= 2,5· 10−5·(W+Gв) +0,01· W = 2,5•10−5•(2,45+13,2) +0,01•2,45 =
=24,9· 10−3 кг/с.
Для расчета объемной производительности вакуум-насоса по соотношению (21), определим температуру воздуха и его парциальное давление при этой температуре:
tвозд. = tвн + 4 + 0,1· (tвк — tвн)=10+4+0,1(110−10)=24°С.
Давление сухого насыщенного пара при tвозд.=24°С, в соответствии с таблицей Б.2 равно: Рп= 0,0306 кгс/см2. Тогда парциальное давление воздуха:
Рвозд. = Р0 — Рп = 18,2· 104 — 0,0306· 9,8·104 = 17,9· 104Па Подставив полученные значения в (21), получим:
Зная объемную производительность вакуум-насоса Vвозд. и остаточное давление Р0, по таблице В.3 подбираем вакуум-насос типа ВВН-1,5.
Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов Ориентировочный расчет подогревателя исходного раствора В подогревателе раствор нагревается от начальной температуры tисх.=25ºС до температуры tн=117 ºС, при которой он поступает в выпарной аппарат. В качестве греющего агента используется первичный греющий пар с tгр.п.=142,9 ºС. Так как пар конденсируется при постоянной температуре, то взаимная схема движения теплоносителей (прямоток, противоток) не влияет на величину средней разности температур.
Вычислим среднюю разность температур в соответствии с (28):
где tгр.п. — температура конденсации греющего пара, ºС;
tисх. — начальная температура разбавленного раствора, ºС;
tн.- температура разбавленного раствора на входе в выпарной аппарат, ºС.
Так как пар конденсируется при постоянной температуре, то средняя температура нагревающего раствора tср.р. в соответствии с (30) равна:
tср.р. = tгр.п. — Δtср. = 142,9 — 60,7 = 82,2 ºС Для определения тепловой нагрузки аппарата Q, Вт, рассчитаем количество теплоты, необходимой для нагревания разбавленного раствора от начальной температуры до температуры, при которой он подается в выпарной аппарат. По соотношению (26):
Q = Gн · сн· (tн. — tисх.) = 3,06 · 4132,7· (117 — 25) = 1 163 438
Вт, где сн = 4132,7 Дж/кг· К — удельная теплоемкость разбавленного раствора по формуле (А.5) при tср.р. = 82,2 ºС и хн = 0,02.
с0 (82,2) = 4223,6+2,476· 82,2·lg (82,2/100)=4206
сн = 4206+(-5100,71+1967,28· 0,02+15,46·82,2+0,1 669·82,22)·0,02 =
= 4132,7 Дж/кг
К Выберем из таблицы 2 ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К=1000
Вт/м2· К, соответствующее данному виду теплообмена (от конденсирующегося пара к водному раствору).
Подставив полученные значения в (24), найдем площадь поверхности теплообмена подогревателя:
С учетом 20% запаса по поверхности теплообмена, по таблице В.4 выбираем стандартный аппарат: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 26 м², с трубами Ø25×2 мм, диаметром кожуха D = 400 мм, длиной труб L =3 м.
На основе теплового баланса (27) рассчитаем требуемый расход греющего пара Gп для подогревателя:
Q = Gп · rгр.п. = Gп · сн · (tн — tисх.)
Ориентировочный расчет холодильника концентрированного раствора Концентрированный раствор выводится из выпарного аппарата и поступает в теплообменник при температуре tкон. =117,75ºС. В соответствии с заданием он охлаждается до температуры tр.к. = 30 ºС. Начальная температура охлаждающей воды, tвн.=10 ºС, конечная температура tвк, обычно принимается на 10−20 ºС, чем tвн. примем
tвк.= tвн.+15 = 10+15=25ºС.
Выберем противоточную схему движения теплоносителей, так как в этом случае величина средней разности температур Δtср. будет больше, чем в прямоточной схеме. Вычислим среднюю разность температур в соответствии с (28):
Так как температура воды в теплообменнике изменяется на меньшее число градусов, по сравнению с температурой раствора, то среднюю температуру воды tср. в определим по соотношению (29):
tср.в = (tвн + tвк.)/2 = (10 + 25)/2 = 17,5ºС.
