Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия

Министерство образования и науки Украины

Национальный Технический Университет

«Харьковский Политехнический Институт»

Кафедра Общей химической технологии, процессов и аппаратов

Курсовой проект

Тема проекта:

Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия

Проектировал студент

Шорин В. В..

гр. Н-48

Руководитель проекта

Новикова Г. С.

Харьков 2010 г.

Введение

Технологическая схема выпарной установки

В химической промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Принципиальная технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рис.1.1.

Исходный раствор подается из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3 в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки.

Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в третий корпус 6 , обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в емкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в котором при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в конденсаторе) и через не плотности трубопроводов, отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом.

Смесь охлаждающей воды и конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9.Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков.

Выбор выпарных аппаратов

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами раствора.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа∙с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Растворы чувствительные к повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию – в прямоточных аппаратах с восходящей пленкой.

Типы и основные размеры выпарных аппаратов представлены в ГОСТ 11987–81, и каталогах УКРНИИХИММАШа [11,12].

Задание на расчет выпарной установки

Цель расчета выпарной установки – расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеров основного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего в технологическую схему установки.

Задание на курсовое проектирование

Рассчитать и спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для концентрирования водного раствора по следующим данным:

1. Производительность установки по исходному раствору –8000 кг/ч;

2. Концентрация раствора: начальная – 5% масс.; конечная – 15 % масс.;

3. Давление греющего пара –Р=0,4 МПа;

4. Давление в барометрическом конденсаторе –,Р=0,0147 МПа;

5. Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения;

6. Схема выпаривания - прямоточная; циркуляция естественная

1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Технологический расчёт выпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи

, (1.1)

где  – поверхность теплопередачи, м²;

 – тепловая нагрузка, Вт;

 – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К);

 – полезная разность температур, К.

Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов по корпусам и их температуры кипения. Первоначально определим эти величины по материальному балансу, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.

1.1 Расчёт концентраций выпариваемого раствора

Производительность установки по выпариваемой воде определяем по формуле:

, (1.2)

где  – производительность по выпаренной воде, кг/с;

 – производительность по исходному раствору, кг/с;

 – соответственно начальная и конечная концентрация раствора, масс. доли,

кг/с.

На основании практических данных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами в соотношении

Тогда:

_>>

_>>

_>>

Проверка:

W_>1>+W_>2>+W_>3>= W=0,45+0,49+0,54=1,76 кг/с.

Рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

Концентрация раствора в третьем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .

1.2 Определение температур кипения раствора

Температура кипения раствора в корпусе определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса и температурных потерь

, (1.3)

где  – соответственно температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, К.

Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆P распределяется между корпусами поровну:

, (1.4)

где P_>Г1> – давление греющего пара в первом корпусе, МПа;

P_>бк> – давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет:

P_>Г1>=0,4МПа

P_>Г2> = P_>Г1> – ∆P = 0,4 – 0,1284 = 0,2716 МПа

P_>Г3> = P_>Г2> – ∆P = 0,2716 – 0,1284 = 0,1432 МПа

P_>бк> = P_>Г3> – ∆P = 0,1432 – 0,1284 = 0,0148 МПа

По давлению греющего пара находим его температуру и теплоту парообразования (табл. 2.1) по корпусам.

Таблица 1.1 – Температуры и теплоты парообразования

Давление, МПа	Температура, ºС	Теплота парообразования, кДж/кг
P>Г1>=0,4	t>Г1>=143,6	r>Г1>=2139
P>Г2>=0,2716	t>Г2>=129,78	r>Г2>=2180
P>Г3>=0,1432	t>Г3>=110,4	r>Г3>=2234
P>бк>=0,0148	t>бк>=53,71	r>бк>=2372,3

1.2.1 Определение температурных потерь

Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной , гидростатической и гидродинамической депрессиями.

а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают  = 1,0 – 1,5 ºС на корпус. Примем  = 1 ºС, тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

t_>вп1> = t_>Г2> +  = 129,78+1=130,78 ºС

t_>вп2> = t_>Г3> +  = 110,4+1=111,4С

t_>вп3> = t_>бк> + =53,71+1=54,71 ºС

Сумма гидродинамических депрессий:

ºС

По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2.2).

