Проектирование вакуум-выпарной установки

   В соответствии с практическими рекомендациями скорость пара принимают равной 15-25 м/с. В соответствии с данными, приведенными в таблице В.2, выберем стандартный конденсатор с диаметром, равным расчетному или ближайшему большему значению. Тогда, стандартный диаметр: d=0.5 м. Диаметр барометрической трубы dб.т. для этого конденсатора равен 0.125 м (таблица В.2)

Скорость воды в барометрической трубе

   Используем соотношение (17) для определения скорости воды  в барометрической трубе:

γв=4(Gв+W)/(ρв*π*)=4*(13.21+2,076)/(970.5*3,14*0,1252)=1,284 м/с

где ρо = 970.5 кг/м3 – плотность воды по формуле (А.2), при температуре:

t=(tвн+tвк)/2=(100+15)/2=42.50 C

Высота барометрической трубы

   Выразим высоту  барометрической трубы из соотношения (18)

Hб.т.=(+0.5+(1+Σξ)/(1-*

где B=Ратм.-Р0=9,8*104*1,3-115640=11760 Па;

Σξ=0.5+1.0=1.5;

λ – коэффициент трения.

   Коэффициент трения  λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе по (19):

Re=γв*dб.т.*ρв./μв=1,284*0,125*970.5/(0,62433*10-3)=249492

где μв =0,62433*10 -3Па ×с– вязкость воды по формуле (А.4) при t=450 C , Па∙с. Для гладких труб при Re>100000 для определения коэффициента трения можно использовать соотношение [5]:

λ=(1,82lgRe-1.64)-2=(1.82lg249492-1.64)-2 =0.0150

   Подставив в (39) полученные  значения, найдем высоту барометрической  трубы:

Hб.т.=2,18 м

 

3.4 Расчет вакуум-насоса

   Производительность  вакуум-насоса определяется количеством  воздуха, откачиваемого из барометрического  конденсатора. В соответствии с (20):

Gвозд.=2,5*10-5*(W+Gв)+0,01W =2.5*10-5*(2.076+13.21)+0.01*2.076=

=20.8*10-3кг/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)=15+4+0,1(100-15)=27.50С

   Давление сухого  насыщенного пара при tвозд.=27.5 0 С, в соответствии с таблицей Б. 2 равно:Pп=0.0323 кгс/см2 . Тогда парциальное давление воздуха:

Рвозд.=Р0-Рп=115640-0,0306*9,8*104=112474.6 Па

   Подставив полученные  значения в (21), получим:

Vвозд.=R*(273+tвозд.)* Gвозд./(Мвозд.* Рвозд.)=0,0160 м3/мин

Зная объемную производительность вакуум-насоса Vвозд. и остаточное давление Р0, по таблице В.3 подбираем вакуум-насос типа ВВН-0,75

 

3.5 Ориентировочный  расчет теплообменных аппаратов

   Ориентировочный  расчет подогревателя исходного  раствора

В подогревателе раствор нагревается от начальной температуры tисх. =200 С (указана в задании) до температуры tн =104.50 С, (см.п.3.2), при которой он поступает в выпарной аппарат. В качестве греющего агента используется первичный греющий пар с tгр.п.=132,90 С.

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):

Δtср==(( tгр.п- tисх)-( tгр.п- tн))/ln(( tгр.п- tисх)/ ( tгр.п- tн))=61.220 C

где tгр.п. – температура конденсации греющего пара, 0С;

tисх. – температура начальная температура разбавленного раствора, 0 С;

tн. – температура разбавленного раствора на входе в выпарной аппарат, 0С.

   Так как, пар конденсируется  при постоянной температуре, то  средняя температура нагревающегося  раствора tср.р. в соответствии с (30) равна:

tср.р.= tгр.п.- Δtср=132.9-61.22=71.680 C

   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*cн*( tн- tисх.)=2.77*920*(104.5-20)=215339.8 Вт

где сн=920 Дж/кг∙К – удельная теплоемкость разбавленного раствора по формуле (А.5) при tср.р.=71.680 С и хн=0.03 .

