Проектирование выпарной установки для концентрирования водного раствора нитрата калия

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Кафедра процессов и аппаратов Курсовой проект Учебная дисциплина: Процессы и аппараты химической технологии Тема: проектирование выпарной установки для концентрирования водного раствора KNO₃

Студентки Петров М.В.

Руководитель Фролов В.Ф.

Санкт-Петербург 2012

ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ 9

Рассчитать и спроектировать установку для непрерывного концентрирования раствора нитрата аммония в одном корпусе.

Исходные данные:

Содержание растворенного вещества:

· начальная концентрация 16%;

· конечная концентрация 38%.

Производительность по разбавленному раствору 2,8кг/с.

Давление в аппарате 0,50 ата.

Подогрев раствора греющим паром.

Аппарат с кипением в трубах.

Выполнить:

Подробный расчет и чертёж подогревателя раствора.

СХЕМА ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

рис. 1. Схема выпарной установки. 1 — Подогреватель исходной смеси, 2 — Выпарной аппарат, 3 — Барометрический конденсатор, 4 — Вакуум-насос, 5 — Холодильник

СОДЕРЖАНИЕ

Аналитический обзор

Технологическая часть

Инженерные расчёты

Выводы

В данной курсовой работе стоит задача рассчитать и спроектировать установку для непрерывного выпаривания раствора нитрата калия.

Выпаривание — это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара, — некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целях.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температурах кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. В этом аппарате циркуляция раствора осуществляется за счет различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

В таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды). Применение вакуума дает возможность проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрировании растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Также дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а так же увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд не связанных с процессом выпаривания. Такой способ выпаривания позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Этот способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Простейшими выпарными аппаратами со свободной циркуляцией раствора являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы под атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом. Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этих аппаратов очень невелики. Значительно большей поверхностью нагрева в единице объема обладают змеевиковые выпарные аппараты. Выпарные аппараты со свободной циркуляцией раствора в настоящее время вытеснены в большинстве производств выпарными аппаратами более совершенных конструкций, в частности вертикальными трубчатыми аппаратами.

В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при много кратной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

В аппаратах с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

В аппаратах с подвесной нагревательной камерой кольцевой канал имеет большое поперечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное воздействие на циркуляцию раствора. Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной нагревательной камерой (как и в аппаратах с центральной циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка, которых приводит к частым и длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей.

Конструкции аппаратов с выносными циркуляционными трубами несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

Аппарат в выносной нагревательной камерой работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи. В этих аппаратах значительно снижается брызгоунос, достигается большая скорость циркуляции раствора, что приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применятся для выпаривания кристаллизирующихся растворов умеренной вязкости.

Принципиальное отличие прямоточных аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. В таких аппаратах достигается снижение температурных потерь, обусловленных гидростатической дисперсией.

В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации, вследствие вращающихся частей (ротора).

В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования. Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание протекает при малых полезных разностях температур, не превышающих 3−5 К и при значительных вязкостях растворов.

В выпарных аппаратах с тепловым насосом, с помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в нагревательную камеру того же аппарата. В отдельных случаях выпарные аппараты с тепловым насосом могут конкурировать с многокорпусными выпарными установками.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор нитрата калия.

Исходный раствор нитрата калия с начальной концентрацией подается центробежным насосом в теплообменник, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата, где кипит при температуре кипения с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений. В выпарном аппарате давление и температура. В барометрическом конденсаторе вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар — снизу, вода — сверху). Давление в барометрическом конденсаторе. Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по барометрической трубе с гидрозатвором.

Концентрированный раствор нитрата калия с концентрацией % после выпарного аппарата подается в холодильник, где охлаждается до температуры. Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически по мере накопления. Далее раствор с помощью центробежного насоса ВВН-3 подается в емкость упаренного раствора.

ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ

выпаривание нитрат калий конденсатор

Материальный баланс процесса выпаривания

Основные уравнения материального баланса:

(1)

(2)

где , — массовые расходы начального (исходного) и конечного (упаренного) раствора соответственно, кг/с;

 — массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе соответственно;

W — массовый расход испаряемого растворителя (воды), кг/с.

Из формулы 3.2 получаем:

;

кг/с.

