Курсовая работа: Расчет и проектирование выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора CuSO4

Тогда

Δt2=Δtп1-Δtст-Δt1=20,08-3,72-2=16,36°С.

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен:

α2=А∙(q0,6)=780∙(q0,6)∙(λ11,3)∙(ρ10,5)∙(ρп10,06)/((с10,3)∙(σ10,5)∙(гв10,6)∙(ρ00,66)∙(μ10,3))(3.12)

По справочной литературе определяем:

λ1=0,4159 Вт/(м∙К); ρ1=1068 кг/м3; ρп1=1,22 кг/м3; σ1=0,067 Н/м; гв1=2200∙103 Дж/кг; ρ0=0,529 кг/м3; с1=4095 Дж/кг∙К; μ1=0,265∙10-3 Па∙с

Подставив эти значения, получим:

α2=780∙(q0,6)∙0,41591,3∙10680,5∙1,220,06/0,0670,5∙(2200∙103)0,6∙0,5290,66∙

40950,3∙(0,265∙10-3)0,3=7,408∙(6484)0,6=1435 Вт/(м2∙К)

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q1=α1∙Δt1=6484∙2=12968 Вт/кв.м

q2=α2∙Δt2=1435∙16,36=2348 Вт/кв.м

q1≠q2

Для второго приближения примем Δt1=5,0 град

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 3,0 град, рассчитаем α1 по соотношению:

α1=6484∙(2/5)1/4=5156 Вт/(м2∙К)

Получим:

Δtст=5156∙5∙2,87∙10-4=7,4 град;

Δt2=20,08-5-7,4=7,68 град;

α2=7,408*(5156∙5)0,6=3285 Вт/(м2∙К)

q1=5156∙5=25780 Вт/м2

q2=3285∙7,68=25229 Вт/м2

q1≈q2

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, следовательно, расчет коэффициентов α1 и α2 на этом можно закончить.

Находим К1:

К1=(1/5156+2,87∙10-4+1/3285)-1=1271 Вт/(м2∙К).

Далее рассчитываем коэффициент передачи для второго корпуса К2.

В первом приближении примем Δt1=4 °С. Тогда:

Δtпл=120. 3-2/2=118.3°С

α1=2,04∙(2210∙103 ∙1133∙0.4265/4∙4∙0.335∙10-3)1/4=5164 Вт/м2К

Δtст=5164∙4∙2,87∙10-4=5,93°С

Δt2=57,01-4-5,93=47,08°С

α2=780∙(q0,6)∙0,43661/3∙11870,5∙0,150,06/0,0960,5∙(2350*103)0,6 0,5290,66 ∙35090,3∙(0,851∙10-3)0,3 = 4,34(388∙4)0,6=1683 Вт/м2∙К

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q1=α1∙Δt1=5164∙4=20656 Вт/м2

q2=α2∙Δt2=1683∙47,08=79236 Вт/м2

q1≠q2

Используя вышеописанный метод приближения, найдем:

Δt1=18.65°С

α1=5164∙(4/18,65)1/4=3514 Вт/м2К

Δtст=3514∙18,65∙2,87∙10-4=18,81°С

Δt2=57,01-18,81-18,65=19,55°С

α2=4,34∙(3514∙18,65)0,6=3368 Вт/м2∙К

q1=65536 Вт/м2

q2=65845 Вт/м2

q1≈q2

Определим К2:

К2=(1/3514+2,87*10-4+1/3368)-1=1151 Вт/м2∙К

3.1.7 Распределение полезной разности температур

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

, (3.13)

где Δtп j, Qj, Kj - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

Δtп 1=77,09∙(6292/1271)/(6292/1271+4080/1151)=44,92 град;

Δtп 2=77,09∙(4080/1151)/(6292/1271+4080/1151) =32.17 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

Σ Δtп=Δtп1 +Δtп2 =44,92+32,17=77,09 °С

Рассчитаем поверхность теплопередачи выпарного аппарата по формуле (3.1):

F1=6292∙103/1271∙44,92=110,2 м2;

F2=4080∙103 /1151∙32.17=110,2 м2.

В последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов. Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Δtп представлено в табл. 2:

Таблица 2

Параметры	Корпус
	1	2
Распределенные в 1-ом приближении Δtп, град.	44,92	32.17
Предварительно рассчитанные Δtп,град	20,08	57,01

Второе приближение

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

3.1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-ом корпусе, во втором приближении принимаем такие же значения Δ', Δ", Δ'" для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур(давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены в табл. 3:

Таблица 3

Параметры	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде, ω, кг/с Концентрация растворов х, % Температура греющего пара в первом корпусе tг1 °С Полезная разность температур Δtп град Температура кипения раствора tк=tг-Δtп °С Температура вторичного пара tвп= tк-(Δ'+ Δ") °С Давление вторичного пара Рвп, МПа Температура греющего пара tг= tвп- Δ'", °С	1,859 6,4 142,9 44,92 97,98 96,46 0,0893 95,46	2,091 19 32,17 88,13 73,26 0,0363 87,13

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q1=1,03∙[5∙4,14∙(97,98-96,46)+1,859∙(2711-4,19∙97,98)]=4438

Q2=1,03[(5-1,859)∙3,994∙(88,13-96,46)+2,091∙(2585-4,19∙88,13)]=4665

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт/(м2∙К)]:

К1=1223; К2=1089

Распределение полезной разности температур

Δtп 1= 77,09∙(4438/1223)/((4438/1223)+(4665/1089))=45,35 град;

Δtп 2= 77,09∙(4665/1089)/((4438/1223)+(4665/1089)) =31,73 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

Σ Δtп=Δtп1 +Δtп2 =45,36+31,73=77,09 °С

Сравнение полезных разностей температур Δtп, полученных во 2-ом и 1-ом приближении, представлено в табл. 4:

Таблица 4

Параметры	Корпус
	1	2
Δtп,во 2-ом приближении, град.	45,35	31,73
Δtп в 1-м приближении, град.	44,92	32,17

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

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F1=4438000/(1223∙45,35)=102,653 м2

F2=4665000/(1089∙31,73)=102,655 м2

По ГОСТ 11987 - 81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Таблица 5

Номинальная поверхность теплообмена Р(н),м2.	125
Диаметр труб d (наружный), мм	382
Высота труб Н, мм	4000
Диаметр греющей камеры dK, мм	1000
Диаметр сепаратора dc, мм	2200
Диаметр циркуляционной трубы dц, мм	700
Общая высота аппарата На, мм	13500
Масса аппарата Ма, кг	11500

3.2 Расчет толщины тепловой изоляции

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

αв=(tст2-tв)=(λи/δи)∙(tcт1-tcт2), (3.14)

где αв=9,3+0,058∙tст2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2∙К); tст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха),°С;tст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимаем равной температуре греющего пара tг1 tв - температура изоляции окружающей среды (воздуха),°С; λи - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м∙К). Рассчитаем толщину тепловой изоляции: при tcт2=35

αв=9,3+0,058∙35=11,33 Вт/(м2*К).

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии+15% асбест), имеющий коэффициент теплопроводности λи=0,09 Вт/(м*К). Тогда при tcт1=142,9 °С, t(возд)=20 °С:

δи=λи∙(tст1-tст2)/(αв∙(tcт2-tвозд)).

δи=0,09∙(142,9-35)/(11,33∙(35-20))=0,057 м.

Примем толщину тепловой изоляции 0,055 м и для второго корпуса тоже.

4.   РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА

4.1 Тепловой баланс

Кожухотрубчатые подогреватели предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве.Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве которого нагревается от 25 °С до 98 °С раствор CuSO4. Тепловой поток, принимаемый исходной смесью и, соответственно, отдаваемый насыщенным водяным паром:

Q=Gн∙c1∙(tк-tн), (4.1)

G - массовый расход жидкостной смеси, кг/с, с – средняя теплоемкость, Дж/кг∙с; t – начальная температура раствора, °С; t – конечная температура раствора, °С.

Q=5∙4029∙(98-25)=1531020 Вт

В качестве теплоносителя использовать насыщенный водяной пар с параметрами: t=142,9 °С.

По определенной по уравнению (4.1) тепловой нагрузке определяется расход второго теплоносителя c учётом потерь:

G=1,03∙Q/r (4.2)

где r – теплота конденсации пара.

G=1,03∙1531020/2141∙103=0,7365 кг/с

4.2 Определение ориентировочной поверхности теплообмена

Для определения ориентировочной поверхности теплообмена служит формула:

Fop=Q/Kop∙∆tср.лог. (4.3)

Где Кор – ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению; ∆tср. лог – среднелогарифмическая разность температур.

∆tср лог=[(tг1-tн1)-(tг1-tк1)]/ln[(tг1-tн1)/(tг1-tк1)] (4.4)

∆tср лог=[(142.9-25) – (142.9-98)]/2.69=76.8 ºC

Fop=1531020/800∙76.8=24.9 м2

4.3 Выбор теплообменника

Примем ориентировочное значение Re=15000 Что соответствует развитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Такой режим течения возможен в теплообменнике с числом труб, приходящихся на один ход: для труб диаметром dн=20´2 мм.

