Реферат: Проектирование выпарной установки
Оглавление.
Введение 2
Аналитический обзор 3Технологическая часть 7Технологические расчёты 9
3.1. Расчёт выпарногоаппарата 9
3.2. Расчёт подогревателяисходного раствора 17
3.3. Расчёт холодильникаупаренного раствора 25
3.4. Расчётбарометрического конденсатора 28
3.5. Расчетпроизводительности вакуум-насоса 31
Выводы по курсовому проекту 33
Приложения 34
Список использованных источников 40
Введение
Выпаривание – этопроцесс повышения концентрации растворов твердых нелетучих веществ путемчастичного испарения растворителя при кипении жидкости.
Выпариваниеприменяют для повышения концентрации растворов нелетучих веществ, выделения израстворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенныхвеществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде.
В качестве примеравыпаривания с выделением чистого растворителя из раствора можно привестиопреснение морской воды, когда образующийся водяной пар конденсируют иполученную воду используют для различных целей.
Для нагреваниявыпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев ивысокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водянойпар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентомтеплоотдачи.
Процесс выпариванияпроводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппаратыразделяются на периодические и непрерывно действующие.
Периодическоевыпаривание применяется при малой производительности установки или для получениявысоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается донеобходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порциейисходного раствора.
В установкахнепрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, аупаренный раствор непрерывно выводится из него.
В химическойпромышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки свысокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м2в единичном аппарате).
Наибольшее применениев химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенновертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывногодействия.
В зависимости отрежима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппаратысо свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарныеаппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.
В данном проекте используется аппарат с естественнойциркуляцией, с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. В этом аппаратециркуляция раствора осуществляется за счет различия плотностей в отдельныхточках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и помере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор,где происходит разделение жидкой и паровой фаз.
Высота паровогопространства должна обеспечивать сепарацию из пара капелек жидкости,выбрасываемых из кипятильных труб.
Вторичный пар,проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а растворвозвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.
В таких аппаратахоблегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легкоосуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.
Посколькуциркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивнойциркуляции раствора. При этом плотность раствора в выносной циркуляционнойтрубе больше, чем в циркуляционных трубах, размещенных в греющих камерах, чтообеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствуетобразованию отложений на поверхности нагрева.
1. Аналитическийобзор.
Устройство выпарныхаппаратов.
Разнообразныеконструкции выпарных аппаратов применяемых в промышленности, можноклассифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики,трубчатки различных видов), по её расположению в пространстве (аппараты сгоризонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), породу теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители,электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется литеплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако болеесущественным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующиминтенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.
Различают выпарныеаппараты с неорганизованной или свободной, направленной естественной ипринудительной циркуляцией.
Выпарные аппаратыделят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходитза один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающиес многократной циркуляцией раствора.
В зависимости оторганизации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.
Ниже подробнорассмотрены лишь наиболее распространённые, главным образом типовые конструкцииаппаратов.
Вертикальныеаппараты с направленной естественной циркуляцией.
В аппаратах данноготипа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляциираствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами другихконструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.
Основнымдостоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при егомногократно организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скоростьотложения накипи на поверхности труб. Кроме того большинство этих аппаратовкомпактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра иремонта. Как будет показано ниже, развитие конструкции таких аппаратовпроисходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможнопутём увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе ипарожидкостной смеси в подъёмной части контура. Это достигается посредствам:
· увеличениявысоты кипятильных (подъёмных) труб и повышения интенсивности парообразования вних с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящегораствора;
· улучшенияестественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающаяся вней жидкость имела, возможно, большую плотность;
· поддержанияв опускной трубе определённого уровня жидкости, необходимого для уравновешениястолба парожидкостной смеси в подъёмных трубах при заданной скорости еёдвижения.
Аппараты свнутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой.
В нижней частивертикального корпуса / Приложение 1, рис.1 / находится нагревательная камера 2,состоящая из двух трубных решёток, в которых закреплены, чаще всегоразвальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2-4 м) и циркуляционная труба 4большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространствонагревательной камеры подаётся греющий пар.
Раствор поступает ваппарат над верхней трубной решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз,затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнегокрая вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверхпаро-жидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере еёдвижения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, гдес помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения парового потока,от пара под действием инерционных сил отделяется унесённая им влага, послеэтого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.
Упаренный растворудаляется через нижний штуцер конического днища аппарата в качествепромежуточного или конечного продукта.
Как отмечалось,циркуляция раствора в аппарате происходит вследствие разности плотностейраствора в циркуляционной трубе и паро-жидкостной смеси в кипятильных трубах.Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхностьтеплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объёма упаренногораствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхностьтрубы находится в линейной зависимости от её диаметра, а объём жидкости в трубепропорционален квадрату её диаметра. Следовательно, парообразование вкипятильных трубах должно протекать значительно интенсивней, чем вциркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе.В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу ипрепятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.
