,6
rГ1=2139
PГ2=0,2716
tГ2=129,78
rГ2=2180
PГ3=0,1432
tГ3=110,4
rГ3=2234
Pбк=0,0148
tбк=53,71
rбк=2372,3
1.2.1 Определениетемпературных потерь
Температурные потери ввыпарном аппарате обусловлены температурной />, гидростатической /> и гидродинамической /> депрессиями.
а) Гидродинамическаядепрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлическихсопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе изкорпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают /> = 1,0 – 1,5 ºС накорпус. Примем /> = 1 ºС, тогдатемпературы вторичных паров в корпусах равны:
tвп1 = tГ2 + /> = 129,78+1=130,78 ºС
tвп2 = tГ3 + /> = 110,4+1=111,4С
tвп3 = tбк + />=53,71+1=54,71 ºС
Сумма гидродинамическихдепрессий:
/> ºС
По температурам вторичныхпаров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2.2).
Таблица 1.2 – Давленияи теплоты парообразования
Температура,ºС
Давление, МПа
Теплота парообразования, кДж/кг
tвп1=130,78
Pвп1=0,2787
rвп1=2177
tвп2=111,4
Pвп2=0,1504
rвп2=2230
tвп3=54,71
Pвп3=0,0155
rвп3=2367
б) Гидростатическая депрессия/> обусловливаетсяналичием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствиегидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарататемпература кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина /> не может бытьточно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причемвеличина /> зависитот интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной эмульсии,заполняющей большую часть высоты кипятильных труб. Приблизительно расчет /> возможен наоснове определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильныхтруб. Величина /> определяется как разностьтемпературы кипения в среднем слое труб /> и температуры вторичного пара (/>):
/> (1.5)
Для того, чтобыопределить /> нужнонайти давление в среднем слое (Pср) и по этому давлению определить температуру в среднем слое (по таблицесвойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубахпри пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора.Плотность раствора (при 100 °С) определяется в зависимости от концентрациираствора в корпусе.
Давление в среднемсечении кипятильных труб (в МПа) равно сумме давлений вторичного пара в корпусеи гидростатического давления столба жидкости (∆Pср ) в этом сечении трубы длиной H:
Pср= Pвп+ ∆Pср= Pвп+/>
Для выбора значения H нужно ориентировочно определитьповерхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворовможно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 10000 ÷ 30000 Вт/м2. Примем q = 10000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи первого корпусаориентировочно будет равна:
/>
По ГОСТ 11987—81 для выпарногоаппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ближайшаябудет поверхность – 63 м2при диаметре труб 38x2 ммидлине труб Н = 4000 мм.
Давления в среднем слоекипятильных труб корпусовравны:
P1ср = Pвп1+/>МПа
P2ср= Pвп2+/> МПа
P3ср= Pвп3+/> МПа
Этим давлениямсоответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования (табл. 1.3):
Таблица1.3 – Температурыкипения и теплоты парообразованияДавление, МПа Температура,ºС Теплота парообразования, кДж/кг
P1ср = 0,2872
t1ср=131,9
r1ср=2173,5
P2ср = 0,1611
t2ср=113,4
r2ср=2225
P3ср = 0,0268
t3ср=62,3
r3ср=2374
Определяемгидростатическую депрессию по корпусам
/>
/>
/>
Сумма гидростатическихдепрессий составляет:
/>
в) Температурнаядепрессия определяется по уравнению:
/>, (1.6)
гдеТср=(tср + 273), К;
/> – температурная депрессияпри атмосферном давлении, ºС;
/> – теплота парообразованиявторичного пара, кДж/кг.
Определяется величина /> как разность междутемпературами кипения раствора и чистого растворителя (воды) при атмосферномдавлении. Температуры кипения раствора при атмосферном давлении в зависимостиот концентрации даны в справочной литературе.
Находим значение /> по корпусам:
/> ºС
/> ºС
/> ºС
Сумма температурныхдепрессий равна:
/>
Тогда температуры кипениярастворов по корпусам равны:
/> ºС
/> ºС
/> ºС
1.3 Расчёт полезнойразности температур
Необходимым условиемпередачи тепла в каждом корпусе является наличие некоторой полезной разноститемператур греющего пара и кипящего раствора.