N/z=4∙G1/p∙d∙Reop∙m1 (4.5)

N/z=4∙5/3,14∙0,016∙15000∙0,000552=48

Из табл.2.3 [2] выбираем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена F=31 м2 и длиной труб l= 4 м, число ходов z=2; число труб n= 100, диаметром кожуха Dк=0,4м

В трубное пространство направим подогреваемый раствор, в межтрубное - греющий пар.

4.4 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Для выбора формулы для расчета коэффициента теплоотдачи α1 определим значение критерия Рейнольдса для подогреваемого раствора Re1 по формуле:

Re1=4∙G1/π∙d∙(n/z)*μ1, (4.6)

где d – внутренний диаметр труб теплообменника, м; n- число труб, z- число ходов (см.табл.2.3.[2]).

Re1 =4∙5/(3,14∙0,02∙(100/2)∙0,000552) = 10989.

Значение критерия Прандтля найдем по формуле:

Pr1 = с1∙μ1/λ1 (4.7)

Pr1 = 4029∙0,000552/0,576=5,5.

Так как значение Re1 равно 10989, то значение критерия Нусельта найдем по формуле:

Nu1=0,021∙Re10,8∙Pr10,43∙(Pr1/Prcт1)0,25 (4.8)

Поправкой (Pr1/Prcт1)0,25 принебрегаем т.к. разница температур между жидкостью и стенкой невелика, меньше Δtср.

Nu1=0,021∙10989 0,8∙5,5 0,4= 74,7 Вт/м∙К

Значение коэффициента теплоотдачи α1 определим по формуле:

α1= Nu1∙λ1/d (4.9)

α1= 74,7∙0,4046/0,021 = 1439 Вт/м2∙К

Примем, что значение тепловых проводимостей стенки трубы со стороны пара 11600 Вт/м2∙К со стороны кипящего раствора 2900 Вт/м2∙К.

1/S=1/(1/11600+0,002/25,1+1/2900)=0,00051 Вт/м2∙К.

Найдём число Рейнолдса для газовой фазы:

Reг=Gп∙dвн/Sмтр∙∑δ/λ=0,7365∙0,025/0,017∙0,00051=2124 (4.10)

α2=2,04∙ε∙λст∙(ρ∙L n/Gпμ)1/3 = 2,04∙0,7∙25,1∙(0,592∙4∙100/0,7365∙0,001)1/3 =4336

К=1/(1/2124+0,00051+1/4336)= 696,6 Вт/м2∙К.

Тогда требуемая поверхность теплопередачи:

Fтр=Q/(K∙Δtср)= 1531020/76,8∙696,6=28,6 м2.

Из табл. 2.3 [2] выбираем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена. Расчёты подтверждают, что выбранный ранее теплообменник является оптимальним.

Запас поверхности:

∆=(31-28,6)∙100/28,6=8,39 % (4.12)

4.5 Определение гидравлического сопротивления теплообменника

А) в трубном пространстве:

Скорость среды в трубах теплообменника:

ωтр = 4∙G1∙z/(3,14∙d2∙n∙ρ 1) (4.13)

ωтр = 4∙ 5∙2/(3,14∙(0,021)2∙100∙1023) =0,28 м/с.

Для определения коэффициента трения λ нужен Re среды. Re= 12800.

Коэффициент трения λ рассчитываем по формуле:

Т.к. диаметр кожуха выбранного теплообменника равен Dk= 600 мм, а число ходов z= 2, то диаметр условного прохода его штуцеров равен dш= 150 мм (см.табл.2.6.[2]).

Скорость потока в штуцерах:

ω ш=4∙Gтр/(3,14∙ ρтр∙d трш2)= 4∙ 5/(3,14∙ 1023∙(0,15)2)= 0,0,277 м/с. (4.14)

Расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в трубном пространстве имеет вид (формула(2.35) [2]):

ΔРтр=, (4.15)

где L-длина труб теплообменника, м.

ΔРтр= 1392 Па.

Б) В межтрубном пространстве:

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

m≈(n/3)0.5=(100/3)0.5≈6 (4.16)

Число сегментных перегородок х=14 (см. табл. 2.7[2]).

Диаметр штуцеров к кожуху dмтр.ш=0,2 м, скорость потока в штуцерах:

 (4.17)

Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве ωмтр определяется по формуле:

 (4.18)

ΔРмтр=, (4.19)

ΔРмтр=21234 Па.

5. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

5.1 Расчет 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 конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

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

5.1.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды gb определяют из теплового баланса конденсатора:

Gв=w2*(Iбк-cв*tк)/(cв*(tк-tн)), (5.1)

где Iбк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tн - начальная температура охлаждающей воды, °С;tк - конечная температура смеси воды и конденсата, °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 на 3 град ниже температуры конденсации паров;

При tбк=47,42°С

tк=tбк-3,0=47,42-3=44,42 °С

Тогда при tн=20 °С

Gв=2,091 (2585∙10З-4,19∙10З∙44,42)/(4,19∙10З∙(44,42-20))=49,09 кг/с

5.1.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора dбк:

dбк=(4∙w2 /(ρ∙π∙v))0,5, (5.2)

где ρ - плотность паров, кг/куб.м; v - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров v=15-25 м/с. Тогда при v=20 м/с:

dбк=(4∙2,091/(3,14∙20∙0,067))0,5=1,41м.

По нормалям НИИХИММАШа [12] подбираем конденсатор диаметром, равным расчётному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром dбк=1600 мм.

5.1.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [12], внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе

VВ=4*(Gв+w2)/(ρв*π*(dбт2)) (5.3)

VВ=4*(49,09 +2,091)/(1000*3,14*(0,32))=0,724 м/с.

Высота барометрической трубы

Hбт=B/(ρв*g)+(1+Σξ+λ∙(Hбт/dбт)∙(vв2)/(2∙g)+0,5 (5.4)

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; Σξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений; λ - коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

При Рбк=11000 Па.

В=Ратм-Рбк=98000-11000= 87000 Па

Σξ=ξвх+ξвых=0,5+1,0=1,5

где ξвх, ξвых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

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

Re=vв*dбт*ρв/μв=0,724 *0,3 *1000/0,574*10-3=402222

Для гладких труб при Re =4022222 λ =0,019

Подставим в (5.4) указанные значения, получим:

Нбт=87000/(1000∙9,81)+(1+1,5+0,019*(Нбт/0,3)∙(0,724 2)/(2∙9,81))+0,5

Отсюда находим Нбт=9,55 м.

5.2 Расчет производительности вакуум-насоса

 

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

Gвозд=2,5∙10-5∙(w2 +Gв)+0,01*w2. (5.5)

где 2,5*10-5 - количество газа, выделяющегося из 1кг воды; 0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1кг паров. Тогда

Gвозд=2,5∙10-5 ∙(2,091+49,09)+0,01∙2,091=0,02219 кг/с

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Vвозд=R∙(273+tвозд)∙Gвозд/(Мвозд∙Рвозд) (5.6)

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

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

tвозд=tн+4+0,1∙(tк-tн)=20+4+0,1∙(44,42-20)=26,44 °С

Давление воздуха равно:

Рвозд=Рбк - Рп,

где Рп - даление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд=26,44 °С.

Подставив, получим:

Рвозд=0,11∙9,81∙104 -0,035∙9,81∙104=6958 Па

Тогда:

Vвозд=8310∙(273+26,44)∙22,19∙10-3/(29∙6958)=0,274 м3/с= 16,4 м3/мин.

Зная объёмную производительность Vвозд=16,4 и остаточное давление Рбк, по каталогу [13] подбираем вакуум-насос типа ВВН-25 мощностью на валу N=48 кВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте был рассмотрен процесс выпаривания и произведены расчеты основного оборудования, а также было подобрано вспомогательное из стандартного. В результате расчетов были получены следующие результаты:

Выпарной аппарат (по ГОСТ 11987-81): номинальная поверхность теплообмена -125 м2; диаметр труб -38мм; высота труб-4м;

теплообменник для нагрева исходной смеси (ГОСТ 15118 - 79): поверхность теплопередачи 31 м2, диаметр кожуха 400мм; число ходов 2; число труб 100, длиной 4м;

барометрический конденсатор: диаметр -1600 мм, высота – 9,55 м;

вакуум-насос: марки ВВН-25: при оптимальных условиях работы: производительность 3,67 м3/мин, остаточное давление - 75 мм. рт. ст, мощность N=48 кВт.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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

2. ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.

3. Справочник химика. М-Л.: Химия, Т. III, 1962. 1006 с. Т. V, 1966. - 974 с.

4. Каталог УКРНИИХИММАШа, Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979. - 38 с.

5. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов. Изд. 2-е. Л.: Химия, 1976. - 328 с.

6. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975. - 816 с.

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

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

9. Чернышев А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номограмм для химико-технологических расчетов. Л.: Химия, 1974, - 200 с.

10. ОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.

11. Вакуумные насосы. Каталог-справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. - 63 с.

12. Чернобыльский И.И. Выпарные установки. Киев: Изд. Киевского ун-та, 1960. - 262 с.

13. Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. М.: Госэнерго-издат, 1955. - 392 с.

14. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1991. - 496 с.