Среднюю температуру охлаждающегося концентрированного раствора найдем по формуле (30):
tср.р = tср. в + Δ tср. = 17,5 + 47,4 = 64,9ºС.
Для определения тепловой нагрузки аппарата Q, Вт, рассчитаем количество теплоты, выделяющейся при охлаждении концентрированного раствора по формуле (25):
Q = Gк · ск · (tкон — tр.к.) = 0,612 · 3810,5 · (117,75- 30) = 204 634
Вт где Gк = 0,612 кг/с расход концентрированного раствора;
ск = 4093,2 — удельная теплоемкость концентрированного раствора по (А.5) при tср.р. = 64,9 ºС и хк = 0,1 кг раств. вешества/кг раствора.
с0 (64,9) = 4223,6+2,476· 64,9·lg (64,9/100)=4193,5
ск = 4193,5+(-5100,71+1967,28· 0,1+15,46·64,9+0,1 669·64,9 2)· 0,1 =
= 3810,5 Дж/кг· К Выберем из таблицы 2 ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К = 800 Вт/м2· К, соответствующее данному виду теплообмена (от водного раствора к воде).
Подставив полученные значения в (24), найдем площадь поверхности теплообмена холодильника:
С учетом 20% запаса по поверхности теплообмена, по таблице В.4 выбираем стандартный аппарат: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 7,5 м², с трубами Ø25×2 мм, диаметром кожуха D = 325 мм, длиной труб L =1,5 м, число труб п = 62, проходное сечение проходное сечение Sт=0,021 м², Sмт=0,029 м², Sв.п.=0,013 м², nр=7, l=180 мм.
На основе теплового баланса (27) рассчитаем требуемый расход охлаждающей воды Gв для холодильника:
Q = Gк · ск · (tкон — tк.р.) = Gв · св · (tвк — tвн.)
где св = 4186,8 Дж/кг· К — удельная теплоемкость воды по формуле (А.6) при tср.в. = 17,5 ºС.
Выводы
В соответствии с заданием разработана технологическая однокорпусной вакуум-выпарной установки.
В результате проведенных расчетов выбрано следующее стандартное оборудование:
— выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой со следующими параметрами: площадь поверхности теплообмена 280 м², высота кипятильных труб 5 м;
— барометрический конденсатор — диаметр 0,5 м, барометрическая труба — диаметр 0,125 м, высота — 9,52 м;
— вакуум-насос типа ВВН-1,5 со следующими параметрами: производительность — 1,5 м3/мин, мощность на валу — 2,1 кВт;
— подогреватель исходного раствора: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 26 м², с трубами Ø25×2 мм, диаметром кожуха D=400 мм, длиной труб l = 3 м;
— холодильник концентрированного раствора: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 7,5 м², с трубами Ø25×2 мм, диаметром кожуха D=325 мм, длиной труб l = 1,5 м.
Фролов В.Ф., Флисюк О. М. Процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие для студентов заочной формы обучения. -СПб.: Синтез, 2008.
468 с.
Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии.
Учебник для вузов. Ч. 1. — М.: Химия, 1992. 416 с.
Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — Альянс, 2004. — 750 с.
Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию/ под ред. Ю. И. Дытнерского, — М.: Химия, 1992. 272 с.
Романков П.Г., Фролов В. Ф., Флисюк О. М. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учебное пособие для вузов. — СПб.: Химиздат, 2009.
544 с.
Зайцев И.Д., Асеев Г. Е. Физико-химические свойства бинарных многокомпонентных растворов и неорганических веществ. — М.: Химия, 1987. 720 с.
Яблонский П.А., Озерова Н. В. Проектирование теплои массообменной аппаратуры химической промышленности: Учебное пособие. -СПб.: СПбГТИ (ТУ), 1993.-92 с.
Борисова Е.И., Круковский О. Н., Маркова А. В., Муратов О. В. Свойства жидкостей и газов: Методические указания к курсовому проектированию. -СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2001.-23 с.
Марков А.В., Круковский О. Н., Черникова О. В. Расчет и конструкции теплообменных аппаратов (краткие справочные данные для выполнения графической части проекта): Учебное пособие по курсовому проектированию для студентов заочной формы обучения. -СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2009.
Марков А.В., Маркова А. В. Неразборные теплообменники «труба в трубе» (конструкция и основные размеры): Методические указания к курсовому проектированию. -СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2001.-30 с.