Полезные разноститемператур по корпусам равны:
/> ºС
/> ºС
/> ºС
Общая полезная разностьтемператур:
/> ºС
Проверим общую полезнуюразность температур:
/>
1.4 Определениетепловых нагрузок
Расход греющего пара впервом корпусе, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде итепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравненийтепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки:
/> (1.7)
/>, а />, то
/> (1.8)
/> (1.9)
/> (1.10)
W=W1+ W2+ W3, (1.11)
гдеD – расход греющего пара в первомкорпусе, кг/с;
Н,h – энтальпия пара и конденсата,соответственно, Дж/кг;
1,03, 1,02, 1,01 – коэффициенты, учитывающие 3;2;1 %потерь тепла в окружающую среду по корпусам, соответственно (потери теплаобычно принимают в размере 2 ÷ 6% от тепловой нагрузкиаппарата);
C – удельная теплоемкость, Дж/кг∙К;
/> – теплота концентрированияпо корпусам. Величинами /> пренебрегаем, поскольку этивеличины значительно меньше принятых потерь тепла;
tн – температура кипения исходного раствора,подаваемого в первый корпус,
/> – температура кипения в i-ом корпусе.
/>,
где /> – температурная депрессиядля исходного раствора;
сн, с1, с2 –теплоёмкость растворов при концентрациях />, кДж/(кг×К)
Теплоёмкость (в кДж/(кг×К)) разбавленных водных растворов (/>
/> (1.12)
/>
/>
/>
Подставим известныезначения в уравнения.
/>
/>
/>
W = 1,48 = W1+ W2+ W3
/>
/>
/>
1,48 = /> + /> + />
Oтсюда :D = 0,2286 кг/с.
Тогда:
W1 = 0,954×0,2286 – 0,0141 = 0,204 кг/с
W2 = 0,875×0,2286 + 0,58 = 0,78 кг/с
W3 = 0,7001×0,2286 + 0,336 = 0,496 кг/с
Проверка
W = W1 + W2 + W3 = 0,204+0,78+0,496= 1,48 кг/с
Определим тепловыенагрузки, кВт
Q1 = D∙2139= 0,2286∙2139=488,98
Q2 = W1∙2180= 0,204∙2180=444,72
Q3 = W2∙2234=0,78∙2234= 1742,52
Полученные данные сводимв табл.1.4.
Таблица 1.4 –Параметры растворов и паров по корпусам
Параметр
Корпус 1 2 3
Производительность по испаряемой воде W, кг/с 0,204 0,78 0,496
Концентрация растворов x, % 6,5 8,7 15
Температура греющих паров tГ, ºC 143,6 129,78 110,4
Температура кипения раствора tк ,ºC 133,37 115,19 64,8
Полезная разность температур ∆tп, ºC 10,23 14,59 45,6
Тепловая нагрузка Q, кВт 488,98 444,72 1742,52
1.5 Расчеткоэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопередачирассчитываем, исходя из того, что при установившемся процессе передачи тепласправедливо равенство:
/> (1.13)
Коэффициент теплопередачиК в [Вт/(м2 К)] можно рассчитать по уравнению:
/>, (1.14)
где q – удельная тепловая нагрузка,Вт/м2; q =Q/F;
/> и /> – коэффициенты теплоотдачиот конденсирующегося пара к стенке и от стенки к кипящему раствору соответственно,Вт/(м2∙К);
/> – сумма термическихсопротивлений стенки загрязнений и накипи, (м2∙К/Вт);
/> – разность температур междугреющим паром и стенкой со стороны пара в первом корпусе, ºС;
/> – перепад температур на стенке, ºС;
/> – разность междутемпературой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.
Коэффициент теплоотдачи /> рассчитываемпо уравнению:
/>, (1.15)
где /> – теплотаконденсации греющего пара, Дж/кг;
/> – разность температурконденсата пара и стенки, ºС;
/> – соответственно плотность,кг/м3, теплопроводностьВт/(м∙К)и вязкостьконденсата, Па∙с, при средней температуре плёнки:
Первоначально принимаем />
/> ºС.