Таблица 1.2 – Давления и 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 обусловливается наличием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата температура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина не может быть точно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причем величина зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб. Приблизительно расчет возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильных труб. Величина определяется как разность температуры кипения в среднем слое труб и температуры вторичного пара ():

(1.5)

Для того, чтобы определить нужно найти давление в среднем слое (P_>ср>) и по этому давлению определить температуру в среднем слое (по таблице свойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубах при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора. Плотность раствора (при 100 °С) определяется в зависимости от концентрации раствора в корпусе.

Давление в среднем сечении кипятильных труб (в МПа) равно сумме давлений вторичного пара в корпусе и гидростатического давления столба жидкости (∆P_>ср> ) в этом сечении трубы длиной H:

P_>ср> = P_>вп> + ∆P_>ср> = P_>вп> +

Для выбора значения H нужно ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 10000 ÷ 30000 Вт/м². Примем q = 10000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно будет равна:

По ГОСТ 11987—81 для выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ближайшая будет поверхность – 63 м² при диаметре труб 38x2 мм и длине труб Н = 4000 мм.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:

P_>1ср> = P_>вп1> + МПа

P_>2ср> = P_>вп2> + МПа

P_>3ср> = P_>вп3> + МПа

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования (табл. 1.3):

Таблица1.3 – Температуры кипения и теплоты парообразования

Давление, МПа	Температура,ºС	Теплота парообразования, кДж/кг
P>1ср> = 0,2872	t>1ср>=131,9	r>1ср>=2173,5
P>2ср> = 0,1611	t>2ср>=113,4	r>2ср>=2225
P>3ср> = 0,0268	t>3ср>=62,3	r>3ср>=2374

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам

Сумма гидростатических депрессий составляет:

в) Температурная депрессия определяется по уравнению:

_>>, (1.6)

где Т_>ср> =(t_>ср> + 273), К;

 – температурная депрессия при атмосферном давлении, ºС;

 – теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

Определяется величина как разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя (воды) при атмосферном давлении. Температуры кипения раствора при атмосферном давлении в зависимости от концентрации даны в справочной литературе.

Находим значение по корпусам:

ºС

ºС

ºС

Сумма температурных депрессий равна:

Тогда температуры кипения растворов по корпусам равны:

ºС

ºС

ºС

1.3 Расчёт полезной разности температур

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является наличие некоторой полезной разности температур греющего пара и кипящего раствора.

Полезные разности температур по корпусам равны:

ºС

ºС

ºС

Общая полезная разность температур:

ºС

Проверим общую полезную разность температур:

1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в первом корпусе, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки:

(1.7)

, а , то

(1.8)

(1.9)

(1.10)

W=W_>1>+ W_>2>+ W_>3>, (1.11)

где D – расход греющего пара в первом корпусе, 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 тепла обычно принимают в размере 2 ÷ 6% от тепловой нагрузки аппарата);

C – удельная теплоемкость, Дж/кг∙К;

 – теплота концентрирования по корпусам. Величинами пренебрегаем, поскольку эти величины значительно меньше принятых потерь тепла;

t_>н> – температура кипения исходного раствора, подаваемого в первый корпус,

 – температура кипения в i-ом корпусе.

,

где  – температурная депрессия для исходного раствора;

с_>н>, с_>1>, с_>2> – теплоёмкость растворов при концентрациях , кДж/(кгК)

Теплоёмкость (в кДж/(кгК)) разбавленных водных растворов ( < 20%) рассчитывается по формуле:

(1.12)

Подставим известные значения в уравнения.

W = 1,48 = W_>1>+ W_>2>+ W_>3>

1,48 = + +

Oтсюда :D = 0,2286 кг/с.