Решая совместно уравнения 3.1 и 3.2 получаем:

;

кг/с.

Таблица 3.1

Определение температур и давлений.

Определение температуры и давления греющего (конденсирующегося) пара, осуществляющего подогрев исходной смеси в подогревателе

По [1, табл. LI] находим давление греющего пара в подогревателе при температуре: , но принимаем ближайшее большее значение кратное 0,50 ата, т. е.. Следовательно,, которая и будет использоваться в дальнейших расчетах.

Определение температуры вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата

Давление в сепараторе по условию:

По [1, табл. LII] находим температуру вторичного пара в сепараторе при давлении: .

Определение температуры и давления в барометрическом конденсаторе

Температура в барометрическом конденсаторе всегда на 2−3⁰С ниже, чем в сепараторе выпарного аппарата. Поэтому возьмём: .

По [1, табл. LI] находим давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе при температуре: .

Определение плотности раствора

Плотность раствора, как и плотность воды, определяются на среднем уровне, при приблизительной температуре кипения.

где — температура вторичного пара в сепараторе

Вычисление плотности раствора:

(3)

где, , ,

— плотность воды,

Следовательно,

Определение температуры кипения раствора, условно принимаемой за конечную, при которой раствор конечной концентрации выводится из выпарного аппарата

; (5)

где, , — давление на среднем уровне, Па:

гдерабочая высота труб выпарного аппарата, условно принимаем

.

Рассчитаем температуру кипения повторно

Температурный режим работы выпарной установки

Тепловой баланс выпарного аппарата

Расход теплоты на выпаривание

Тепловая нагрузка выпарного аппарата равна:

(7)

где — расход теплоты на нагревание раствора, Вт; - расход теплоты на испарение влаги Вт; - расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Вт.

Расход теплоты на нагревание раствора, определяется по формуле:

(8)

Где

— теплоемкость разбавленного раствора, определяется по формуле:

(9)

Где, ,, , — удельная теплоемкость воды ,

(10)

где — температура воды ,

.

Тогда по формуле 9 будет равна:

Таким образом, по формуле (8) получим:

.

Расход теплоты на испарение определяется по формуле:

(12)

где — удельная теплота парообразования, при температуре .

По [1, табл. LI] находим:; W

Тогда по формуле 12 находим расход теплоты на испарение:

.

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду при расчете выпарных аппаратов принимают 3−5% от суммы. Таким образом, равняется:

Следовательно, количество теплоты, передаваемой от греющего пара к кипящему раствору, по формуле 7 равняется:

.

Определение расхода греющего пара Расход греющего пара (в кг/с) в выпарном аппарате определяем по уравнению:

(13)

где — паросодержание (степень сухости) греющего пара, примем равным 1 так как в условиях технического задания оно не дано; - удельная теплота конденсации греющего пара,. По [1, табл. LII] находим для температуры:. И получаем:

.

Удельный расход греющего пара:

Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата.

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи [1, с. 155]:

Q=KFt_пол (15)

где К — коэффициент теплопередачи Вт/(м²К)

F — площадь поверхности теплообмена, м²;

t_пол — полезная разность температур.

Коэффициент теплопередачи К найдем по таблице [1, с. 159]:

K=1400 Вт/(м²· К) Полезная разность температур:

t_пол=t_г. п.-t_{кип тр}

t_пол=126,7−97,2=29.5°C

Поверхности теплообмена[1, c. 155]:

м²

Выбор выпарного аппарата по каталогу.

Произведём выбор аппарата по каталогу [2, с. 184]. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 20%, для обеспечения запаса производительности.

F_ном=1.280

F_ном=1.280=96 м²

гдеF_ном — площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м².

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой с ближайшей большей поверхностью теплообмена относительно рассчитанной (тип 1, исполнение 2). Такие выпарные аппараты используют для упаривания растворов, выделяющих незначительный осадок, удаляемый механическим способом.

Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 11 987;81)

F — номинальная поверхность теплообмена;

D — диаметр греющей камеры;

D₁ — диаметр сепаратора;

D₂ — диаметр циркуляционной трубы;

Н — высота аппарата;

М — масса аппарата;

d_тр — диаметр кипятильных труб.