Значения физическихвеличин конденсата берём при tпл = 142,85ºС.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Коэффициент теплоотдачиот стенки к кипящему раствору /> в условиях его естественнойциркуляции для пузырькового режима в вертикальных трубах равен:
/>, (2.16)
где /> – плотностьгреющего пара в первом корпусе, /> /> – плотность пара приатмосферном давлении; /> – соответственно,теплопроводность, поверхностное натяжение, теплоемкость и вязкость раствора впервом корпусе.
/>
/>
Значения величин,характеризующих свойства растворов NaOH, представлены в таблице 1.5.Параметр Корпус 1 2 3
Плотность раствора, />, кг/м3 1012,88 1031,88 1088,22
Вязкость раствора, /> 1,151 1,2258 1,51
Теплопроводность раствора,/> 0,5912 0,5886 0,5815
Поверхностное натяжение, /> 73,4 74,28 77,0
Теплоёмкость раствора, /> 3923 3831
Проверим правильностьпервого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
/>
/>
Как видим />
Для второго приближенияпримем />
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Очевидно, что />
Для определения /> строимграфическую зависимость тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой (см.рис. 1.1) и определяем /> = 1,1 ºС.
Проверка:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Как видим />
Рассчитываем коэффициенттеплопередачи К1 в первом корпусе:
/>
Коэффициент теплопередачидля второго корпуса К2 и третьего К3 можнорассчитывать так же, как и коэффициент К1 или с достаточнойточностью воспользоваться соотношением коэффициентов, полученных из практики веденияпроцессов выпаривания.Эти соотношения варьируются в широких пределах:
К1: К2: К3 = 1 :(0,85 /> 0,5) />(0,7 /> 0,3)
Поскольку – СaCl2 –соль, соотношение коэффициентовпринимаем по верхним пределам.
К1: К2: К3 = 1: 0,85: 0,7
К2 = К1 /> 0,85 = 1096,5 /> 0,85 =932 />
К3 = К1 /> 0,7 = 767,55 />
1.7 Распределениеполезной разности температур
Полезные разноститемператур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностейтеплопередачи:
/>, (1.21)
где /> – общая полезнаяразность температур выпарной установки; /> – отношение тепловойнагрузки к коэффициенту теплопередачи в корпусе; i = 1,2,3 –номер корпуса.
/>
/>
/>
Проверим общую полезнуюразность температур установки:
/>
Поскольку рассчитанывеличины тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезной разноститемператур по корпусам, следовательно, можно найти поверхность теплопередачивыпарных аппаратов:
/>
/>
/>
Полученные значенияповерхности теплопередачи сравниваем с определенной ранее ориентировочнойповерхностью Fор=49 м2. Различиенезначительное. Значит, размеры выпарных аппаратов выбраны правильно.
По ГОСТ 11987 выбираемаппарат с поверхностью теплообменаF=63м2и длиной труб Н = 4 м. Основныетехнические характеристики выпарного аппарата представлены в таблице 1.6.
Таблица 1.6 – Техническаяхарактеристики выпарного аппарата.
F при диаметре трубы 38х2 и длине
Н= 4000мм
Диаметр
греющей камеры
D, мм
Диаметр сепаратора Dс, мм
Диаметр циркуляционной трубы D2, мм
Высота аппарата
На, мм 63 800 1600 500 15500
1.8 Определениетолщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции/> находимиз равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:
/>, (1.22)
где /> – коэффициенттеплоотдачи от внешней поверхности изоляции к воздуху, Вт/(м2 К) />;
/> – температура изоляции состороны воздуха, °С; Для аппаратов, работающих внутри помещения /> выбирают впределах 35 ÷ 45 ºС, а для аппаратов, работающих на открытомвоздухе в зимнее время – в интервале 0 ÷ 10 ºС.;
/> – температура изоляции состороны аппарата, ºС (температуру tст1 можно принимать равной температурегреющего пара, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппаратапо сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции);
/> – температура окружающейсреды (воздуха), ºС;
/> – коэффициент теплопроводностиизоляционного материала, Вт/(мК).
