Проектирование трёхкорпусной выпарной установки для концентрирования водного раствора

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Содержание

Введение

Основные условные обозначения

1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

1.1 Концентрации упариваемого раствора

1.2 Температуры кипения растворов

1.3 Полезная разность температур

1.4 Определение тепловых нагрузок

1.5 Выбор конструкционного материала

1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

1.7 Распределение полезной разности температур

1.8 Уточненный расчёт поверхности теплопередачи

2. Определение толщины тепловой изоляции

3. Расчёт барометрического конденсатора

3.1 Расход охлаждающей воды

3.2 Диаметр конденсатора

4. Расчёт производительности вакуум-насоса

Список использованной литературы

Введение

В химической и смежных с ней отраслях жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требовании к условиям проведения процесса, а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

В трехкорпусной выпарной установке исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается теплообменник (где нагревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем — в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус подогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора. Поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смещения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом) смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость упаренного раствора.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.

Задание на проектирование. Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования Gн = 8. 611 кг/с водного раствора KOH от начальной концентрации хн = 8 % до конечной хк = 40% при следующих условиях:

1) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Pг1 = 0,65 МПа;

2) давление в барометрическом конденсаторе Рбк = 0,015 МПа;

3) взаимное направление пара и раствора — прямоток;

4) раствор поступает в первый корпус при температуре t=20 оС.

Основные условные обозначения

с — теплоемкость, Дж/(кг· К);

d — диаметр, м;

D — расход греющего пара, кг/с;

F — поверхность теплопередачи, м2;

G — расход, кг/с;

g — ускорение свободного падения, м/с2;

Н — высота, м;

i, I — энтальпия жидкости и пара кДж/кг;

К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2· К);

Р — давление, МПа;

Q — тепловая нагрузка, кВт;

q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

r — теплота парообразования, кДж/кг;

t, Т — температура, град. ;

w, W — производительность по испаряемой воде, кг/с;

х — концентрация, % (масс.);

б — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2· К);

л — теплопроводность, Вт/(м· К);

м — вязкость, Па· с;

с — плотность, кг/м3;

у — поверхностное натяжение, Н/м;

Re — критерий Рейнольдса;

Nu — критерий Нуссельта;

Pr — критерий Прандтля.

Индексы:

1, 2, 3 — первый, второй, третий корпус выпарной установки;

в — вода;

вп — вторичный пар;

г — греющий пар;

ж — жидкая фаза;

к — конечный параметр;

н — начальный параметр;

ср — среднее значение;

ст — стенка.

1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F = Q/(KДtп). (1. 1)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Дtп необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = Gн (1-xнк) = 8. 611 · (1 — 10/40) = 6,46 кг/с. (1. 2)

1.1 Концентрации упариваемого раствора

выпарной теплопередача раствор барометрический

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

w1 : w2 : w3 = 1,0: 1,1: 1,2

Тогда

w1 = 1,0W/(1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,0 · 6. 46/3,3 = 1,96 кг/с;

w2 = 1,1 · 6. 46/3,3 = 2,15 кг/с;

w3 = 1,2 · 6. 46/3,3 = 2,35 кг/с.

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

х 1 = Gнxн/(Gн - w1) = 2 · 0,1/(6,46 - 1,96) = 0,1294 или 12,94 %;

х 2 = Gнxн/(Gн - w1 - w2) = 2 · 0,1/(6,46 - 1,96 — 2,15) = 0,1913 или 19,13 %;

х 3 = Gнxн/(Gн - w1 - w2 - w3) = 2 · 0,1/(6,46— 1,96 — 2,15 — 2,35) = 0,40 или 40 %.

1.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

ДРоб = Рг 1 — Рбк = 650 000 - 15 000 = 635 000 Па.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:

Рг2 = Рг1 - ДРоб/3 = 650 000 — 635 000 /3 = 440 000 Па;

Рг3 = Рг2 - ДРоб/3 = 440 000 — 635 000 /3 = 227 000 Па.

Давление пара в барометрическом конденсаторе

Рбк = Рг3 - ДРоб/3 = 227 000 — 635 000 /3 = 20 000 Па,

что соответствует заданному значению Рбк.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Р, Па

t, oC

I, кДж/кг

Рг1 = 650 000

tг1 = 161,15

I1 = 2759,5

Рг2 = 440 000

tг2 = 136,02

I2 = 2741,8

Рг3 = 227 000

tг3 = 123,06

I3 = 2710,68

Рбк = 20 000

tбк = 53,88

Iбк = 2598,43

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в следующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (Д'), гидростатической (Д") и гидродинамической (Д''') депрессий

?Д = Д' + Д" + Д'''.