Приближенный расчет холодильника

Основные данные для расчета холодильника

Определим среднюю по всей теплообменной поверхности разность температур теплоносителей:

Количество тепла, принимаемое водой от кипящего раствора с целью его охлаждения до температуры окружающей среды [1, c. 366]

Для определения ориентировочной площади теплообмена примем коэффициент теплопередачи от конденсирующихся паров к воде [1, c. 159]:. Определим ориентировочную площадь теплообмена по формуле 16

Возьмём кожухотрубчатый теплообменник одноходовой с диаметром кожуха 325 мм, диаметром труб 20Ч2 мм, числом заходов 2 и числом труб 62, поверхностью теплообмена F=11м² и длиной труб 2 м — [2, c. 51].

Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор при температуре окружающей среды (около 20⁰С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают несконденсированные газы.

Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:

(17)

где — энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; - начальная температура охлаждающей воды,; - конечная температура смеси воды и конденсата,; - расход вторичного пара, кг/с; - теплоемкость воды, .

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим, что при,. По заданию. Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3−5 К, поэтому принимаем [2,c178]. Теплоемкость воды принимаем равной .

Диаметр конденсатора:

где =0,289 кг/м³— плотность паров, =20 м/с-скорость паров[2,c178]

Подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Выбираем барометрический конденсатор диаметром = 600 мм.

Высота барометрической трубы.

В соответствии с нормалями внутренний диаметр барометрической трубы равен =150 мм.

Скорость воды в барометрической трубе:

Таким образом, Высота барометрической трубы

;

(20)

где — высота водяного столба, соответствующая вакууму разряжения в конденсаторе и необходимая для уравновешивания атмосферного давления, м; 0,5 — запас высоты на возможное изменения барометрического давления, м;- сумма коэффициентов местных сопротивлений; - коэффициент трения в барометрической трубе; В — вакуум в барометрическом конденсаторе; 0,5 — запас высоты на возможное изменение барометрического давления.

Принимаем [2,c179], где и — коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее. Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Таким образом,

По [1, рис. 1.5, стр. 15] находим, что при таком значении Re и в случае применения гладких труб, коэффициент трения равняется .

Подставляя найденные значения в формулу 20 получаем:

откуда 6,07 м. Таким образом, выбираем барометрический конденсатор диаметром, с сегментными полками, с высотой труб 6,07 м.

Расчет производительности вакуум — насоса

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

(21)

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

.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

(22)

где — универсальная газовая постоянная R = 8,314 к; - молекулярная масса воздуха: M = 29 кг/кмоль; - температура воздуха,; - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

(23)

Давление воздуха равно:

(24)

где — давление сухого насыщенного пара (Па) при .

По [1, табл. LVI, стр. 548]. Подставив, получим:

;

Расчет остаточного давления для выбора типоразмера вакуум-насоса:

; мм рт. ст.

Зная объемную производительность и остаточное давление по [2, приложение 4.7., стр. 188] выбираем вакуум-насос типа ВВН-3 мощностью на валу 6,5 кВт.

Подробный расчет греющей камеры выпарного аппарата

Выпарная установка работает при кипении раствора в трубах при оптимальном уровне. При расчете выпарного аппарата мы приняли высоту труб. При расчете установки мы приняли: тепловая нагрузка; температура кипения раствора нитрата калия на среднем уровне; температура конденсации сухого насыщенного водяного (греющего) пара .

Определим среднюю по всей теплообменной поверхности разность температур теплоносителей:

— [1, c. 156]

Средняя интегральная температура смеси [1, c. 156]:

Определим количество тепла, отдаваемое конденсирующимся паром в подогревателе — конденсаторе [1, c. 366]:

Где с — теплоемкость раствора при t=56,70C, при начальной концентрации х=0,16, рассчитывается по формуле (9)

Где, рассчитывается по формуле (10)

Для определения ориентировочной площади теплообмена примем коэффициент теплопередачи от конденсирующихся паров к воде [1, c. 159]:. Определим ориентировочную площадь теплообмена:

Ламинарный режим

Так как режим ламинарный, то

(25)

Динамический коэффициент вязкости.

(26)

Где, , , — динамический коэффициент вязкости воды.

(27)

Следовательно

Плотность раствора и плотность воды рассчитывается по формуле (3) и (4)

Плотность воды Плотность раствора Соответственно

скорость потока Откуда — [1, c. 216],

где — динамический коэффициент вязкости раствора, Пас.

— внутренний диаметр труб, м.

Выбираем число труб на один ход по [1,с216]

Пересчитаем скорость и Re:

где =973кг/м³ — плотность раствора при температуре

Примем значения тепловой проводимости загрязнений стенок:

со стороны конденсирующегося пара — 5800 Вт/(м²· К) (водяной пар с содержанием масла), со стороны раствора — 1400 Вт/(м²· К) (вода загрязненная: так как раствор соли по своим физическим свойствам может приравниваться к воде из-за малой концентрации растворенного вещества) — [1, c. 500]

Коэффициент теплопроводности стали

· Первое приближение

Зададимся значением температуры стенки со стороны конденсирующегося пара:

Найдём разность температур и

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб — [1, c. 150]

где — корректировочный коэффициент, учитывающий влияние конденсата, стекающего с верхних труб и попадающего на наружную поверхность нижних рядов (шахматный порядок труб) — [1, c. 151]; g — ускорение свободного падения

Динамический коэффициент вязкости воды рассчитывается по формуле (27)

Плотность воды рассчитывается по формуле (4)

Коэффициент теплопроводности, для воды

(28)

Поверхностная плотность теплового потока первой стенки — [1, c. 238]

;(29)

Температура стенки со стороны воды — [1, c. 238]:

; (30)

Критерий Грасгофа — [1, c. 240]

(31)

где н — кинематическая вязкость раствора и в — коэффициент объемного расширения [1, c. 506] при .

Найдём критерий Нуссельта как функцию от температуры соответствующей стенки — [1, 220]:

Pr и Pr_w — для раствора соли при температуре и при t_w2=116,2°С.

Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки — [1, c.240]:

где л — коэффициент теплопроводности раствора, рассчитывается по формуле

(34)

Где — коэффициент теплопроводности воды рассчитывается по формуле (28)

Поверхностная плотность теплового потока второй стенки:

.(35)

· Второе приближение

Зададимся другим значением температуры стенки со стороны конденсирующегося пара:

Найдём разность температур и

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб — [1, c. 150]

Динамический коэффициент вязкости воды рассчитывается по формуле (27)

Плотность воды рассчитывается по формуле (4)

Коэффициент теплопроводности, для воды Поверхностная плотность теплового потока первой стенки — [1, c. 238]

;

Температура стенки со стороны воды — [1, c. 238]:

;

Критерий Грасгофа — [1, c. 240]

Найдём критерий Нуссельта как функцию от температуры соответствующей стенки — [1, 220]:

Pr и Pr_w — для раствора соли при температуре и при t_w2=105,7°С.

Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки — [1, c.240]:

Поверхностная плотность теплового потока второй стенки:

.

· Третье приближение (по графику — приложение 2)

По графику получаем значение температуры стенки со стороны конденсирующегося пара:

Найдём разность температур и

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб — [1, c. 150]

Динамический коэффициент вязкости воды рассчитывается по формуле (27)

Плотность воды рассчитывается по формуле (4)

Коэффициент теплопроводности, для воды Поверхностная плотность теплового потока первой стенки — [1, c. 238]

;

Температура стенки со стороны воды — [1, c. 238]:

;

Критерий Грасгофа — [1, c. 240]

Найдём критерий Нуссельта как функцию от температуры соответствующей стенки — [1, 220]:

Pr и Pr_w — для раствора соли при температуре и при t_w2=104,0°С.

Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки — [1, c.240]:

Поверхностная плотность теплового потока второй стенки:

Результаты итераций:

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

Таким образом, теплообменник обладает следующими характеристиками: кожухотрубчатый теплообменник одноходовой с диаметром кожуха 600 мм, диаметром труб 25Ч2мм, числом труб 257, поверхностью теплообмена F=40 м² и длиной труб 2 м.

Турбулентный режим.

Так как режим турбулентный, то

где скорость потока Откуда ,

Выбираем по [1,с216] двухходовой теплообменник n=56шт Пересчитаем скорость и Re:

где =1247 кг/м³ — плотность раствора при средней температуре.

· Первое приближение

Зададимся значением температуры стенки со стороны конденсирующегося пара:

Найдём разность температур и

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб — [1, c. 150]

где — корректировочный коэффициент, учитывающий влияние конденсата, стекающего с верхних труб и попадающего на наружную поверхность нижних рядов (шахматный порядок труб) — [1, c. 151], g — ускорение свободного падения

Динамический коэффициент вязкости воды рассчитывается по формуле (27)

Плотность воды рассчитывается по формуле (4)

Коэффициент теплопроводности, для воды Поверхностная плотность теплового потока первой стенки — [1, c. 238]

;

Температура стенки со стороны воды — [1, c. 238]:

;

Найдём критерий Нуссельта как функцию от температуры соответствующей стенки — [1, 220]:

Pr и Pr_w — для раствора соли при температуре и при t_w2=116,2°С. Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки — [1, c.240]:

где л — коэффициент теплопроводности раствора, рассчитывается по формуле Где рассчитывается по формуле (26)

Поверхностная плотность теплового потока второй стенки:

.

· Второе приближение

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб — [1, c. 150]

Динамический коэффициент вязкости воды рассчитывается по формуле (27)

Плотность воды рассчитывается по формуле (4)

Коэффициент теплопроводности, для воды Поверхностная плотность теплового потока первой стенки — [1, c. 238]

;

Температура стенки со стороны воды — [1, c. 238]:

;

Найдём критерий Нуссельта как функцию от температуры соответствующей стенки — [4, c. 239]:

Pr и Pr_w — для раствора соли при температуре и при t_w2=97,0°С Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки:

где л — коэффициент теплопроводности воды, при температуре

Поверхностная плотность теплового потока второй стенки:

.

· Третье приближение.

По графику получаем значение температуры стенки со стороны конденсирующегося пара:

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб — [1, c. 150]

Динамический коэффициент вязкости воды рассчитывается по формуле (27)

Плотность воды рассчитывается по формуле (4)

Коэффициент теплопроводности, для воды Поверхностная плотность теплового потока первой стенки — [1, c. 238]

;

Температура стенки со стороны воды — [1, c. 238]:

;

Найдём критерий Нуссельта как функцию от температуры соответствующей стенки — [4, c. 239]:

Pr и Pr_w — для раствора соли при температуре и при t_w2=82,7°С Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки:

где л — коэффициент теплопроводности воды, при температуре

Поверхностная плотность теплового потока второй стенки:

.

· Четвертое приближение ()

Достраиваем график и получаем новое значение температуры стенки со стороны конденсирующегося пара:

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к наружной поверхности труб — [1, c. 150]

Динамический коэффициент вязкости воды рассчитывается по формуле (27)

Плотность воды рассчитывается по формуле (4)

Коэффициент теплопроводности, для воды Поверхностная плотность теплового потока первой стенки — [1, c. 238]

;

Температура стенки со стороны воды — [1, c. 238]:

;

Найдём критерий Нуссельта как функцию от температуры соответствующей стенки — [4, c. 239]:

Pr и Pr_w — для раствора соли при температуре и при t_w2=80,1°С Выразим коэффициент теплоотдачи как функцию от температуры соответствующей стенки:

где л — коэффициент теплопроводности воды, при температуре

Поверхностная плотность теплового потока второй стенки:

.

Результаты приближений сведем в таблицу:

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

Таким образом, теплообменник обладает следующими характеристиками: кожухотрубчатый двухходовой теплообменник с диаметром кожуха 325 мм, диаметром труб 25Ч2мм, числом труб 56, поверхностью теплообмена F=17,5 м² и длиной труб 4,0 м.

Экономический расчет

При выборе оптимального теплообменного аппарата необходимо учитывать разные критерии. Наиболее полным и надежным критерием оптимальности при выборе теплообменного аппарата принято считать универсальный технико-экономический показатель — приведенные затраты [1, c. 232]:

где К — капитальные затраты, Э — эксплуатационные, а Е_н — нормативный коэффициент окупаемости капитальных затрат.