В качестве изоляционногоматериала выбираем совелит, который содержит 85% магнезии и 15 % асбеста. Коэффициенттеплопроводности совелита />
/>
Толщина тепловой изоляциидля первого корпуса:
/>
Такую же толщину тепловойизоляции принимаем для второго и третьего корпусов.
2. Расчетвспомогательного оборудования
2.1 Расчетбарометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарныхустановках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качествоохлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всегопри температуре окружающей среды (около 20 ºС). Смесь охлаждающей воды иконденсата выходит из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержанияпостоянного вакуума в системе вакуум-насос постоянно откачиваетнеконденсирующиеся газы.
2.1.1 Определениерасхода охлаждающей воды
Расход охлаждающб ей водыGв (в кг/с) определяем из теплового баланса конденсатора:
/>, (2.1)
где /> – энтальпия пара вбарометрическом компенсаторе, кДж/кг;
/> – теплоёмкость воды, кДж/(кгК);
Св =4190 кДЖ/(кгК);
/> — начальная температура охлаждающейводы, ºС;
t н = 10 />20 ºС
/> - конечная температура смеси водыи конденсата, ºС.
Разность температур междупаром и жидкостью на выходе из конденсатора составляет 3 ÷ 5 град.,поэтому конечную температуру воды /> принимают на 3 ÷ 5 град.ниже температуры конденсации паров:
/> ºС
Тогда
/>
2.1.2 Расчет диаметрабарометрического конденсатора
Диаметр барометрическогоконденсатора />‚ определяем из уравнения расхода
/>, (2.2)
где /> – плотность пара,кг/м3 выбираемая по давлению пара в конденсаторе Pбк;
/> – скорость пара, м/с,принимаемая в пределах 15 ÷ 25 м/с.
/>
По нормалям НИИХИММАШаподбираем барометрический конденсатор диаметром dбк = 600 мм с диаметром трубы dбт = 150 мм.
2.1.3 Расчет высотыбарометрической трубы
Скорость воды вбарометрической трубе
/>
Высота барометрическойтрубы
/>, (2.3)
где В –вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;
/> – сумма коэффициентовместных сопротивлений;
/> – коэффициент трения вбарометрической трубе;
/> – высота и диаметрбарометрической трубы, м;
0,5 – запас высотына возможное изменение барометрического давления.
/>
/>,
где /> – коэффициентыместных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.
Коэффициент трения /> зависит отрежима движения воды в барометрической трубе. Определим режим течения воды вбарометрической трубе:
/>
где /> – вязкость воды, Па∙с,определяемая по номограмме при температуре воды tср.
Для гладких труб при Re = 123250, />
/>
2.2 Расчётпроизводительности вакуум – насоса
Производительностьвакуум-насоса Gвозд определяется количеством воздуха,который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
/>, (2.4)
где 2,5∙10-5 –количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 – количество газа, подсасываемогов конденсатор через уплотнения на 1 кг паров. Тогда
/>
Объёмнаяпроизводительность вакуум-насоса
/>, (2.5)
где R – универсальная газоваяпостоянная, Дж/(кмоль К);
Mв – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;
tв – температура воздуха, ºС;
Рв – парциальное давление сухого воздуха вбарометрическом конденсаторе, Па.
Температура воздуха
/> ºС
давление воздуха
/>, (2.6)
где Рп –давление сухого насыщенного пара при tв, Па. При температуре воздуха 27,07ºС, Рп =0,038∙9,8∙104 Па.
/>.
Тогда
/>
Зная объёмнуюпроизводительность воздуха /> и остаточное давление вконденсаторе Рбк, по каталогу подбираем вакуум-насос типа ВВН– 3мощность на валу />.
Удельный расход энергиина тонну упариваемой воды, />,
/>.