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса Д''' = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

tвп1 = tг2 + Д1''' = 161,15 + 1,0 = 137,02 оС;

tвп2 = tг3 + Д2''' = 136,02+ 1,0 = 124,06 оС;

tвп3 = tбк + Д3''' = 53,88+ 1,0 = 54,88 оС.

Сумма гидродинамических депрессий:

?Д''' = Д1''' + Д2''' + Д3''' = 1,0 + 1,0 + 1,0 = 3 оС.

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно:

Рвп1 = 345 000 Па;

Рвп2 = 204 000 Па;

Рвп 3 = 15 700 Па.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Рср каждого корпуса определяется по уравнению

Рср = Рвп + с g H (1 — е)/2. (1. 3)

где Н — высота кипятильных труб в аппарате, м;

с — плотность кипящего раствора, кг/м3;

е — паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м33.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. Примем удельную тепловую нагрузку аппарата (q) равной 40 000 Вт/м 3. тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

,

где r1 — теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТ 11 987–81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией с сосной греющей камерой (тип 1, исполнение 1) состоят из кипятильных труб высотой 3 и 4 м при диаметре dн = 38 мм и толщине стенки дст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.

Примем паронаполнение (е) равным 0,5. плотность водных растворов, в том числе раствора NH4Cl, при температуре 20 оС и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

с1 = 1118 кг/м3;

с2 = 1077 кг/м3;

с3 = 1395 кг/м3.

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 оС до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения е.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:

Р1ср = Рвп1 + с1 g H(1 — е)/2 = 345 000 + 4 1118• 9,8 (1−0,5)/2 = 356000 Па;

Р2ср = Рвп2 + с2 g H(1 — е)/2 = 204 000 + 4 1077 • 9,8 (1−0,5)/2 = 215000 Па;

Р3ср = Рвп3 + с3 g H(1 — е)/2 = 15 700 + 4 1395 • 9,8 (1−0,5)/2 = 29 000 Па.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:

Р, МПа

t, oC

r, кДж/кг

Р1ср = 0,356

t1ср = 150,26

rвп1 = 2125,8

Р2ср = 0,215

t2ср = 124,53

rвп2 = 2176,3

Р3ср = 0,029

t3ср = 66,56

rвп3 = 2337,8

Определим гидростатическую депрессию по корпусам:

Д1'' = t1ср - tвп 1 = 150,26 - 137,02 = 13,24 оС;

Д2'' = t2ср - tвп 2 = 124,53 - 124,06= 0,47 оС;

Д3'' = t3ср - tвп 3 = 66,56 - 54,88 =11,68 оС.

Сумма гидростатических депрессий

?Д'' = Д1'' + Д2'' + Д3'' = 13,24 + 0,47 + 11,68 = 25,39 оС.

Температурную депрессию определим по уравнению

Д' = 1,62 • 10-2 • Д'атм Т 2/rвп, (1. 4)

где Т — температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

Д'атм — температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение Д' по копусам:

Д'1 = 1,62 • 10-2 • (150,26+ 273,0)2 3,34/2125,8 = 6,15 оС;

Д'2 = 1,62 • 10-2 • (124,53+ 273,0)2 5,62/2176,3 = 6,32 оС;

Д'3 = 1,62 • 10-2 • (66,56+ 273,0)2 23,6/2337,8 = 18,87 оС.

Сумма температурных депрессий

?Д' = Д1' + Д2' + Д3' = 6, 15+6,32+18,87= 31, 34 оС.

Температуры кипения растворов в корпусах равны:

tк1 = tг2 + Д1' + Д1'' + Д1''' = 136,02 + 6,15+13,24+1,0 = 156,41 оС;

tк2 = tг3 + Д2' + Д2'' + Д2''' = 123,06 + 6,35 + 0,47 + 1,0 = 130,85 оС;

tк3 = tбк + Д3' + Д3'' + Д3''' = 53,88 + 18,87 + 11,68 + 1,0 = 85,43 оС.

1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна

tп = Дtп1 + Дtп2 + Дtп3.

Полезные разности температур по корпусам равны:

Дtп1 = tг1 — tк1 = 161,15 - 156,41 = 4,74 оС;

Дtп2 = tг2 — tк2 = 136,02 -130,85= 5,17 оС;

Дtп3 = tг3 — tк3 = 123,06 -85,43= 37,63 оС.

Тогда общая полезная разность температур

tп = 4,74+5,17+37,63=47,54 оС.