   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:

F=Q/(K* tср.)=215339.8/(1000*71.68)=3 м2

   С учетом 20% запаса  по поверхности теплообмена, по  таблице В.4 выбираем стандартный  аппарат: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 4.5 м 2 , с трубами Æ 25´2 мм, диаметром кожуха D=273мм, длиной труб l=1.5м.

   На основе теплового  баланса (27) рассчитаем требуемый  расход греющего пара Gп для подогревателя:

Q=Gп*rгр.п.=Gн*cн*( tн- tисх.)

Gп=Q/ rгр.п=215339.8/2249*103=0.096 кг/с

 

3.6 Ориентировочный расчет холодильника концентрированного раствора

   Концентрированный  раствор выводится из выпарного  аппарата и поступает в теплообменник  при температуре tкон. =104.7 0 С. В соответствии с заданием он охлаждается до температуры tр.к.=250 С. Начальная температура охлаждающей воды, tвн , задана, конечная температура, tвк , обычно принимается на 10–200 С больше, чем tвн . Примем:

tвк= tвн+15=300 С

   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):

Δtср==(( tгр.п- tисх)-( tгр.п- tн))/ln(( tгр.п- tисх)/ ( tгр.п- tн))=400 С

   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=(15+30)/2=22,50С

   Среднюю температуру  охлаждающегося концентрированного  раствора найдем по формуле (30):

tср.р.= tср.в.+Δtср=22,5+40=62.50С

    Для определения  тепловой нагрузки аппарата Q, Вт, рассчитаем количество теплоты, выделяющейся при охлаждении  концентрированного раствора по  формуле (25):

Q=Gк*cк*( tкон- tр.к.)=0.694*3811*(104.7-25)=210793 Вт

где Gк=0.694кг/с - расход концентрированного раствора;

ск= 3811- удельная теплоемкость концентрированного раствора по (А.5) при tср.р. =62.50 С и хк =0.12 кг раств. вещества/кг раствора.

   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

F=Q/(K* Δtср.)=210793/(800*40)=6.6 м2

   С учетом 20% запаса по поверхности теплообмена, по таблице В.4 выбираем стандартный аппарат: одноходовый кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F=9 м 2 , с трубами Æ 25´2 мм, диаметром кожуха D=273мм, длиной труб l=3 м. На основе теплового баланса рассчитаем требуемый расход охлаждающей воды Gв для холодильника:

Q=Gк*cк*( tкон- tр.к.) =Gв*cв*( tвк- tвн)

Gв=Q/(cв*( tвк- tвн))=210793/4187.5*(30-15)=3.356 кг/с

где св=4187.5Дж/кг∙К – удельная теплоемкость воды по формуле (А.6) при t ср.в =22.5 0 С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.7 Выводы

1. В соответствии с  заданием разработана технологическая  схема однокорпусной вакуум-выпарной  установки.

2. В результате проведенных  расчетов выбрано следующее стандартное  оборудование:

- выпарной аппарат с  естественной циркуляцией и вынесенной  греющей камерой со следующими  параметрами: площадь поверхности  теплообмена  

         м2 , высота кипятильных труб 5 м;

- барометрический конденсатор - диаметр 0.5 м, барометрическая труба- диаметр 0.125 м, высота – 2,18м;

-вакуум-насос типа ВВН-0,75 со следующими параметрами: производительность- 0,75 м3 /мин, мощность на валу- 1,3 кВт;

-подогреватель исходного  раствора: одноходовый кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 4,5 м 2 , с трубами Æ 25´2 мм, диаметром кожуха D=273мм, длиной труб l=1,5м;

-холодильник концентрированного  раствора: одноходовый кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F=9 м 2 , с трубами Æ 25´2 мм, диаметром кожуха D=273мм, длиной труб l=3 м.                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.- корр. АН СССР П. Г. Романкова, - 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю. И./Под редакцией Дытнерского Ю. И., 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1991. – 496с
3. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. – Л.: 1989. – 40 с.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 8-е изд., М.: Химия, 1971. – 784 с.
5. Позин М.Е. и др. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), ч.1, изд. 4-е, испр. Л., Изд-во «Химия», 1974. – 768с.

    6. Процессы и аппараты химической технологии /Под ред. Захаровой         

        А.А. – М.: Издательский центр «Академия», 2006.- 528 с.