Курсовая работа: Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия

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.