Проверим общую полезную разницу температур:

tп = tг1 — tбк — (?Д' +?Д'' +?Д''') = 161,15 - 53,88 — (31,34+25,39+3) = 47,54 оС.

1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путём совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

(5)

(6)

(7)

(8)

где 1,03 — коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; с 1, с 2 — теплоёмкости растворов соответственно в первом и во втором корпусах, кДж/(кг·К)[4]; Q1конц, Q2конц, Q3конц, — теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tн — температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе;

tн = tвп 1 + Д`н = 137,02 + 1,0 = 138,02 оС

где Д`н — температурная депрессия для исходного раствора;

принимаем, что Iвп 1? Iг 2; Iвп 2? Iг 3; Iвп 3? Iбк;

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поскольку Q3конц составляет меньше 3% от Q3ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Qконц.

Получим систему уравнений:

Решение этой системы уравнений даёт следующие результаты:

D = 2,31 кг/с; w1 = 1,94 кг/с; w2 = 2,15 кг/с; w3 = 2,37 кг/с

Q1 = 4797 кВт; Q2 = 4119 кВт; Q3 = 4701 кВт

Таблица 3 — Результаты расчетов

Параметр

1 корпус

2 корпус

3 корпус

Производительность по испаряемой воде, щ, кг/с

1,96

2,15

2,35

Концентрация растворов, х, %

12,94

19,13

40

Давление греющих паров Рг, МПа

0,65

0,44

0,227

Температура греющих паров tг, оС

161,15

136,02

123,06

Температура кипения растворов, оС

156,26

124,53

66,56

Полезная разность температур, Дп, оС

4,74

5,17

37,63

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (w1=1,96; w2=2,15; w3=2,35) не превышает 3%, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

1.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора KOH в интервале изменения концентраций от 8 до 40%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности лст = 25,1 Вт/(м • К).

1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для I корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

. (1. 5)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки стcт и накипи днн. термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

?д/л = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 2,87 • 10-4 м 2 • К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке б1 равен [1]:

, (1. 6)

где r1 — теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

сж1, лж1, мж1 — соответсвенно плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/(м • К)), вязкость (Па • с) конденсата при средней температуре пленки

tпл = tг1 — Дt1/2,

где Дt1 — разность температур конденсации пара и стенки.

Расчет б1 ведут методом последовательных приближений. Примем Дt1 = 10 град. Тогда

Вт/(м 2 • К).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q = б1 • Дt1 = Дtст/(?д/л) = б2 • Дt2,

где q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м 2;

Дtст — перепад температур на стенке, град. ;

Дt2 — разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Дtст = б1 • Дt1 • ?д/л = град.

Тогда

Дt2 = Дtп1 — Дtст — Дt = 9,2 град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора [7] равен

. (1. 7)

Подставив численные значения, получим:

Физические свойства кипящих растворов КОН и их паров приведены ниже:

Параметр

1 корпус

Теплопроводность раствора л, Вт/(м·К)

0,69

Плотность раствора с, кг/м 3

1400

Теплоемкость раствора с, Дж/(кг·К)

2765

Вязкость раствора м, ·10-3 Па·с

0,7

Поверхностное натяжение у, Н/м

0,099

Теплота парообразования rв, Дж/кг

2337,8

Плотность пара сп, кг/м 3

0,098

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q' = б1 • Дt1 = Вт/м 2

q'' = б2 • Дt2 = Вт/м 2

Как видим, q' = q''.

Т.к. расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, находим коэффициент К 1:

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго и третьего корпусов

K1: k2: k3=1:0,58:0,34

Отсюда

К2 = К1*0,58=1694*0,58=982,52

К3 = К2*0,34/0,58=576

1.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

где Дtпi, Qi, Ki — соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для i -го корпуса;

подставив численные значения, получим:

Дtп2 = 14,17 град;

Дtп3 = 17,16 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

tп = Дtп1 + Дtп2 + Дtп3 = 16,21+14,17+17,16 = 47,54 град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F1 = (4797 • 103)|(1694• 21,25) = 174,59 м 2;

F2 = (4119 • 103)|(982,52• 20,77) = 174,59 м 2;

F3 = (4701 • 103)|(576 • 26,08) = 174,59 м 2.

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор, поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб).

В соответствии с ГОСТ 11 987–81 выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и выносной греющей камерой с поверхностью теплопередачи F = 160 м 2.

Таблица 5 — Сравнение полезных разностей температур

Параметры

Корпус

1

2

3

Распределенные в 1-м приближении значения Дtпо

9,97

16,98

20,59

Предварительно рассчитанные значения Дtпо

4,74

5,17

37,63

Второе приближение

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давлений в корпусах и найденные в 1-м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условий равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

1.8 Уточненный расчёт поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения Д`, Д`` и Д``` для каждого корпуса, как в первом приближении.