В аппаратах этойконструкции циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром,что снижает разность плотностей раствора и паро-жидкостной смеси, это можетприводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Ихнедостатком также является жесткое крепление труб, не допускающее значительнойразности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.
Аппараты с выноснымициркуляционными трубамиКак отмечалось,естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор, на опускномучастке циркуляционного контура будет охлаждаться. Этим увеличивается скоростьестественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционнымитрубами / Приложение 1, рис 2 /. При расположении циркуляционныхтруб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры 1 может быть уменьшенпо сравнению с камерой аппарата / Приложение 1, рис.1 /, ациркуляционные трубы 2 компактно размещены вокруг нагревательной камеры. Нарис. 2, показан аппарат с одной циркуляционной трубой, причём центробежныйбрызгоуловитель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределысепарационного (парового) пространства 4 аппарата.
Конструкции такихаппаратов несколько более сложны, но вних достигается более интенсивнаятеплопередача и уменьшается расход металла на 1 м2 поверхностинагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой илицентральной циркуляционной трубой.
Аппараты с выноснойнагревательной камерой.
При размещениинагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повыситьинтенсивность выпаривания не только за счёт увеличения разности плотностейжидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счетувеличения длины кипятильных труб.
Аппарат с выноснойнагревательной камерой / Приложение 1, рис.3 /, имеет кипятильные трубы, длинакоторых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественнойциркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, аподъёмный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.
Выноснаянагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает иускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можнопроизводить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении егопроизводительности), если присоединить к его корпусу две нагревательные камеры.
Исходный растворпоступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь покипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу раствора производят так, какуказано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется отжидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционнойтрубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова.Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренныйраствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.
Скорость циркуляциив аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1.5 м/с, чтопозволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, неопасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаряуниверсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередачи аппараты такоготипа получили широкое распространение.
В некоторыхконструкциях аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная трубаотсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 3, укоторого удалена циркуляционная труба.
В этом случаевыпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т.е. Аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа непригодны для выпаривания кристаллизирующихся растворов.
Аппараты свынесенной зоной кипения.
При скоростях0.25-1.5 м/с с которыми движется раствор в аппаратах с естественнойциркуляцией, описанных ранее, не удаётся предотвратить отложения твердыхосадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановкааппарата для очистки, что связано со снижением их производительности иувеличением стоимости эксплуатации.
Загрязнениеповерхности теплообмена при выпаривании кристаллизирующихся растворов можнозначительно уменьшить путём увеличения скорости циркуляции раствора ивынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.
В аппарате свынесенной зоной кипения / Приложение 1, рис.4 /, выпариваемый раствор поступаетснизу в нагревательную камеру 1 и, поднимаясь по трубам (длиной 4-7 м) вверх,вследствие гидростатического давления не закипает в них. По выходе изкипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубу вскипания 2,установленную над нагревательной камерой в нижней части сепаратора 3. Вследствиепонижения давления в этой трубе раствор вскипает и, таким образом,парообразование происходит за пределами нагрева.
Циркулирующийраствор опускается по наружной необогреваемой трубе 4. Упаренный растворотводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар пройдя отбойник5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступаетлибо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либосверху в циркуляционную трубу 4.
Вследствие большойповерхности испарения, которая создаётся в объёме кипящего раствора ичастичного самоиспарения капель, унесённых вторичным паром, значительноснижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностьютеплообмена, что уменьшает отложение накипи.
Ввиду значительного перепадатемператур (до 30 °С) между греющимпаром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции вэтих аппаратах достигает 1.8-2 м/с.
Увеличение скоростиприводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициентытеплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 вт/(м2 К).
Аппараты свынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпариваниякристаллизующихся растворов умеренной вязкости.
Области применениявыпарных аппаратов.
Конструкция выпарного аппарата должнаудовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокаяпроизводительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёмеаппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжностьв эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра,ремонта и замены отдельных частей.
Вместе с тем выбор конструкции и материалавыпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическимисвойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия,кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)
Как указывалось,высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаютсяпутём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастаетрасход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к.при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлическогосопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияниеэтих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратови выборе оптимальной конструкции.
Ниже приводятсяобласти преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.
Для выпариваниярастворов небольшой вязкости ~8 10-3 Па с, без образования кристаллов чаще всего используютсявертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из нихнаиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносныминеобогреваемыми циркуляционными трубами.
Выпариваниенекристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка 0.1 Па с, производят ваппаратах с принудительной циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах спадающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.
В роторных прямоточныхаппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпариваниярастворов, чувствительных к повышенным температурам.
Аппараты спринудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихсяили вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и ваппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции.Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурироватьс выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.
Для сильно пенящихсярастворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.
2. Технологическая часть.
Описаниетехнологической схемы.
В однокорпусной выпарной установкеподвергается выпариванию водный раствор хлорида магния под вакуумом.