Тогда:

W_>1> = 0,9540,2286 – 0,0141 = 0,204 кг/с

W_>2> = 0,8750,2286 + 0,58 = 0,78 кг/с

W_>3> = 0,70010,2286 + 0,336 = 0,496 кг/с

Проверка

W = W_>1> + W_>2> + W_>3> = 0,204+0,78+0,496= 1,48 кг/с

Определим тепловые нагрузки, кВт

Q_>1> = D∙2139 = 0,2286∙2139=488,98

Q_>2> = W_>1>∙2180 = 0,204∙2180=444,72

Q_>3> = W_>2>∙2234 =0,78∙2234= 1742,52

Полученные данные сводим в 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 t>Г>, ºC	143,6	129,78	110,4
Температура кипения раствора t>к> ,ºC	133,37	115,19	64,8
Полезная разность температур ∆t>п>, ºC	10,23	14,59	45,6
Тепловая нагрузка Q, кВт	488,98	444,72	1742,52

1.5 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи рассчитываем, исходя из того, что при установившемся процессе передачи тепла справедливо равенство:

(1.13)

Коэффициент теплопередачи К в [Вт/(м² К)] можно рассчитать по уравнению:

, (1.14)

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; q = Q/F;

и  – коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к кипящему раствору соответственно, Вт/(м²∙К);

 – сумма термических сопротивлений стенки загрязнений и накипи, (м²∙К/Вт);

 – разность температур между греющим паром и стенкой со стороны пара в первом корпусе, ºС;

– перепад температур на стенке, ºС;

 – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.

Коэффициент теплоотдачи рассчитываем по уравнению:

, (1.15)

где  – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

 – разность температур конденсата пара и стенки, ºС;

 – соответственно плотность, кг/м³, теплопроводность Вт/(м∙К) и вязкость конденсата, Па∙с, при средней температуре плёнки:

Первоначально принимаем

ºС.

Значения физических величин конденсата берём при t_>пл> = 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 К_>1> в первом корпусе:

Коэффициент теплопередачи для второго корпуса К_>2> и третьего К_>3 >можно рассчитывать так же , как и коэффициент К_>1> или с достаточной точностью воспользоваться соотношением коэффициентов , полученных из практики ведения процессов выпаривания .Эти соотношения варьируются в широких пределах:

К_>1 >: К_>2 >: К_>3 >= 1 : (0,85 0,5) (0,7 0,3)

Поскольку – СaCl2 –соль, соотношение коэффициентов принимаем по верхним пределам.

К_>1 >: К_>2 >: К_>3 >= 1 : 0,85: 0,7

К_>2 >= К_>1> 0,85 = 1096,5 0,85 =932

К_>3 >= К_>1> 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 F_>ор>=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 D>с>, мм	Диаметр циркуляционной трубы D>2>, мм	Высота аппарата Н>а> , 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 t_>ст1> 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 G_>в> (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 P_>бк>;

 – скорость пара, м/с, принимаемая в пределах 15 ÷ 25 м/с.

По нормалям НИИХИММАШа подбираем барометрический конденсатор диаметром d_>бк> = 600 мм с диаметром трубы d_>бт> = 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 t_>ср>.

Для гладких труб при Re = 123250,

2.2 Расчёт производительности вакуум – насоса

Производительность вакуум-насоса G_>возд> 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);

M_>в> – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

t_>в> – температура воздуха, ºС;

Р_>в> – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температура воздуха

ºС

давление воздуха

_>>, (2.6)

где Р_>п> – давление сухого насыщенного пара при t_>в>, Па. При температуре воздуха 27,07ºС, Р_>п> = 0,038∙9,8∙10⁴ Па.

.

Тогда

Зная объёмную производительность воздуха и остаточное давление в конденсаторе Р_>бк>, 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) F_>п >,м² определяем по основному уравнению теплопередачи:

, (2.7)

где  – тепловая нагрузка подогревателя, Вт определяется из теплового баланса теплообменника: К_>п> – коэффициент теплопередачи, Вт/(м К), К_>п> = 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.

t_>1н> = 143,6ºС пар t_>1к> = 143,6ºС

t_>2н> = 20ºС раствор t_>2к> = 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 Р_>1> – давление жидкости для исходного раствора (атмосферное), Па; Р_>2> – давление вторичного пара в первом корпусе, Па;

Н_>Г> – геометрическая высота подъема раствора, м,

Н_{> Г}> = 8 ÷ 15 м; h_>п> – 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,Н_>Г> = 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) D_>н>.

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 V_>c> – 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 Р_>Г1>, кг/м³; (при Р_>Г1> = 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 D_>у> 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 Р_>1> 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.

P_>1> = 3,92∙0,9 = 3,53 кгс/см²;

P_>1> = 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 D_>у> = 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.