Проектирование выпарной установки

Проходное сечение трубного пространства Sтр, м2:

[pic] (30)

[pic] м2

Для того, чтобы подобрать наиболее подходящий вариант подогревателя

необходимо произвести уточнённый расчёт нескольких близких аппаратов.

Примем диаметр труб d=25 мм:

[pic] м/с

[pic] м2

3.2.4. Параметры теплоносителей необходимые для уточнённого расчёта

подогревателя

|Параметр |Горячий |Холодный |

|Название Теплоносителя |Водяной пар |Водный р-р MgCl2|

|Тепловой процесс |конденсация |нагревание |

|Расход, кг/с |0,45977 |4,5 |

|Температуры: |

|Конденсации / начальная|124,168 |35 |

|Конечная | |86,668 |

|Средняя | |64,518 |

|Плотность, кг/м3 |937,6 |994 |

|Вязкость, Па*с |0,000222 |0,000469 |

|Теплопроводность, |0,677 |0,672 |

|Вт/м*К | | |

|Теплоёмкость, Дж/кг*К | |4193 |

|Коэф. Объёмн. Расшир., | |0,000551 |

|1/К | | |

|Производные по температуре: |

|Вязкости |-0,0000022049 |-0,000006293 |

|Теплопроводности |-0,0004803 |0,0009253 |

|теплоёмкости | |3,69 |

|Теплота конденсации, |2205000 | |

|Дж/кг | | |

3.2.5 Ориентировочный выбор подогревателя.

Для обеспечения турбулентного режима номинальная площадь проходного

сечения должна быть меньше рассчитанной. Коэффициент теплоотдачи от

конденсирующегося пара не зависит от режима течения в межтрубном

пространстве, следовательно, необязательно рассчитывать скорость движения

пара и проходное сечение межтрубного пространства

Выбор теплообменных аппаратов производится по проходному сечению

трубного пространства / 3, табл. 2.3 /.

3.2.6. Параметры подогревателя необходимые 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*2,5 |

|Проходное сечение трубного |0,017 |0,017 |

|простр., м2 | | |

|Проходное сечение межтрубного|0,03 |0,025 |

|простр., м2 | | |

|Термич. Сопрот. Загрязнений |0,00071 |0,00071 |

|Теплопров. Мат-ла труб, |46,5 |46,5 |

|Вт/м*К | | |

3.2.7. Уточнённый расчет подогревателя на ЭВМ.

По данным п. 3.2.4.-3.2.6. Произведём уточнённый расчёт подогревателя

результаты расчёта представлены в (приложении 3).

8. Расчёт гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников

Скорость жидкости в трубах:

[pic] (31)

[pic] Скорость раствора для обоих подогревателей (тр, м/с:

[pic]м/с

Коэффициент трения ( рассчитывается по формуле / 3, ф-ла. 2.31 / :

[pic] (32)

где е – относительная шероховатость труб;

е=(/dэкв (33)

где ( - высота выступов шероховатостей (в расчётах можно

принять (=0.2 мм)

Тогда относительная шероховатость труб для первого и второго

теплообменника соответственно:

е1=0.2/(20-4)=0.0125

е2=0.2/(25-4)=0.0095

Коэффициент трения для первого теплообменника (1:

[pic]

Коэффициент трения для второго теплообменника (2:

[pic]

Диаметр штуцеров в распределительной камере dтр.ш=150 мм / 3, табл.

2.6 / (для каждого теплообменника, скорость в штуцерах (тр.ш, м/с:

[pic] м/с

Формула для определения гидравлического сопротивления в трубном

пространстве (ртр, Па / 3, ф-ла. 2.35 /:

[pic] (34)

Гидравлического сопротивления в трубном пространстве для первого

теплообменника (ртр1:

[pic]

= 709.98 Па

Гидравлического сопротивления в трубном пространстве для второго

теплообменника (ртр2:

[pic]

= 597.12 Па

Число рядов труб омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве m

приближенно принимается / 3, ф-ла. 2.34 /:

[pic] (35)

где n – количество труб

Для первого теплообменника m1:

[pic]

Для второго теплообменника m2:

[pic]

Число сегментных перегородок для первого теплообменника Х1 / 3, табл. 2.7/:

Х1=6

Число сегментных перегородок для второго теплообменника Х2:

Х2=10

Диаметр штуцеров к кожуху dмтр.ш / 3, табл. 2.6 /:

dмтр.ш=150 мм

Скорость потока в штуцерах (для каждого из теплообменников) по ф-ле.