Исходный раствор MgCl2 из емкости Е1подается центробежным насосом Н в теплообменник АТ, где подогревается дотемпературы, близкой к температуре кипения, затем поступает вгреющую камеру выпарного аппарата АВ. В данном варианте схемы применен выпарнойаппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой. Предварительныйподогрев раствора повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор,нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкостипроисходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капельвторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.
Движение раствора ивторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическимконденсатором КБ и вакуум-насосом НВ. В барометрическом конденсаторе КБ вода ипар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Дляувеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками.Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком побарометрической трубе с гидрозатвором. Конденсат греющих паров из выпарногоаппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчиков КО.
Концентрированныйраствор MgCl2 после выпарногоаппарата подается в одноходовые холодильники Х1-2, где охлаждается доопределённой температуры. Затем концентрированный раствор отводится ввакуум-сборники Е2-3, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняютсяпериодически (по мере накопления раствора). Далее раствор поступает в емкостьупаренного раствора Е5.
3. Технологическиерасчеты.
3.1 Расчёт выпарногоаппарата.
3.1.1. Материальныйбаланс процесса выпаривания.
Основные уравнения материального баланса:
/> (1)
/> (2)
где /> - массовые расходыначального и концентрированного раствора, кг/с;
хнач,хкон – массовые доли растворенного вещества в начальном иконцентрированном растворе;
W – массовый расходвыпаренной воды, кг/с:
/>
/>кг/с
3.1.2. Определение температур идавлений в узловых точках технологической схемы.
3.1.2.1 Определение давления итемпературы в выпарном аппарате Р1, t1
Абсолютноедавление в сепараторе выпарного аппарата:
/> (3)
где Ратм– атмосферное давление, ат;
Рвак– вакуум в аппарате, ат.
/>ат
По давлениюР1 найдем температуру вторичного пара в сепараторе t1, °С;
/3, Табл. LVII /
t1=89.3°С
3.1.2.2.Определение давления итемпературы вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р0, t0
.
Зададимся значением гидравлическойдепрессии из промежутка 0.5-1.5 °С:
Dtгидросопр.=1 °С
Температуравторичного пара в барометрическом конденсаторе t0,°С:
t0=t1-Dtгидросопр. (4)
t0=89.3-1=88.3 °С
Давлениевторичного пара в барометрическом конденсаторе Р0, ат, потемпературе t0 / 2, табл. LVII/
Р0=0.674 ат
Найдёмконечную температуру в сепараторе.
Переведёмзначение давления Р1 в Па:
Р1=0.65 ат=0.674 9.81 104=6.609 104Па
Воспользуемсяформулой (Приложение 2 п.5)
/>=89.168 °С
3.1.2.3. Определениедавления в среднем слое выпариваемого раствора Рср.
Оптимальнаявысота уровня Нопт
Нопт=(0.26+0.0014(rр-rв)) Нтр (6)
Где(rр-rв)– разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения,если температура кипения неизвестна то можно взять при t=20°С /2, с.252/
Нтр– рабочая высота труб, м
Плотностьраствора rр, и воды rв при температуре t=20 °С, иконцентрации Xкон (Приложение 2, п.1)
rв=962.681 кг/м3
rр=1013 кг/м3
ПримемНтр=6 м, тогда
Нопт=(0.26+0.0014(1.047 104-997.34)) 6=1.974м
/> (6)
/> Па
Температурукипения на середине кипятильных труб при Рср
(Приложение2. П.5)
/>91.834 °С
3.1.2.4 Определение давлениягреющего пара.
Зададимсяполезной разностью температур Dtполезн.³25°С
Dtполезн.=30 °С
Найдемтемпературу конденсации греющего пара tконд.гр.п, °С:
tконд.гр.п.= tкип+<sub/>Dtполезн. (7)
tконд.гр.п.= 91.834+30=124,168 °С
Потемпературе конденсации греющего пара найдём давление греющего пара Ргр.п,ат / 2, табл. LVI /
Ргр.п=2,2256 ат
3.1.3 Тепловой баланс выпарногоаппарата.
