Проектирование трехкорпусной выпарной установки для концентрирования Gн = 8.611 кг/с водного раствора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 G_н = 8.611 кг/с водного раствора KOH от начальной концентрации х_н = 8 % до конечной х_к = 40% при следующих условиях:

1) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением P_г1 = 0,65 МПа;

2) давление в барометрическом конденсаторе Р_бк = 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/(KДt_п). (1.1)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Дt_п 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 = G_н (1-x_н/х_к) = 8.611 · (1 - 10/40) = 6,46 кг/с. (1.2)

1.1 Концентрации упариваемого раствора

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:

х₁ = G_нx_н/(G_н - w₁) = 2 · 0,1/(6,46 - 1,96) = 0,1294 или 12,94 %;

х₂ = G_нx_н/(G_н - w₁ - w₂) = 2 · 0,1/(6,46 - 1,96 - 2,15) = 0,1913 или 19,13 %;

х₃ = G_нx_н/(G_н - 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:

ДР_об = Р_г1 - Р_бк = 650 000 - 15 000 = 635 000 Па.

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

Р_г2 = Р_г1 - ДР_об/3 = 650 000 - 635 000 /3 = 440 000 Па;

Р_г3 = Р_г2 - ДР_об/3 = 440 000 - 635 000 /3 = 227 000 Па.

Давление пара в барометрическом конденсаторе

Р_бк = Р_г3 - ДР_об/3 = 227 000 - 635 000 /3 = 20 000 Па,

что соответсвует заданному значению Р_бк.

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 ?Д 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:

t_вп1 = t_г2 + Д₁''' = 161,15 + 1,0 = 137,02 ^оС;

t_вп2 = t_г3 + Д₂''' = 136,02+ 1,0 = 124,06 ^оС;

t_вп3 = t_бк + 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:

Р_вп1 = 345 000 Па;

Р_вп2 = 204 000 Па;

Р_вп3 = 15 700 Па.

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

Р_ср = Р_вп + 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), м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_ор. Примем удельную тепловую нагрузку аппарата (q) равной 40 000 Вт/м³. тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

,

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

По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией с сосной греющей камерой (тип 1, исполнение 1) состоят из кипятильных труб высотой 3 и 4 м при диаметре d_н = 38 мм и толщине стенки д_ст = 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:

Р_1ср = Р_вп1 + с₁ g H(1 - е)/2 = 345 000 + 4 • 1118• 9,8 (1-0,5)/2 = 356 000 Па;

Р_2ср = Р_вп2 + с₂ g H(1 - е)/2 = 204 000 + 4 • 1077 • 9,8 (1-0,5)/2 = 215 000 Па;

Р_3ср = Р_вп3 + 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'' = t_1ср - t_вп1 = 150,26 - 137,02 = 13,24 ^оС;

Д₂'' = t_2ср - t_вп2 = 124,53 - 124,06= 0,47 ^оС;

Д₃'' = t_3ср - t_вп3 = 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 • Т²/r_вп, (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:

t_к1 = t_г2 + Д₁' + Д₁'' + Д₁''' = 136,02 + 6,15+13,24+1,0 = 156,41 ^оС;

t_к2 = t_г3 + Д₂' + Д₂'' + Д₂''' = 123,06 + 6,35 + 0,47 + 1,0 = 130,85 ^оС;

t_к3 = t_бк + Д₃' + Д₃'' + Д₃''' = 53,88 + 18,87 + 11,68 + 1,0 = 85,43 ^оС.

1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна

?Дt_п = Дt_п1 + Дt_п2 + Дt_п3.

Полезные разности температур по корпусам равны:

Дt_п1 = t_г1 - t_к1 = 161,15 - 156,41 = 4,74 ^оС;

Дt_п2 = t_г2 - t_к2 = 136,02 -130,85= 5,17 ^оС;

Дt_п3 = t_г3 - t_к3 = 123,06 -85,43= 37,63 ^оС.