(31):

[pic] м/с

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства

для первого теплообменника Sм.тр=0.017 м2:

[pic] м/с

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства

для второго теплообменника Sм.тр=0.025 м2:

[pic] м/с

Значение Re межтрубного пространства:

[pic] (36)

Значение Re межтрубного пространства для первого теплообменника:

[pic]

Значение Re межтрубного пространства для второго теплообменника:

[pic]

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства (рмтр, Па

/ 3, ф-ла. 2.36 /:

[pic] (37)

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства для первого

теплообменника (рмтр1, Па:

[pic]

=18.338 Па

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства для второго

теплообменника (рмтр1,2:

[pic]

= 13.05 Па

3.2.9. Выбор аппарата по каталогу.

Проанализировав данные уточнённого расчёта, а также расчёт

гидравлического сопротивления, мы видим, что оба теплообменника одинаково

хорошо подходят (расходы теплоносителей одинаковы, гидравлические

сопротивления различаются незначительно).На мой взгляд более предпочтителен

аппарат №1, так как его габариты меньше, чем у аппарата №2. Следует так же

отметить, что любой из этих аппаратов обеспечит необходимую площадь

теплообмена с учётом запаса.

Таблица 2. Параметры кожухотрубчатого теплообменника

|D, мм |d, мм |Число |n, шт. |Np |F, м2 |Sтр.,м2|

| | |ходов | | | | |

| | | | | |l=2 м | |

|400 |20 |2 |166 |14 |21 |0.017 |

3.3. Расчёт холодильника упаренного раствора.

3.3.1. Определение средних температур теплоносителей.

[pic]

Рис. 2 Температурная схема движения теплоносителей при противотоке

tкон ,t’кон – температура упаренного раствора до и после холодильника,

(С;

tнач.в,tкон.в – температура охлаждающей воды до и после холодильника,

(С;

Конечную температуру воды и упаренного раствора выбираем

самостоятельно, причём t’кон следует принять из интервала 40-30 (С.

По формулам (24-26) определяем:

(tб = 89.168 – 35 = 54.168 (С

(tм = 40 – 13 = 27 (С

[pic] (С

Среднюю температуру воды найдём как среднее арифметическое tвод.ср.,

(С:

tвод.ср= (tнач.в+tкон.в)/2 (38)

tвод.ср= (13+35)/2=24 (С

Средняя температура раствора tср.р, (С:

tср.р= tвод.ср+(tср (39)

tср.р=24 + 39.02 = 63.02 (С

3.3.2. Тепловой баланс холодильника.

Количество теплоты, 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)

Удельная теплоёмкость раствора скон раствора при tср.р. и Хкон

(Приложение 2, п.3):

скон=3937 Дж(кг(К)

Расход упаренного раствора Gкон,кг/с по формуле (2):

Gкон=1.164 кг/с

Q=1.164(3937((89.168-40)=2.253(105 Вт

Так как вся отводимая от раствора теплота передаётся охлаждающей воде,

то её расход можно найти по формуле:

[pic] (41)

где Gвод – расход охлаждающей воды, кг/с;

свод – теплоемкость воды при температуре tвод.ср.,Дж/(кг(К)

Удельная теплоемкость воды при температуре tвод.ср (Приложение 2 п.3):

свод=4187 Дж/(кг(К)

[pic] кг/с

3.3.3. Ориентировочный расчёт холодильника.

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от жидкости к

жидкости / 2, табл. 4.8 /:

Кор=1000 Вт/(м2(К)

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);

[pic]м2

Рассчитаем скорость течения раствора (тр по трубному пространству

холодильника с диаметром труб d=20 мм и площадь сечения Sтр трубного

пространства, необходимые для обеспечения турбулентного режима течения

раствора по формулам (29, 30).

Плотность раствора (р и коэффициент динамической вязкости (р при tср.р.

и Хкон (Приложение 2, п.1, п.2)

(р=1018 кг/м3

(р=4.606(10-4 Па(с

[pic]м/с

[pic] м2

Рассчитаем скорость течения в воды межтрубном (межтр и площадь сечения

Sмежтр межтрубного пространства, необходимые для обеспечения турбулентного

режима.

[pic] (42)

Плотность воды (в и коэффициент динамической вязкости (в при tвод.ср.

(Приложение 2, п.1,п.2)

(в=996.467 кг/м3

(в=9.082(10-4 Па(с

Эквивалентный диаметр при поперечном обтекании равен наружному диаметру

трубы d.

[pic]м/с

[pic] (43)

[pic] м2

3.3.4. Выбор холодильника упаренного раствора.

Для обеспечения турбулентного режима номинальные площади проходных

сечений трубного и межтрубного пространств должны быть меньше рассчитанных.

Исходя из площади теплообмена и величин полученных проходных сечений мы

должны выбрать теплообменник с наиболее подходящими параметрами,

проанализировав данные расчёта делаем вывод, что для обеспечения требуемых

параметров, необходимо использовать два, последовательно соединённых

одноходовых аппарата. По каталогу / 3, табл. 2.3 /

Таблица 3. Параметры кожухотрубчатого теплообменника

|D, мм |d, мм |Число |n, шт.|Np |F, м2 |Sтр.,м|Sмежтр|

| | |ходов | | | |2 |.,м2 |

| | | | | |L=3 м | | |

|159 |20 |1 |19 |5 |3.5 |0.004 |0.005 |

3.4. Расчёт барометрического конденсатора

3.4.1 Расход охлаждающей воды.

Расход охлаждающей воды Gв определим из теплового баланса конденсатора:

[pic] (44)

где iб.к. - интальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

tн – начальная температура охлаждающей воды, (С;

tк – 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 tк на выходе из

конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров t0:

tk=t0–4

tk = 88.3 – 4 =84,3 (С

Энтальпия паров в барометрическом конденсаторе iб.к, при температуре

t0 / 2, табл LVI /:

iб.к,=2658.94(103 Дж/кг;

Среднюю температуру воды найдём по формуле (38):

tср.в.=(84.3+13)/2=48.65 (С

Удельная теплоёмкость воды св при температуре tср.в. (Приложение 2,

п.3):

св=4186 Дж.(кг(К)

[pic] кг/с

3.4.2. Диаметр барометрического конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода:

[pic] (45)

где ( - плотность паров, кг/м3;

( - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров

(=15-25 м/с

Возьмём:

(=21 м/с

Плотность паров ( при температуре t0 / 2, табл. LVI /

(=0.317 кг/м3

[pic] м

3.4.3. Выбор барометрического конденсатора.

Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему

большему / 3, приложение 4.6 /.

Барометрический конденсатор: внутренний диаметр dб.к.=800 мм

Условный проход штуцера для барометрической трубы dб.т=200 мм

3.4.3. Высота барометрической трубы

Скорость воды в барометрической трубе равна:

[pic] (46)

Плотность воды (в при температуре tк (Приложение 2, п.1):

(в=969.545 кг/м3

[pic]

Высота барометрической трубы / 3, формула 4.24 /:

[pic] (47)

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

(( - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

( тр - коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического

давления, м.

Вакуум в барометрическом конденсаторе В, Па;

В=Ратм - Р0 (48)

В=(1 - 0.674)(9.81(104 = 3.198(104 Па

Сумма коэффициентов местных сопротивлений ((:

[pic] (49)

где (вх, (вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на

выходе из нее.

[pic]

Коэффициент трения (тр зависит от режима течения жидкости, определим

режим течения воды в барометрической трубе:

[pic] (50)

Коэффициент динамической вязкости воды (в при tk (Приложение 2, п.2)

(в=3.384(10-4 Па(с

[pic]

При таком значении Re, коэффициент трения (тр равен / 2, рис 1.5 /.

(=0,0132

По формуле (47):

[pic]

Откуда находим высоту барометрической трубы:

[pic]

3.5. Расчет производительности вакуум-насоса.

Производительность вакуум-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 2.5 10-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0.01 количество 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

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

[pic] (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 конденсаторе при tвозд.

Температуру воздуха 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

Давление воздуха 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(104 Па

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

[pic] м3/с = 2.75 м3/мин

Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление Р0 по

таблице / 3, приложение 4.7 / выбираем вакуум-насос:

Таблица 4. Характеристика вакуум-насоса типа ВВН

.

|Типоразмер |Остаточное |Производи-тельно|Мощность на |

| |давление, |сть, м3/мин |валу, |

| |Мм.рт.ст | |КВт |

|ВВН-3 |75 |3 |6.5 |

4. Выводы по курсовому проекту.

В данном курсовом проекте описан процесс выпаривания раствора MgCl2.

В результате проведенных расчетов были выбраны по каталогу следующие

аппараты:

- выпарной аппарат: тип 1 исполнение 3 группа Б - выпарной

аппарат с соосной греющей камерой и кипением в трубах с

площадью теплообмена – 450 м2.

- холодильник, состоящий из двух одноходовых теплообменников с

длиной труб l=3м, диаметром кожуха 159 мм, поверхностью

теплообмена 3.5 м2 и числом труб 19.

- подогреватель: двухходовой теплообменник с длиной труб l=2

м, диаметром кожуха 400 мм, и поверхностью теплообмена 21 м2

и числом труб 166.

- барометрический конденсатор диаметром D=0.8м с высотой трубы

4 м.

- вакуум- насос типа BBH - 3

Подробно был сделан расчет подогревателя на ЭВМ. На основании этих

расчетов и выбранных по каталогу аппаратов, была составлена технологическая

схема установки с описанием 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

процессы и 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.

-----------------------

[pic]

[pic]

Страницы: 1, 2, 3