Уравнениетеплового баланса выпарного аппарата:
Q = Qнагр+ Qисп+ Qпот (8)
где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;
Qнагр – расход теплоты на нагрев растворадо температуры кипения, Вт;
Qисп–расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;
Qпот– расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;
3.1.3.1.Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду
Расход теплоты на компенсацию потерьв окружающую среду Qпот при расчёте выпарных аппаратовпринимается 3-5% от суммы (Qнагр+ Qисп)
/2, с 247 /. Следовательно:
Q = 1.05 (Qнагр+ Qисп)
Температуруисходного раствора tнач, поступающего в выпарной аппарат изтеплообменника примем на 2.5°Сменьше tкон:
tнач= tкон-2.5
tнач=89.168-2.5=86.668 °С
3.1.3.2 Расход теплоты нанагрев:
Qнагр=Gнач снач (tкон-tнач) (10)
где Gнач – производительность поразбавленному раствору
снач– удельная теплоёмкость раствора при tнач и начальной концентрации Хнач, Дж/(кг К) (Приложение 2, п.3)
снач=4.141 103Дж/(кг К)
Qнагр=4.5 4.141 103(89.168-86.668)=4.658 104Вт
3.1.3.3 Расходтеплоты на испарение:
Qисп=W×(i”вт.п - св×tкон) (11)
где iвт.п – удельная энтальпия вторичного парана выходе из аппарата при температуре t1, из таблицы / 2, табл.LVI /, кДж/кг;
св – удельная теплоёмкостьводы при tкон, (Приложение 2, п.3) Дж/(кг К)
iвт.п =2656 кДж/кг,
св=4213 Дж/(кг К)
Qисп=3.336×(2656×103<sub/> - 4213×89.168)=7.611×106Вт
3.1.4. Расчёт поверхноститеплообмена выпарного аппарата.
Длярасчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнениетеплопередачи:
Q=K F Dtполезн. (12)
где К – коэффициент теплопередачиВт/(м2 К)
F – площадь поверхности теплообмена, м2;
Коэффициенттеплопередачи К найдем из выражения:
/> (13)
где aкип – коэффициент теплоотдачи кипящегораствора, Вт/(м2 К)
aконд — коэффициент теплоотдачиконденсирующегося пара, Вт/(м2 К)
∑rст – сумма термических сопротивленийвсех слоёв, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м2 К)/Вт
Длярасчётов коэффициент теплоотдачи aконд, aкип воспользуемся методом итераций.
Примемтемпературу наружной стенки трубы tст1 меньшей чем tконд.гр.п. и равной:
tст1=121.21 °С
Приконденсации греющего пара на пучке вертикальных труб, выражение длякоэффициента теплоотдачи имеет следующий вид / 2, формула 4.52(а) /:
/> (14)
где Н– высота труб, м
Dt– разность температур конденсаций греющего пара tконд.гр.п. и температуры стенки t1, с;
Значениефункции Аt найдём при температуре tконд.гр.п. / 2, табл. 4.6 /
At=7278
Dt = tконд.гр.п..-tст1 (15)
Dt =124.168-121.21=2.958 °С
Н=Нтр=6 м
/>Вт/(м2 К)
Количествотеплоты q1, передаваемое от конденсирующегося пара к стеке, найдёмпо формуле:
q1=aконд(tконд.гр.п… — tст1) (16)
q1=7233 2.958=2.14 104Вт
Таккак процесс теплопередачи является установившемся, то количество теплоты q1 равно количеству теплоты qст, которое передаётся от наружнойстенки трубы с температурой tст1 к внутренней, с температурой tст2.
/> (17)
Суммарноетермическое сопротивление стенки найдём по формуле:
/> (18)
где d- толщина стенки трубы, м;
lст — коэффициент теплопроводности трубы,Вт/(м К)
rзагр1, rзагр2– термическое сопротивление слоев загрязнения с наружной и внутренней сторонстенки соответственно, м2 К/Вт
Определимзначения величин rзагр1, rзагр2/ 2, табл. ХХХI /
rзагр1=1/5800=1.724 10-4м2 К/Вт
rзагр2=1/1860=5.376 10-4м2 К/Вт
Коэффициенттеплопроводности lст для стали равен:
lст=46.5 Вт/(м К)
Толщинустенки трубы примем:
d=0.002м
/> м2 К/Вт
Температуруtст2 найдём из формулы (17)
tст2= tст1-q1 ∑rст
tст2=121,21-2.14 104 .289 10-4=103.475 °С
Коэффициенттеплоотдачи кипящего раствора / 2, формула 4.62 /
/> (19)
где b – безразмерная функция;
n- кинематическая вязкость раствора, м2/с
s- поверхностное натяжение раствора Н/м
DТкип– разность температур tст2 и температуры кипения раствора
tкип, К;
Значениебезразмерной функции b / 2, формула 4.62 а /:
/> (20)
где rп – плотность пара, кг/м3;
Плотностьраствора rр рассчитываем при температуре кипения tкип и конечной концентрации хкон(Приложение 2, п.1):
rр=1.013 103кг/м3
Плотностьпара rп найдём при температуре кипения tкип/ 2, табл. LVI /
rп=0.4147 кг/м3
/>
Кинематическаявязкость раствора n:
n=mр/rр (21)
где mр – динамическая вязкость раствора, Па с
Динамическаявязкость раствора при температуре tкип(Приложение 2, п.2):
mр=3.87 10-4Па с
n=3.87 10-4/1.013 103=3.82 10-7м2/с
Поверхностноенатяжение s при температуре tкип определяем для воды, т.к.концентрация MgCl2достаточно мала /2; таблXXXIX/
s=0,05995Н/м
Коэффициенттеплопроводности l для раствора при tкип и хкон (Приложение 2, п.4), Вт/(м К):
l=0.662Вт/(м2.К)
/> Вт/м2 К
Количествотеплоты q2, передаваемое от внутренней стенки краствору:
q2=aкип (tст2 — tкип) (22)
q2=2.238 103 (103.475-94.168)=2.083 104 Вт
Определимзначение выражения:
/>
иесли Е< 0.05 то расчёт коэффициентовтеплоотдачи выполнен верно.