Таблица 6 — Параметры растворов и паров, полученные после распределения

Параметры

Корпус

1

2

3

Производительность по испаряемой воде w кг/с

1,96

2,15

2,35

Концентрация растворов x, %

12,94

19,13

40

Температура греющего пара в 1-м корпусе tг 1, оС

161,15

--

--

Полезная разность температур Дtп, о

16,21

14,17

17,16

Температура кипения раствора tк=tг— Дtп, оС

144,82

120,73

107,14

Температура вторичного пара tвп=tк-(Д`+ Д``), оС

125,55

115,06

75,35

Давление вторичного пара Pвп, МПа

0,27

0,169

0,0413

Температура греющего пара tг=tвп-Д```, оС

-

124,55

114,06

Рассчитаем тепловые нагрузки

Коэффициенты теплопередачи, рассчитанные описанным выше методом, приводит к следующим результатам (Вт/(м2·К)):

К1 = 1797;

К2 = 906,49;

К3 =852,46

Распределение полезной разности температур:

град

град

град

Проверка суммарной полезной разности температур:

Таблица 7 — Сравнение полезных разностей температур Дtп, полученных во 2-м и 1-м приближениях

Параметры

Корпус

1

2

3

Дtп во 2-м приближении, о

9,96

16,96

20,61

Дtп в первом приближении, о

9,97

16,98

20,59

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышает 5%.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

В соответствии с ГОСТ 11 987–81 [2] выбираем выпарной аппарат

Таблица 8 — характеристики выпарного аппарата

Номинальная поверхность теплообмена Fн, м 2

160

Диаметр труб d, мм

38Ч2

Высота труб H, мм

4000

Диаметр греющей камеры dк, мм

1200

Диаметр сепаратора dс, мм

2400

Диаметр циркуляционной трубы dц, мм

700

Общая высота аппарата Hа, мм

13 500

Масса аппарата Mа, кг

12 000

2. Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции ди находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

(14)

— коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2·К); tст2 — температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппарата, работающего в закрытом помещении, tст2 принимаем равным 40 оC; tст1 — температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 примем равным температуре греющего пара в 1 корпусе tг1; tв — температура окружающей среды (воздуха), оС; ли — коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м·К).

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности ли=0,09 Вт/(м·К). 2]

Тогда получим:

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,05 м и для других корпусов. 2]

3. Расчёт барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаётся в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 С). Смесь охлаждающей воды и конденсатора выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

3.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:

(15)

где Iб. к — энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tн — начальная температура охлаждающей воды, С; tк — конечная температура смеси воды и конденсатора, С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 — 5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем за 3 град ниже температуры конденсации паров:

Тогда

3.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора dб. к определяют из уравнения расхода:

(16)

где с — плотность паров, кг/м 3; х — скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров х = 15 — 25 м/с. Тогда

По нормалями [2] выбираем барометрический конденсатор диаметром dб. к = 1200 мм.

3.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [2], внутренний диаметр барометрической трубы dб. т равен 250 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

Высота барометрической трубы

(17)

где В — вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; Уо — сумма коэффициентов местных сопротивлений; л — коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 — запас высоты на возможные изменения барометрического давления, м.

где овх, овых — коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.

Коэффициент трения л зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Для гладких труб при Re = 109 211,139 коэффициент трения л = 0,013 [3]

Подставив полученные значения, получим:

Отсюда находим Hб. т = 8,98 м.

4. Расчёт производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

(18)

где 2,5·10-5 — количество газа, выделяющегося из 1-го кг воды; количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда

Объёмная производительность вакуум-насоса равна:

(19)

где R — универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К); Мвозд — молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; tвозд — температура воздуха, °С; Рвозд — парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

Давление воздуха равно:

где Pп — давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд = 27,09 єС. Подставив получим:

Тогда

Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление Рбк по каталогу [2] подбираем вакуум-насос типа ВВН-12 мощностью на валу N = 22 кВт.

Список использованной литературы

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л. :Химия, 1976,552 с.

2. Справочник химика. М-Л.: Химия, Том 3,1962,1006 с.

3. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М. :Химия, 1973,750 с.

4. Викторов М. М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. Л. :Химия. 1977. 360 с.

5. Чернышов А. К., Поплавский К. Л., Заичко Н. Д. Сборник номограмм дляч химико технологических расчетов. Л. :Химия, 1974,200 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой