Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
Гидростатическая депрессия обусловливается наличием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата температура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина не может быть точно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причем величина зависит от интенсивности циркуляции… Читать ещё >
Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Министерство образования и науки Украины
Национальный Технический Университет
«Харьковский Политехнический Институт»
Кафедра Общей химической технологии, процессов и аппаратов
Курсовой проект
Тема проекта:
Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
Проектировал студент
Шорин В. В.
гр. Н-48
Руководитель проекта
Новикова Г. С.
Харьков 2010 г.
Технологическая схема выпарной установки
В химической промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.
Принципиальная технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рис. 1.1.
Исходный раствор подается из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3 в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки.
Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в третий корпус 6, обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в емкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в котором при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в конденсаторе) и через не плотности трубопроводов, отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом.
Смесь охлаждающей воды и конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9.Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков.
Выбор выпарных аппаратов
Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта.
Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами раствора.
Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа•с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.
Растворы чувствительные к повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию — в прямоточных аппаратах с восходящей пленкой.
Типы и основные размеры выпарных аппаратов представлены в ГОСТ 11 987;81, и каталогах УКРНИИХИММАШа [11,12].
Задание на расчет выпарной установки
Цель расчета выпарной установки — расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеров основного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего в технологическую схему установки.
Задание на курсовое проектирование
Рассчитать и спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для концентрирования водного раствора по следующим данным:
1. Производительность установки по исходному раствору -8000 кг/ч;
2. Концентрация раствора: начальная — 5% масс.; конечная — 15% масс.;
3. Давление греющего пара -Р=0,4 МПа;
4. Давление в барометрическом конденсаторе -, Р=0,0147 МПа;
5. Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения;
6. Схема выпаривания — прямоточная; циркуляция естественная
1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
Технологический расчёт выпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи
(1.1)
где - поверхность теплопередачи, м2;
— тепловая нагрузка, Вт;
— коэффициент теплопередачи, Вт/(м2•К);
— полезная разность температур, К.
Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов по корпусам и их температуры кипения. Первоначально определим эти величины по материальному балансу, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.
1.1 Расчёт концентраций выпариваемого раствора
Производительность установки по выпариваемой воде определяем по формуле:
(1.2)
где - производительность по выпаренной воде, кг/с;
— производительность по исходному раствору, кг/с;
— соответственно начальная и конечная концентрация раствора, масс. доли,
кг/с.
На основании практических данных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами в соотношении Тогда:
Проверка:
W1+W2+W3= W=0,45+0,49+0,54=1,76 кг/с.
Рассчитываем концентрации растворов в корпусах:
Концентрация раствора в третьем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .
1.2 Определение температур кипения раствора
Температура кипения раствора в корпусе определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса и температурных потерь
(1.3)
где - соответственно температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, К.
Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ?P распределяется между корпусами поровну:
(1.4)
где PГ1 — давление греющего пара в первом корпусе, МПа;
Pбк — давление в барометрическом конденсаторе, МПа.
Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет:
PГ1=0,4МПа
PГ2 = PГ1 — ?P = 0,4 — 0,1284 = 0,2716 МПа
PГ3 = PГ2 — ?P = 0,2716 — 0,1284 = 0,1432 МПа
Pбк = PГ3 — ?P = 0,1432 — 0,1284 = 0,0148 МПа
По давлению греющего пара находим его температуру и теплоту парообразования (табл. 2.1) по корпусам.
Таблица 1.1 — Температуры и теплоты парообразования
Давление, МПа | Температура, ?С | Теплота парообразования, кДж/кг | |
PГ1=0,4 | tГ1=143,6 | rГ1=2139 | |
PГ2=0,2716 | tГ2=129,78 | rГ2=2180 | |
PГ3=0,1432 | tГ3=110,4 | rГ3=2234 | |
Pбк=0,0148 | tбк=53,71 | rбк=2372,3 | |
1.2.1 Определение температурных потерь
Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной, гидростатической и гидродинамической депрессиями.
а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают = 1,0 — 1,5 ?С на корпус. Примем = 1? С, тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:
tвп1 = tГ2 + = 129,78+1=130,78 ?С
tвп2 = tГ3 + = 110,4+1=111,4С
tвп3 = tбк + =53,71+1=54,71 ?С Сумма гидродинамических депрессий:
?С
По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2.2).
Таблица 1.2 — Давления и теплоты парообразования
Температура,?С | Давление, МПа | Теплота парообразования, кДж/кг | |
tвп1=130,78 | Pвп1=0,2787 | rвп1=2177 | |
tвп2=111,4 | Pвп2=0,1504 | rвп2=2230 | |
tвп3=54,71 | Pвп3=0,0155 | rвп3=2367 | |
б) Гидростатическая депрессия обусловливается наличием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата температура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина не может быть точно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причем величина зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб. Приблизительно расчет возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильных труб. Величина определяется как разность температуры кипения в среднем слое труб и температуры вторичного пара ():
(1.5)
Для того, чтобы определить нужно найти давление в среднем слое (Pср) и по этому давлению определить температуру в среднем слое (по таблице свойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубах при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора. Плотность раствора (при 100 °С) определяется в зависимости от концентрации раствора в корпусе.
Давление в среднем сечении кипятильных труб (в МПа) равно сумме давлений вторичного пара в корпусе и гидростатического давления столба жидкости (?Pср) в этом сечении трубы длиной H:
Pср = Pвп + ?Pср = Pвп +
Для выбора значения H нужно ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 10 000? 30 000 Вт/м2. Примем q = 10 000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно будет равна:
По ГОСТ 11 987–81 для выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ближайшая будет поверхность — 63 м2 при диаметре труб 38×2 мм и длине труб Н = 4000 мм.
Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:
P1ср = Pвп1 + МПа
P2ср = Pвп2 + МПа
P3ср = Pвп3 + МПа
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования (табл. 1.3):
Таблица1.3 — Температуры кипения и теплоты парообразования
Давление, МПа | Температура,?С | Теплота парообразования, кДж/кг | |
P1ср = 0,2872 | t1ср=131,9 | r1ср=2173,5 | |
P2ср = 0,1611 | t2ср=113,4 | r2ср=2225 | |
P3ср = 0,0268 | t3ср=62,3 | r3ср=2374 | |
Определяем гидростатическую депрессию по корпусам Сумма гидростатических депрессий составляет:
в) Температурная депрессия определяется по уравнению:
(1.6)
где Тср =(tср + 273), К;
— температурная депрессия при атмосферном давлении, ?С;
— теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.
Определяется величина как разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя (воды) при атмосферном давлении. Температуры кипения раствора при атмосферном давлении в зависимости от концентрации даны в справочной литературе.
Находим значение по корпусам:
?С
?С
?С Сумма температурных депрессий равна:
Тогда температуры кипения растворов по корпусам равны:
?С
?С
?С
1.3 Расчёт полезной разности температур
Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является наличие некоторой полезной разности температур греющего пара и кипящего раствора.
Полезные разности температур по корпусам равны:
?С
?С
?С Общая полезная разность температур:
?С Проверим общую полезную разность температур:
1.4 Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в первом корпусе, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки:
(1.7)
а, то
(1.8)
(1.9)
(1.10)
W=W1+ W2+ W3, (1.11)
где D — расход греющего пара в первом корпусе, кг/с;
Н,h — энтальпия пара и конденсата, соответственно, Дж/кг;
1,03, 1,02, 1,01 — коэффициенты, учитывающие 3;2;1% потерь тепла в окружающую среду по корпусам, соответственно (потери тепла обычно принимают в размере 2? 6% от тепловой нагрузки аппарата);
C — удельная теплоемкость, Дж/кг•К;
— теплота концентрирования по корпусам. Величинами пренебрегаем, поскольку эти величины значительно меньше принятых потерь тепла;
tн — температура кипения исходного раствора, подаваемого в первый корпус,
— температура кипения в i-ом корпусе.
где - температурная депрессия для исходного раствора;
сн, с1, с2 — теплоёмкость растворов при концентрациях, кДж/(кгК) Теплоёмкость (в кДж/(кгК)) разбавленных водных растворов (< 20%) рассчитывается по формуле:
(1.12)
Подставим известные значения в уравнения.
W = 1,48 = W1+ W2+ W3
1,48 = + +
Oтсюда :D = 0,2286 кг/с.
Тогда:
W1 = 0,9540,2286 — 0,0141 = 0,204 кг/с
W2 = 0,8750,2286 + 0,58 = 0,78 кг/с
W3 = 0,70 010,2286 + 0,336 = 0,496 кг/с Проверка
W = W1 + W2 + W3 = 0,204+0,78+0,496= 1,48 кг/с Определим тепловые нагрузки, кВт
Q1 = D•2139 = 0,2286•2139=488,98
Q2 = W1•2180 = 0,204•2180=444,72
Q3 = W2•2234 =0,78•2234= 1742,52
Полученные данные сводим в табл.1.4.