Е=(2.14 104-2.083 104)/2.083 104=0.027
Тогда:
/> Вт/(м2 К)
/> (23)
/> м2
3.1.4 Выборвыпарного аппарата по каталогу.
Произведёмвыбор аппарата по каталогу / 3, приложение 4.2 /. Для этого найденную площадьповерхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запасапроизводительности.
Fв.п.=1.2 F
Fв.п.=1.2 358.774=430.493м2
где Fв.п. – площадь выпарного аппарата сучётом запаса производительности, м2;
Выберемвыпарной аппарат с естественной циркуляцией исоосной греющей камерой.Наиболее подходящимвариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 450 м2;
Таблица 1. Основные размеры выпарногоаппарата (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
l= 6000 мм 450 1600 4000 1000 18000 31500F – номинальная поверхность теплообмена;
D – диаметр греющей камеры;
D1 – диаметр сепаратора;
D2 – диаметр циркуляционной трубы;
Н– высота аппарата;
М– масса аппарата;
3.2. Ориентировочный расчет теплообменногоаппарата для подогрева исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат.
/> <td/> />3.2.1. Определение среднихтемператур теплоносителей.
Рис. 1 Температурная схема
где t’нач– начальная температура исходного раствора (по заданию)
Dtбол, Dtмен – большая и меньшая разностьтемператур соответственно, °С; tнач – температура исходного растворапосле подогревателя, °С ;
Dtб = tконд.гр.п – t’нач (24)
Dtб = 124,168 – 35 = 89.168 °С
Dtм = tконд.гр.п – tнач (25)
Dtм = 124,168 – 86.668 = 37.5 °С
Значениесредней движущей силы рассчитывается по формуле:
/> (26)
/> °С
Средняятемпература раствора:
tср.р = tконд.гр.п– Dtср (27)
tср.р=124.168 –59.65=64.518 °С
3.2.2. Тепловой баланс подогревателя.
Расходтеплоты на подогрев исходного раствора от температуры t’начдо температуры tнач найдем по формуле (10), принявзначение теплоёмкости раствора при температуре и концентрации Хнач (Приложение 2, п.3 )
Q=4.5 4.141 103 (86.668-35)=9.628 105Вт
Расходгреющего пара Gгр.п. найдём по формуле:
/> (28)
где r – удельная теплота парообразования,Дж/кг;
c- степень сухости пара;
c=0.95
Удельнаятеплота парообразования при температуре tконд.гр.п./ 2, табл. LVI /:
r=2205x103 Дж/кг
/> кг/с
3.2.3. Ориентировочный расчетподогревателя.
Зададимсяориентировочным коэффициентом теплопередачи от конденсирующегося пара кжидкости / 2, табл. 4.8 /:
Кор=850 Вт/(м2 К)
Рассчитаемориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);
/> м2
Дляобеспечения интенсивного теплообмена необходимо обеспечить турбулентный режимтечения, он достигается при Reболее 10000. Зададимся:
Re=10000
Скоростьтечения раствора в аппарате с диаметром труб d=20 мм рассчитаем
по формуле:
/> (29)
где wтр – скорость течения раствора втрубном пространстве м/с;
dэкв – эквивалентный диаметр, м;
Значениякоэффициентов вязкости раствора mр и плотности rр возьмём при температуре tср.р.иконцентрации Хнач ( Приложение 2, п.1, п.2 )
/> м/с
Проходноесечение трубного пространства Sтр, м2:
/> (30)
/> м2
Длятого, чтобы подобрать наиболее подходящий вариант подогревателя необходимопроизвести уточнённый расчёт нескольких близких аппаратов. Примем диаметр труб d=25 мм:
/> м/с
/> м2
3.2.4. Параметры теплоносителейнеобходимые для уточнённого расчёта подогревателя
Параметр Горячий Холодный Название Теплоносителя Водяной парВодный р-р MgCl2
Тепловой процесс конденсация нагревание Расход, кг/с 0,45977 4,5 Температуры: Конденсации / начальная 124,168 35 Конечная 86,668 Средняя 64,518Плотность, кг/м3
937,6 994 Вязкость, Па*с 0,000222 0,000469 Теплопроводность, Вт/м*К 0,677 0,672 Теплоёмкость, Дж/кг*К 4193 Коэф. Объёмн. Расшир., 1/К 0,000551 Производные по температуре: Вязкости -0,0000022049 -0,000006293 Теплопроводности -0,0004803 0,0009253 теплоёмкости 3,69 Теплота конденсации, Дж/кг 22050003.2.5 Ориентировочный выборподогревателя.