2.3 Определениеповерхности теплопередачи подогревателя
Поверхность теплопередачиподогревателя (теплообменника) Fп, м2 определяем по основному уравнению теплопередачи:
/>, (2.7)
где /> – тепловаянагрузка подогревателя, Вт определяется из теплового баланса теплообменника: /> Кп –коэффициент теплопередачи, Вт/(м К), Кп = 120 ÷340;
/> – средняя разность температурмежду паром и раствором, ºС;
/> – количество начальногораствора, кг/с, и его теплоёмкость, Дж/(кг∙К);
/> – начальная температураисходного раствора, ºС;
/> – температура раствора навыходе из теплообменника, ºС, равная температуре с которой раствор входитв первый корпус.
/>
t1н = 143,6ºС пар t1к = 143,6ºС
t2н = 20ºС раствор t2к = 129,9ºС
/> />
Так как отношение />, то величину /> определим каксреднелогарифмическую:
/>
Тогда поверхность теплообменника
/>
Площадь поверхноститеплопередачи теплообменника принимается на 10—20 % больше расчетной величины:
/>
/>На основании найденной поверхности по ГОСТ15122 – 79 выбираем кожухоторубчатый одноходовой теплообменник с такимипараметрами: площадь поверхности теплопередачи F = 65 м2, число труб n = 283длина труб l = 3 м, диаметр труб 25 х 2 мм, диаметркожуха D = 600 мм .
2.4 Расчётцентробежного насоса
Основными типами насосов,используемых в химической технологии, являются центробежные, осевые ипоршневые. Для проектируемой выпарной установки используем центробежный насос.При проектировании обычно возникает задача определения необходимого напора Ни мощности N при заданной подаче (расходе)жидкости Q, перемещаемой насосом. Далее понайденному напору и производительности насоса определяем его марку, а повеличине мощности на валу – тип электродвигателя к насосу.
Мощность на валу насоса,кВт,
/>, (2.8)
где Q – производительность насоса, м3/c;
Н – напор, развиваемый насосом, м;
/> – к.п.д. насоса, /> = 0,4 ÷ 0,9;
/> – к.п.д. передачи (для центробежного насоса /> = 1).
Напор насоса
/>, (2.9)
где Р1 – давление жидкости для исходногораствора (атмосферное), Па; Р2 – давление вторичного пара в первом корпусе, Па;
НГ – геометрическая высота подъема раствора, м,
НГ = 8 ÷ 15 м; hп – напор, теряемый на преодоление гидравлическихсопротивлений (трения и местных сопротивлений) в трубопроводе и теплообменнике,м.
Потери напора
/>, (2.10)
где /> и /> – потери напорасоответственно в трубопроводе и в теплообменнике, м. В связи с громоздкостьюрасчета потери напора в теплообменнике можно не рассчитывать и принимать их впределах />,в зависимости от скорости движения раствора в трубах теплообменника, длины,количества труб и числа ходов теплообменника;
w – скорость раствора, м/с, w = 0,5 ÷ I,5 м/с;
l и d – длина и диаметр трубопровода, м; l = 10 ÷ 20 м;
/> – коэффициент трения;
/> – сумма коэффициентовместных сопротивлений.
Определим диаметртрубопровода из основного уравнения расхода:
/>
/>
Для определениякоэффициента трения /> рассчитываем величину Rе:
/>, (2.11)
где /> плотность, кг/м3и вязкость, Па∙с исходного раствора; при концентрации x = 5%; />
/>
Для гладких труб при Re = 49168 по задачнику />
Определим суммукоэффициентов местных сопротивлений />:
/>
Коэффициент местныхсопротивлений равны:
вход в трубопровод /> = 0,5;
выход из трубопровода /> = 1,0;
колено с углом 90º(дл--+я трубы d = 54мм); /> =1.1;
вентиль прямоточный /> = /> (для трубы d = 24,6 мм);
/>;
Примем потери напора в теплообменнике/> и /> аппарата плюс2 метра,НГ = 6,5 + 2 = 8,5 м.
/>
Тогда, по формулам (2.8)и (2.9)
/>;
/>.
По приложению табл. П11 устанавливаем,что данным подаче и напору больше всего соответствует центробежный насос марки X8/30, для которого в оптимальныхусловиях работы Q = 2,4 />10-3 м3/с, H = 30 м. Насос обеспеченэлектродвигателем АО2 – 32 – 2 номинальной мощностью N = 4 кВт.