Таблица 1.4 — Параметры растворов и паров по корпусам
Параметр | Корпус | |||
Производительность по испаряемой воде W, кг/с | 0,204 | 0,78 | 0,496 | |
Концентрация растворов x, % | 6,5 | 8,7 | ||
Температура греющих паров tГ, ?C | 143,6 | 129,78 | 110,4 | |
Температура кипения раствора tк ,?C | 133,37 | 115,19 | 64,8 | |
Полезная разность температур ?tп, ?C | 10,23 | 14,59 | 45,6 | |
Тепловая нагрузка Q, кВт | 488,98 | 444,72 | 1742,52 | |
1.5 Расчет коэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопередачи рассчитываем, исходя из того, что при установившемся процессе передачи тепла справедливо равенство:
(1.13)
Коэффициент теплопередачи К в [Вт/(м2 К)] можно рассчитать по уравнению:
(1.14)
где q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; q = Q/F;
и - коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к кипящему раствору соответственно, Вт/(м2•К);
— сумма термических сопротивлений стенки загрязнений и накипи, (м2•К/Вт);
— разность температур между греющим паром и стенкой со стороны пара в первом корпусе, ?С;
— перепад температур на стенке, ?С;
— разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.
Коэффициент теплоотдачи рассчитываем по уравнению:
(1.15)
где - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;
— разность температур конденсата пара и стенки, ?С;
— соответственно плотность, кг/м3, теплопроводность Вт/(м•К) и вязкость конденсата, Па•с, при средней температуре плёнки:
Первоначально принимаем
?С.
Значения физических величин конденсата берём при tпл = 142,85?С.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору в условиях его естественной циркуляции для пузырькового режима в вертикальных трубах равен:
(2.16)
где - плотность греющего пара в первом корпусе, - плотность пара при атмосферном давлении; - соответственно, теплопроводность, поверхностное натяжение, теплоемкость и вязкость раствора в первом корпусе.
Значения величин, характеризующих свойства растворов NaOH, представлены в таблице 1.5.
Параметр | Корпус | |||
Плотность раствора,, кг/м3 | 1012,88 | 1031,88 | 1088,22 | |
Вязкость раствора, | 1,151 | 1,2258 | 1,51 | |
Теплопроводность раствора, | 0,5912 | 0,5886 | 0,5815 | |
Поверхностное натяжение, | 73,4 | 74,28 | 77,0 | |
Теплоёмкость раствора, | ||||
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 ?С.
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 11 987 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 38×2 и длине Н= 4000 мм | Диаметр греющей камеры D, мм | Диаметр сепаратора Dс, мм | Диаметр циркуляционной трубы D2, мм | Высота аппарата На, мм | |
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? С, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время — в интервале 0? 10? С.;
— температура изоляции со стороны аппарата, ?С (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), ?С;
— 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? С). 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, ?С;
t н = 10 20? С
— конечная температура смеси воды и конденсата, ?С.
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:
?С 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 = 123 250,
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, ?С;
Рв — парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Температура воздуха
?С
давление воздуха
(2.6)
где Рп — давление сухого насыщенного пара при tв, Па. При температуре воздуха 27,07?С, 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, ?С;
— количество начального раствора, кг/с, и его теплоёмкость, Дж/(кг•К);
— начальная температура исходного раствора, ?С;
— температура раствора на выходе из теплообменника, ?С, равная температуре с которой раствор входит в первый корпус.
t1н = 143,6?С пар t1к = 143,6?С
t2н = 20? С раствор t2к = 129,9?С 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 15 122– — 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 25×2 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 = 49 168 по задачнику
Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений :
Коэффициент местных сопротивлений равны:
вход в трубопровод = 0,5;
выход из трубопровода = 1,0;
колено с углом 90? (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 20 м3. Принимаем диаметр емкости равным D = 2,6 м. 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 15 112– — 69 заключается в определении диаметра условного прохода по максимальному коэффициенту пропускной способности k и в выборе по найденной величине Dу конструктивных размеров аппарата.
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» -ХарьковНТУ"ХПИ", 2004.55с.