Курсовая работа: Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
ºС.
Значения физических
величин конденсата берём при tпл = 142,85ºС.
Коэффициент теплоотдачи
от стенки к кипящему раствору в условиях его естественной
циркуляции для пузырькового режима в вертикальных трубах равен:
, (2.16)
где – плотность
греющего пара в первом корпусе, – плотность пара при
атмосферном давлении; – соответственно,
теплопроводность, поверхностное натяжение, теплоемкость и вязкость раствора в
первом 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 правильность
первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
Как видим
Для второго приближения
примем
Очевидно, что
Для определения строим
графическую зависимость тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой (см.
рис. 1.1) и определяем = 1,1 ºС.
Проверка:
Как видим
Рассчитываем коэффициент
теплопередачи К1 в первом корпусе:
Коэффициент теплопередачи
для второго корпуса К2 и третьего К3 можно
рассчитывать так же , как и коэффициент К1 или с достаточной
точностью воспользоваться соотношением коэффициентов , полученных из практики ведения
процессов выпаривания .Эти соотношения варьируются в широких пределах:
К1 : К2
: К3 = 1 : (0,85 0,5) (0,7 0,3)
Поскольку – СaCl2 –соль, соотношение коэффициентов
принимаем 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 Распределение
полезной разности температур
Полезные разности
температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей
теплопередачи:
, (1.21)
где – общая полезная
разность температур выпарной установки; – отношение тепловой
нагрузки к коэффициенту теплопередачи в корпусе; i = 1,2,3 –
номер корпуса.
Проверим общую полезную
разность температур установки:
Поскольку рассчитаны
величины тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезной разности
температур по корпусам, следовательно, можно найти поверхность теплопередачи
выпарных аппаратов:
Полученные значения
поверхности теплопередачи сравниваем с определенной ранее ориентировочной
поверхностью Fор=49 м2. Различие
незначительное. Значит, размеры выпарных аппаратов выбраны правильно.
По ГОСТ 11987 выбираем
аппарат с поверхностью теплообмена F=63м2 и длиной труб Н = 4 м. Основные
технические характеристики выпарного аппарата представлены в таблице 1.6.
Таблица 1.6 – Техническая
характеристики 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 Определение
толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции
находим
из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:
, (1.22)
где – коэффициент
теплоотдачи от внешней поверхности изоляции к воздуху, Вт/(м2 К) ;
– температура изоляции со
стороны воздуха, °С; Для аппаратов, работающих внутри помещения выбирают в
пределах 35 ÷ 45 ºС, а для аппаратов, работающих на открытом
воздухе в зимнее время – в интервале 0 ÷ 10 ºС.;
– температура изоляции со
стороны аппарата, ºС (температуру tст1 можно принимать равной температуре
греющего пара, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата
по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции);
– температура окружающей
среды (воздуха), ºС;
– коэффициент теплопроводности
изоляционного материала, Вт/(мК).
В качестве изоляционного
материала выбираем совелит, который содержит 85% магнезии и 15 % асбеста. Коэффициент
теплопроводности совелита
Толщина тепловой изоляции
для первого корпуса:
Такую же толщину тепловой
изоляции принимаем для второго и третьего корпусов.
2. Расчет
вспомогательного оборудования
2.1 Расчет
барометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарных
установках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качество
охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего
при температуре окружающей среды (около 20 ºС). Смесь охлаждающей воды и
конденсата выходит из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания
постоянного вакуума в системе вакуум-насос постоянно откачивает
неконденсирующиеся газы.
2.1.1 Определение
расхода охлаждающей воды
Расход охлаждающб ей воды
Gв (в кг/с) определяем из теплового баланса конденсатора:
, (2.1)
где – энтальпия пара в
барометрическом компенсаторе, кДж/кг;
– теплоёмкость воды, кДж/(кг
К);
С в =4190 кДЖ/(кгК);
- начальная температура охлаждающей
воды, ºС;
t н = 10 20 ºС
- конечная температура смеси воды
и конденсата, ºС.
Разность температур между
паром 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 диаметра
барометрического конденсатора
Диаметр барометрического
конденсатора ‚ 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 НИИХИММАШа
подбираем барометрический конденсатор диаметром dбк = 600 мм с диаметром трубы dбт = 150 мм.
2.1.3 Расчет высоты
барометрической трубы
Скорость воды в
барометрической трубе
Высота барометрической
трубы
, (2.3)
где В –
вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;
– сумма коэффициентов
местных сопротивлений;
– коэффициент трения в
барометрической трубе;
– высота и диаметр
барометрической трубы, м;
0,5 – запас высоты
на возможное изменение барометрического давления.
,
где – коэффициенты
местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.
Коэффициент трения зависит от
режима движения воды в барометрической трубе. Определим режим течения воды в
барометрической трубе:
где – вязкость воды, Па∙с,
определяемая по номограмме при температуре воды tср.
Для гладких труб при Re = 123250,
2.2 Расчёт
производительности вакуум – насоса
Производительность
вакуум-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, подсасываемого
в конденсатор через уплотнения на 1 кг паров. Тогда
Объёмная
производительность вакуум-насоса
, (2.5)
где R – универсальная газовая
постоянная, Дж/(кмоль К);
Mв – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;
tв – температура воздуха, ºС;
Рв – парциальное давление сухого воздуха в
барометрическом 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 объёмную
производительность воздуха и остаточное давление в
конденсаторе Рбк, по каталогу подбираем вакуум-насос типа ВВН
– 3 мощность на валу .
Удельный расход энергии
на тонну упариваемой воды, ,
.