По мощности, потребляемойдвигателем насоса, определяем удельный расход энергии:
/>
2.5 Расчёт объёма иразмеров емкостей
Большинство емкостейпредставляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндрические аппараты. Припроектировании емкостей основными руководящими документами являются нормали иГосударственные стандарты.
По номинальному объемуаппарата выбирают его основные конструктивные размеры (диаметр, высоту),которые должны соответствовать ГОСТ 9941 – 72, ГОСТ 9671 – 72.
Длина (высота) емкостейпринимается равной (1 ÷1,5) Dн.
Расчет емкостей дляразбавленного и упаренного раствора ведем из условий шестичасовой (сменной)работы выпарного аппарата, т.е./>ч.
0бъём емкости дляразбавленного (исходного) раствора
/>, (2.12)
где /> – количество(кг/ч) и плотность (кг/м3) исходного раствора;
/> – коэффициент заполненияемкости, /> =0,85 — 0,95. Для удобства работы устанавливаем три емкости объемом 20м3.Принимаем диаметр емкости равным D = 2,6м. Тогда длина ее l = 3,8, м.
Объем емкости упаренногораствора
/>, (2.13)
где /> – количество (кг/ч)и плотность (кг/м3) упаренного раствора.
Устанавливаем емкость объемом8 м3 диаметром 2 м и длиной 2,6 м.
3.6 Определениедиаметра штуцеров
Штуцера изготовляют изстальных труб необходимого размера. По ГОСТ 9941 – 62 применяют трубы следующихдиаметров:
14, 16, 18, 20, 22, 25,32, 38, 45, 48, 57, 70, 76, 90, 95, 108, 133, 159, 194, 219, 245, 273, 325,377, 426.
Диаметр штуцеровопределим из основного уравнения расхода:
/>, (2.14)
где Vc – расход раствора или пара, м3/с;w – средняя скорость потока, м/с. Диаметрштуцера для разбавленного раствора
/>
Диаметр штуцера для упаренногораствора
/>
Диаметр штуцера для вводагреющего пара в первом корпусе
/>, (2.15)
где /> – расход пара,кг/с; /> –плотность пара при давлении его РГ1, кг/м3; (при РГ1= 0,4 МПа />= 2,16 кг/м3).
2.7 Подборконденсатоотводчиков
Для отвода конденсата и предотвращенияпроскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемыенасыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками. Расчет иподбор стандартного поплавкового конденсатоотводчика по ГОСТ 15112 – 69заключается в определении диаметра условного прохода по максимальному коэффициентупропускной способности k и ввыборе по найденной величине Dу конструктивныхразмеров аппарата [3].
Значение максимального коэффициентапропускной способности определяется в зависимости от расхода конденсата в (т/ч)и перепада давлений /> (кгс/см2) междудавлением до конденсатоотводчика и после него:
/> (2.16)
Давление доконденсатоотводчика Р1 следует принимать равным 90 – 95% от давления греющего пара, поступающего в аппарат, за которым установлен конденсатоотводчик;давление после конденсатоотводчика принимается в зависимости от его типа и отвеличины давления в аппарате, но не более 40 % этого давления.
/>
P1 = 3,92∙0,9 = 3,53 кгс/см2;
P1 = 3,92∙0,4 = 1,568кгс/см2;
/> =3,92– 1,568= 2,35 кгс/см2.
Количество конденсата G равняется количеству пара, поступающегов греющую камеру аппарата, т.е. G = 0,2286 кг/с = 0,823 т/ч.
Тогда
/>
Согласно зависимости при К= 2,11 т/ч конденсатоотводчик должен иметь диаметр условного прохода Dу = 32 мм. По этой величине диаметра условного прохода выбираемконструктивные размеры конденсатоотводчика.
Список источниковинформации
1. Касаткин А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии:Химия, I97I. 784 с.
2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачипо курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1976. 550 с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособиепо проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. — М.: Химия, 1983. 272 с.
4. Методические указания к выполнению курсового проекта«Расчет выпарной установки» по курсу «Процессы и аппараты химическойтехнологии» -Харьков- НТУ«ХПИ»,2004.55с.