Дляобеспечения турбулентного режима номинальная площадь проходного сечения должна бытьменьше рассчитанной. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара независит от режима течения в межтрубном пространстве, следовательно,необязательно рассчитывать скорость движения пара и проходное сечениемежтрубного пространства
Выбор теплообменных аппаратовпроизводится по проходному сечению трубного пространства / 3, табл. 2.3 /.
3.2.6. Параметры подогревателянеобходимые для уточнённого расчёта.
Параметр / № аппарата 20 мм 25 мм Тип Кожухотрубчатый Кожухотрубчатый Положение Горизонтальный Горизонтальный Перегородки в м-тр простр-ве Есть Есть Расположение труб шахматное шахматное Кол-во труб 166 100 Рядов труб 14 10 Ходов 2 2 Внут. Диам. Кожуха, мм 400 400 Трубы, мм 20*2 25*2,5Проходное сечение трубного простр., м2
0,017 0,017Проходное сечение межтрубного простр., м2
0,03 0,025 Термич. Сопрот. Загрязнений 0,00071 0,00071 Теплопров. Мат-ла труб, Вт/м*К 46,5 46,5
3.2.7. Уточнённый расчетподогревателя на ЭВМ.
Поданным п. 3.2.4.-3.2.6. Произведём уточнённый расчёт подогревателя результатырасчёта представлены в (приложении 3).
3.2.8. Расчёт гидравлического сопротивлениякожухотрубчатых теплообменников
Скоростьжидкости в трубах:
/> (31)
/> Скорость раствора для обоих подогревателей wтр, м/с:
/>м/с
Коэффициенттрения l рассчитывается по формуле / 3, ф-ла. 2.31 / :
/> (32)
где е– относительная шероховатость труб;
е=D/dэкв (33)
где D- высота выступов шероховатостей (в расчётах можно принять D=0.2мм)
Тогдаотносительная шероховатость труб для первого и второго теплообменникасоответственно:
е1=0.2/(20-4)=0.0125
е2=0.2/(25-4)=0.0095
Коэффициенттрения для первого теплообменника l1:
/>
Коэффициенттрения для второго теплообменника l2:
/>
Диаметрштуцеров в распределительной камере dтр.ш=150 мм / 3, табл. 2.6 / (для каждоготеплообменника, скорость в штуцерах wтр.ш, м/с:
/> м/с
Формуладля определения гидравлического сопротивления в трубном пространстве Dртр,Па / 3, ф-ла. 2.35 /:
/> (34)
Гидравлическогосопротивления в трубном пространстве для первого теплообменника Dртр1:
/>
= 709.98 Па
Гидравлическогосопротивления в трубном пространстве для второго теплообменника Dртр2:
/>
= 597.12 Па
Числорядов труб омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве m приближенно принимается / 3, ф-ла.2.34 /:
/> (35)
где n– количество труб
Дляпервого теплообменника m1:
/>
Длявторого теплообменникаm2:
/>
Числосегментных перегородок для первого теплообменника Х1 / 3, табл. 2.7/:
Х1=6
Числосегментных перегородок для второго теплообменника Х2:
Х2=10
Диаметрштуцеров к кожуху dмтр.ш / 3, табл. 2.6 /:
dмтр.ш=150мм
Скоростьпотока в штуцерах (для каждого из теплообменников) по ф-ле. (31):
/> м/с
Скоростьжидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства для первоготеплообменника Sм.тр=0.017 м2:
/> м/с
Скоростьжидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства для второготеплообменника Sм.тр=0.025 м2:
/> м/с
ЗначениеRe межтрубного пространства:
/> (36)
ЗначениеRe межтрубного пространства для первоготеплообменника:
/>
ЗначениеRe межтрубного пространства для второготеплообменника:
/>
Гидравлическоесопротивление межтрубного пространства Dрмтр, Па /3, ф-ла. 2.36 /:
/> (37)
Гидравлическоесопротивление межтрубного пространства для первого теплообменника Dрмтр1,Па:
/>
=18.338 Па
Гидравлическоесопротивление межтрубного пространства для второго теплообменника Dрмтр1,2:
/>
= 13.05 Па
3.2.9. Выбор аппарата по каталогу.
Проанализировав данные уточнённогорасчёта, а также расчёт гидравлического сопротивления, мы видим, что обатеплообменника одинаково хорошо подходят (расходы теплоносителей одинаковы,гидравлические сопротивления различаются незначительно).На мой взгляд болеепредпочтителен аппарат №1, так как его габариты меньше, чем у аппарата №2.Следует так же отметить, что любой из этих аппаратов обеспечит необходимуюплощадь теплообмена с учётом запаса.
Таблица 2. Параметры кожухотрубчатоготеплообменника
D, мм d, мм Число ходов n, шт.Np
F, м2
Sтр., м2
l=2 м 400 20 2 166 14 21 0.0173.3. Расчёт холодильника упаренногораствора.
3.3.1. Определение средних температуртеплоносителей.