2.3 Определение
поверхности теплопередачи подогревателя
Поверхность теплопередачи
подогревателя (теплообменника) Fп ,м2 определяем по основному уравнению теплопередачи:
, (2.7)
где – тепловая
нагрузка подогревателя, Вт определяется из теплового баланса теплообменника: Кп –
коэффициент теплопередачи, Вт/(м К), Кп = 120 ÷
340;
– средняя разность температур
между паром и раствором, ºС;
– количество начального
раствора, кг/с, и его теплоёмкость, Дж/(кг∙К);
– начальная температура
исходного раствора, ºС;
– температура раствора на
выходе из теплообменника, ºС, равная температуре с которой раствор входит
в первый корпус.
t1н = 143,6ºС пар t1к = 143,6ºС
t2н = 20ºС раствор t2к = 129,9ºС
Так как отношение , то величину определим как
среднелогарифмическую:
Тогда поверхность теплообменника
Площадь поверхности
теплопередачи теплообменника принимается на 10—20 % больше расчетной величины:
На основании найденной поверхности по ГОСТ
15122 – 79 выбираем кожухоторубчатый одноходовой теплообменник с такими
параметрами: площадь поверхности теплопередачи F = 65 м2 , число труб n = 283 длина труб l = 3 м, диаметр труб 25 х 2 мм, диаметр
кожуха D = 600 мм .
2.4 Расчёт
центробежного насоса
Основными типами насосов,
используемых в химической технологии, являются центробежные, осевые и
поршневые. Для проектируемой выпарной установки используем центробежный насос.
При проектировании обычно возникает задача определения необходимого напора Н
и мощности N при заданной подаче (расходе)
жидкости Q, перемещаемой насосом. Далее по
найденному напору и производительности насоса определяем его марку, а по
величине 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 исходного
раствора (атмосферное), Па; Р2 – давление вторичного пара в первом корпусе, Па;
НГ – геометрическая высота подъема раствора, м,
Н Г = 8 ÷ 15 м; hп – напор, теряемый на преодоление гидравлических
сопротивлений (трения и местных сопротивлений) в трубопроводе и теплообменнике,
м.
Потери напора
, (2.10)
где и – потери напора
соответственно в трубопроводе и в теплообменнике, м. В связи с громоздкостью
расчета потери напора в теплообменнике можно не рассчитывать и принимать их в
пределах ,
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 коэффициентов
местных сопротивлений.
Определим диаметр
трубопровода из основного уравнения расхода:
Для определения
коэффициента трения рассчитываем величину Rе:
, (2.11)
где плотность, кг/м3
и вязкость, Па∙с исходного раствора; при концентрации x = 5%;
Для гладких труб при Re = 49168 по задачнику
Определим сумму
коэффициентов местных сопротивлений :
Коэффициент местных
сопротивлений равны:
вход в трубопровод = 0,5;
выход из трубопровода = 1,0;
колено с углом 90º
(дл--+я трубы d = 54
мм); =
1.1;
вентиль прямоточный = (для трубы d = 24,6 мм);
;
Примем потери напора в теплообменнике
и аппарата плюс
2 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 оптимальных
условиях работы Q = 2,4 10-3 м3/с, H = 30 м. Насос обеспечен
электродвигателем АО2 – 32 – 2 номинальной мощностью N = 4 кВт.
По мощности, потребляемой
двигателем насоса, определяем удельный расход энергии:
2.5 Расчёт объёма и
размеров емкостей
Большинство емкостей
представляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндрические аппараты. При
проектировании емкостей основными руководящими документами являются нормали и
Государственные стандарты.
По номинальному объему
аппарата выбирают его основные конструктивные размеры (диаметр, высоту),
которые должны соответствовать ГОСТ 9941 – 72, ГОСТ 9671 – 72.
Длина (высота) емкостей
принимается равной (1 ÷1,5) Dн.
Расчет емкостей для
разбавленного и упаренного раствора ведем из условий шестичасовой (сменной)
работы выпарного аппарата, т.е. ч.
0бъём емкости для
разбавленного (исходного) раствора
, (2.12)
где – количество
(кг/ч) и плотность (кг/м3) исходного раствора;
– коэффициент заполнения
емкости, =
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 упаренного
раствора
, (2.13)
где – количество (кг/ч)
и плотность (кг/м3) упаренного раствора.
Устанавливаем емкость объемом
8 м3 диаметром 2 м и длиной 2,6 м.
3.6 Определение
диаметра штуцеров
Штуцера изготовляют из
стальных труб необходимого размера. По ГОСТ 9941 – 62 применяют трубы следующих
диаметров:
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 штуцеров
определим из основного уравнения расхода:
, (2.14)
где Vc – расход раствора или пара, м3/с;
w – средняя скорость потока, м/с. Диаметр
штуцера для разбавленного раствора
Диаметр штуцера для упаренного
раствора
Диаметр штуцера для ввода
греющего 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 Подбор
конденсатоотводчиков
Для отвода конденсата и предотвращения
проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые
насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками. Расчет и
подбор стандартного поплавкового конденсатоотводчика по ГОСТ 15112 – 69
заключается в определении диаметра условного прохода по максимальному коэффициенту
пропускной способности k и в
выборе по найденной величине Dу конструктивных
размеров аппарата [3].
Значение максимального коэффициента
пропускной способности определяется в зависимости от расхода конденсата в (т/ч)
и перепада давлений (кгс/см2) между
давлением до конденсатоотводчика и после него:
(2.16)
Давление до
конденсатоотводчика 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 от
величины 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, поступающего
в 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 выбираем
конструктивные размеры конденсатоотводчика.
Список источников
информации
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 задачи
по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976. 550 с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие
по 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 химической
технологии» -Харьков- НТУ«ХПИ»,2004.55с.
|