Тогда общая полезная разность температур

?Дt_п = 4,74+5,17+37,63=47,54 ^оС.

Проверим общую полезную разницу температур:

?Дt_п = t_г1 - t_бк - (?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; с₁, с₂ - теплоёмкости растворов соответственно в первом и во втором корпусах, кДж/(кг·К)[4]; Q_1конц, Q_2конц, Q_3конц, - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; t_н = t_вп1 + Д`<sub>н</sub> = 137,02 + 1,0 = 138,02 <sup>о</sup>С (где Д`_н - температурная депрессия для исходного раствора); принимаем, что I_вп1 ? I_г2; I_вп2 ? I_г3; I_вп3 ? I_бк;

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поскольку Q_3конц составляет меньше 3% от Q_3ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_конц.

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 л_ст = 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 ?д_ст/л_cт и накипи д_н/л_н. термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

?д/л = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 2,87 • 10^-4 м² • К/Вт.

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

, (1.6)

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

с_ж1, л_ж1, м_ж1 - соответсвенно плотность (кг/м³), теплопроводность (Вт/(м • К)), вязкость (Па • с) конденсата при средней температуре пленки t_пл = t_г1 - Дt₁/2, где Дt₁ - разность температур конденсации пара и стенки.

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

Вт/(м² • К).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

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

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

Дt_ст - перепад температур на стенке, град.;

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

Отсюда

Дt_ст = б₁ • Дt₁ • ?д/л = град.

Тогда

Дt₂ = Дt_п1 - Дt_ст - 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/м3	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/м3	0,098

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q' = б₁ • Дt₁ = Вт/м²

q'' = б₂ • Дt₂ = Вт/м²

Как видим, q' = q''.

Т.к. расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 %, находим коэффициент К₁:

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:

выпарной установка температура давление

где Дt_пi, Q_i, K_i - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для i -го корпуса;

подставив численные значения, получим:

Дt_п2 = 14,17 град;

Дt_п3 = 17,16 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

?Дt_п = Дt_п1 + Дt_п2 + Дt_п3 = 16,21+14,17+17,16 = 47,54 град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F₁ = (4797 • 10³)|(1694• 21,25) = 174,59 м²;

F₂ = (4119 • 10³)|(982,52• 20,77) = 174,59 м²;

F₃ = (4701 • 10³)|(576 • 26,08) = 174,59 м².

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

В соответствии с ГОСТ 11987-81 выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и выносной греющей камерой с поверхностью теплопередачи F = 160 м².

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 tг1, 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 Дt_п, 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 11987-81 [2] выбираем выпарной аппарат

Таблица 8 - характеристики выпарного аппарата

Номинальная поверхность теплообмена Fн, м2	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	13500
Масса аппарата Mа, кг	12000

2. Определение толщины тепловой изоляции

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

(14)

где - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²·К); t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппарата, работающего в закрытом помещении, t_ст2 принимаем равным 40 ^оC; t_ст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 примем равным температуре греющего пара в 1 корпусе t_г1; t_в - температура окружающей среды (воздуха), ^оС; л_и - 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 л_и=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 G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

(15)

где I_б.к - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; t_н - начальная температура охлаждающей воды, С; t_к - 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 t_к на выходе из конденсатора примем за 3 град ниже температуры конденсации паров:

Тогда

3.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_б.к определяют из уравнения расхода:

(16)

где с - плотность паров, кг/м³; 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 d_б.к = 1200 мм.

3.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [2], внутренний диаметр барометрической трубы d_б.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 о_вх, о_вых - 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 = 109211,139 коэффициент трения л = 0,013 [3]

Подставив полученные значения, получим:

Отсюда находим H_б.т = 8,98 м.

4. Расчёт производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса G_возд 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); М_возд - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; t_возд - температура воздуха, °С; Р_возд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

Давление воздуха равно:

где P_п - давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд = 27,09 єС. Подставив получим:

Тогда

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк 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.

Размещено на Allbest.ru

...