/>
Рис. 2 Температурная схема движениятеплоносителей при противотоке
tкон ,t’кон – температура упаренного раствора дои после холодильника, °С;
tнач.в,tкон.в – температура охлаждающей воды до ипосле холодильника, °С;
Конечнуютемпературу воды и упаренного раствора выбираем самостоятельно, причём t’кон следует принять из интервала 40-30 °С.
Поформулам (24-26) определяем:
Dtб= 89.168 – 35 = 54.168 °С
Dtм= 40 – 13 = 27 °С
/> °С
Среднюютемпературу воды найдём как среднее арифметическое tвод.ср.,°С:
tвод.ср= (tнач.в+tкон.в)/2 (38)
tвод.ср= (13+35)/2=24 °С
Средняятемпература раствора tср.р, °С:
tср.р= tвод.ср+Dtср (39)
tср.р=24 + 39.02 = 63.02 °С
3.3.2. Тепловой баланс холодильника.
Количествотеплоты, которое необходимо отвести от раствора для его охлаждения:
Q= Gкон скон (tкон-t’кон) (40)
где Gкон – расход упаренного раствора кг/с;
скон– удельная теплоёмкость раствора при tср.р.и Хкон, Дж(кг К)
Удельнаятеплоёмкость раствора скон раствора при tср.р.и Хкон
(Приложение2, п.3):
скон=3937 Дж(кг К)
Расходупаренного раствора Gкон, кг/с по формуле (2):
Gкон=1.164 кг/с
Q=1.164 3937 (89.168-40)=2.253 105 Вт
Таккак вся отводимая от раствора теплота передаётся охлаждающей воде, то её расходможно найти по формуле:
/> (41)
где Gвод – расход охлаждающей воды, кг/с;
свод– теплоемкость воды при температуре tвод.ср., Дж/(кг К)
Удельнаятеплоемкость воды при температуре tвод.ср(Приложение 2 п.3):
свод=4187 Дж/(кг К)
/> кг/с
3.3.3. Ориентировочный расчётхолодильника.
Зададимсяориентировочным коэффициентом теплопередачи от жидкости к жидкости / 2, табл.4.8 /:
Кор=1000 Вт/(м2 К)
Рассчитаемориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);
/>м2
Рассчитаем скоростьтечения раствора wтр по трубному пространствухолодильника с диаметром труб d=20 мми площадь сечения Sтр трубного пространства, необходимыедля обеспечения турбулентного режима течения раствора по формулам (29, 30).
Плотность раствора rр и коэффициент динамической вязкости mр при tср.р.<sub/>и Хкон(Приложение 2, п.1, п.2)
rр=1018 кг/м3
mр=4.606 10-4Па с
/>м/с
/> м2
Рассчитаем скоростьтечения в воды межтрубном wмежтр и площадь сечения Sмежтр межтрубного пространства,необходимые для обеспечения турбулентного режима.
/> (42)
Плотностьводы rв и коэффициент динамической вязкости mв при tвод.ср.(Приложение 2, п.1, п.2)
rв=996.467 кг/м3
mв=9.082 10-4 Па с
Эквивалентныйдиаметр при поперечном обтекании равен наружному диаметру трубы d.
/>м/с
/> (43)
/> м2
3.3.4. Выбор холодильника упаренногораствора.
Для обеспечения турбулентного режиманоминальные площади проходных сечений трубного и межтрубного пространств должныбыть меньше рассчитанных. Исходя из площади теплообмена и величин полученныхпроходных сечений мы должны выбрать теплообменник с наиболее подходящимипараметрами, проанализировав данные расчёта делаем вывод, что для обеспечениятребуемых параметров, необходимо использовать два, последовательно соединённыходноходовых аппарата. По каталогу / 3, табл. 2.3 /
Таблица 3. Параметры кожухотрубчатоготеплообменника
D, мм d, мм Число ходов n, шт.Np
F, м2
Sтр., м2
Sмежтр., м2
L=3 м 159 20 1 19 5 3.5 0.004 0.005
3.4. Расчёт барометрическогоконденсатора
3.4.1 Расход охлаждающей воды.
Расходохлаждающей воды Gв определим из теплового баланса конденсатора:
/> (44)
где iб.к. — интальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;
tн – начальная температура охлаждающейводы, °С;
tк– конечная температура смеси охлаждающей воды и конденсата, °С;
Разностьтемператур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5градусов. Поэтому температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на4 градуса ниже температуры конденсации паров t0:
tk=t0–4
tk = 88.3 – 4=84,3 °С
Энтальпияпаров в барометрическом конденсаторе iб.к, при температуре t0 / 2, табл LVI /:
iб.к,=2658.94 103Дж/кг;
Среднюютемпературу воды найдём по формуле (38):
tср.в.=(84.3+13)/2=48.65°С
Удельнаятеплоёмкость воды св при температуре tср.в. (Приложение 2, п.3):
св=4186 Дж.(кг К)
/> кг/с
3.4.2. Диаметр барометрическогоконденсатора
Диаметрбарометрического конденсатора определим из уравнения расхода:
/> (45)
где r- плотность паров, кг/м3;
u- скорость паров, м/с.
Приостаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров u=15-25м/с
Возьмём:
u=21м/с
Плотность паров rпри температуре t0/2, табл. LVI /
r=0.317 кг/м3
/> м
3.4.3. Выбор барометрическогоконденсатора.
Выбираемконденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему большему / 3,приложение 4.6 /.
Барометрическийконденсатор: внутренний диаметр dб.к.=800мм
Условный проход штуцера для барометрической трубы dб.т=200 мм
3.4.3. Высота барометрической трубы
Скоростьводы в барометрической трубе равна:
/> (46)
Плотностьводы rв при температуре tк(Приложение 2, п.1):
rв=969.545 кг/м3
/>
Высотабарометрической трубы / 3, формула 4.24 /:
/> (47)
где В– вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;
Sx — сумма коэффициентов местныхсопротивлений;
lтр — коэффициент трения в барометрической трубе;
0,5– запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.
Вакуумв барометрическом конденсаторе В, Па;
В=Ратм — Р0 (48)
В=(1 — 0.674) 9.81 104= 3.198 104 Па
Суммакоэффициентов местных сопротивлений Sx:
/> (49)
где xвх, xвых — коэффициенты местных сопротивленийна входе в трубу и на выходе из нее.
/>
Коэффициенттрения lтр зависит от режима течения жидкости,определим режим течения воды в барометрической трубе:
/> (50)
Коэффициентдинамической вязкости воды mв при tk(Приложение 2,п.2)
mв=3.384 10-4Па с
/>
Притаком значении Re, коэффициент трения lтр равен / 2, рис 1.5 /.
l=0,0132
Поформуле (47):
/>
Откуданаходим высоту барометрической трубы:
/>
3.5. Расчет производительностивакуум-насоса.
Производительностьвакуум-насоса Gвозд, кг/с определяется количеством газа(воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
Gвозд = 2.5 10-5(W+ Gв)+ 0,01W (51)
где 2.510-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;
0.01количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.
Gвозд = 2.5 10-5 (3.336+25.776) + 0.01 3.336=0.034 кг/с
Объемнаяпроизводительность вакуум-насоса равна:
/> (52)
где R – универсальная газовая постоянная,Дж/кмоль×К;
Мвозд - молекулярная масса воздуха, кг/моль;
Твозд– температура воздуха, К;
Рвозд– парциальное давление сухого насыщенного пара (Па) в барометрическом конденсаторепри tвозд.
Температурувоздуха рассчитывают по формуле / 3, с. 179 /:
tвозд = tн+ 4 +0,1(tк – tн) (53)
tвозд= 13 + 4 + 0,1(84.3 – 13) = 24.13 °С
Давлениевоздуха Рвозд. равно:
Рвозд=Р0 — Рп (54)
где Рп– давление сухого насыщенного пара при температуре tвозд / 2, табл LVI/
Рп=0.03082 ат
Рвозд=(0.674-0.03082) 9.81 104=6.31 104Па
Объемнаяпроизводительность вакуум-насоса равна:
/> м3/с = 2.75 м3/мин
Знаяобъемную производительность Vвозд и остаточное давление Р0по таблице / 3, приложение 4.7 / выбираем вакуум-насос:
Таблица 4. Характеристикавакуум-насоса типа ВВН
.
ТипоразмерОстаточное давление,
Мм.рт.ст
Производи-тельность, м3/мин
Мощность на валу,
КВт
ВВН-3 75 3 6.5
4. Выводы по курсовому проекту.
В данном курсовом проекте описан процессвыпаривания раствора MgCl2.
Врезультате проведенных расчетов были выбраны по каталогу следующие аппараты:
- выпарной аппарат:тип 1 исполнение 3группа Б — выпарной аппарат с соосной греющей камерой и кипением в трубах сплощадью теплообмена – 450 м2.
- холодильник,состоящий из двух одноходовых теплообменников с длиной труб l=3м, диаметромкожуха 159 мм, поверхностью теплообмена 3.5 м2 и числом труб 19.
- подогреватель:двухходовой теплообменник с длиной труб l=2 м, диаметромкожуха 400 мм, и поверхностью теплообмена 21 м2 и числом труб 166.
- барометрическийконденсатор диаметром D=0.8м с высотой трубы 4 м.
- вакуум- насос типа BBH — 3
Подробнобыл сделан расчет подогревателя на ЭВМ. На основании этих расчетов и выбранныхпо каталогу аппаратов, была составлена технологическая схема установки сописанием технологического процесса.
Литература.
1. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд.,перераб. и доп. — М: Химия, 1973. — 754с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессыи аппараты химической технологии. 10-е изд., перераб. и доп. - Ленинград:Химия. 1987.- 576с.
3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. — Москва:1991. — 496с.