Капитальные затраты К на установку складываются из оптовой цены Ц_а, зависящей от массы аппарата и сложности его изготовления и затрат на доставку и монтаж аппарата Ц_м. Эксплуатационные расходы Э состоят из затрат на амортизацию А, текущий ремонт и содержание оборудования Р, на электроэнергию З_э и на теплоноситель З_т (или хладоагент):

, .

Годовые затраты на электроэнергию З_э состоят из платы за установленную мощность платы за использованную электроэнергию.

Примем [1, c.232]:

Е_н=0,15 год ^-1 а₁=0.11 а₂=0.09 Ц_м=25%

плату за установленную мощность — 3600

плату за использованную электроэнергию — 1

продолжительность работы оборудования — 8280 ч/год.

Таким образом, приведенные затраты:

где N — мощность в кВт.

1. Ламинарный режим.

Для раствора соли, проходящего по трубному пространству подогревателя, перепад давления равен [1, с. 232]:

Н/м²,

где l — длина труб, м;

dвнутренний диаметр труб, м;

с — плотность раствора при t_ср.р и x_нач, кг/м³.

w— скорость раствора при ламинарном режиме течения, м/с.

коэффициент трения [2, с. 69]:

()

где е — относительная шероховатость труб:

е=Д/d=0.2/21=0.0095 (Д — высота выступов шероховатости труб [1, с. 488]).

Мощность, затрачиваемая на перемещение воды по трубам:

где суммарный КПД насоса и приводы принят равным з=0.8

V=G_н/с_н=2,8/1247=0,225 м³/с, Масса теплообменника [2, c.56]: M=1350 кг Масса труб [2, c.81]:

где d_ср — средний диаметр труб, м:

— толщина труб, м Доля массы труб от массы всего ТОА [2, c.81]:

Цена единицы массы ТОА из углеродистой стали:

Цн.ст = 1,055 руб/кг [2, c.80]

Оптовая цена ТОА:

Приведенные затраты:

2. Турбулентный режим.

Для воды, проходящей по трубному пространству дефлегматора, перепад давления равен [1, с. 232]:

Н/м²,

г где l — длина труб, м; dвнутренний диаметр труб, м;

с — плотность раствора при t_ср.р и x_нач, кг/м³.

w— скорость раствора при турбулентном режиме течения, м/с.

коэффициент трения [2, с. 69]:

()

где е — относительная шероховатость труб:

е=Д/d=0.2/21=0.0095 (Д — высота выступов шероховатости труб [1, с. 488]).

Мощность, затрачиваемая на перемещение воды по трубам:

Масса теплообменника [2, c.56]: M=890 кг Масса труб [2, c.81]:

Доля массы труб от массы всего ТОА [2, c.81]:

Цена единицы массы ТОА из нержавеющей стали:

Цн.ст = 1,115 руб/кг [2, c.80]

Оптовая цена ТОА:

Приведенные затраты:

Наиболее выгоден теплообменник, работающий в ламинарном режиме, для которого приведенные затраты составляют 623 руб/год.

ВЫВОДЫ

В данной курсовой работе описан процесс выпаривания раствора нитрата калия В результате приведенных выше расчетов были выбраны следующие аппараты:

выпарной аппарат: тип 1 исполнение 2 ГОСТ 11 978;81- выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и циркуляционной трубой площадь теплообмена;

Для подогрева мы выбираем: одноходовый теплообменник, с внутренним диаметром кожуха, числом труб, поверхностью теплообмена, длиной труб и числом рядов труб, расположенных в шахматном порядке.

— барометрический конденсатор диаметром с высотой трубы 6,07 м.

вакуум насос типа ВВН-3 мощностью N=6,5 кВт

— холодильник: кожухотрубчатый теплообменник одноходовой с диаметром кожуха 325 мм, диаметром труб 20Ч2 мм, числом заходов 2 и числом труб 62, поверхностью теплообмена F=11м² и длиной труб 2 м.

Нитрат аммония — неагрессивная среда, поэтому для всех аппратов в качестве основного материала принимает сталь марки Ст3сп.

ЛИТЕРАТУРА

1. Романков П. Г., Фролов В. Ф., Флисюк О. М. методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учеб. пособие для вузов. — 2-е изд., испр. — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2009

2. Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И./Под редакцией Дытнерского Ю. И., 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1991