4.1 Тепловой баланс

Кожухотрубчатые подогреватели предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве.Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве которого нагревается от 25 °С до 98 °С раствор CuSO4. Тепловой поток, принимаемый исходной смесью и, соответственно, отдаваемый насыщенным водяным паром:

Q=Gн•c1•(tк-tн), (4.1)

G - массовый расход жидкостной смеси, кг/с, с - средняя теплоемкость, Дж/кг•с; t - начальная температура раствора, °С; t - конечная температура раствора, °С.

Q=5•4029•(98-25)=1531020 Вт

В качестве теплоносителя использовать насыщенный водяной пар с параметрами: t=142,9 °С.

По определенной по уравнению (4.1) тепловой нагрузке определяется расход второго теплоносителя c учётом потерь:

G=1,03•Q/r (4.2)

где r - теплота конденсации пара.

G=1,03•1531020/2141•103=0,7365 кг/с

4.2 Определение ориентировочной поверхности теплообмена

Для определения ориентировочной поверхности теплообмена служит формула:

Fop=Q/Kop•?tср.лог. (4.3)

Где Кор - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению; ?tср. лог - среднелогарифмическая разность температур.

?tср лог=[(tг1-tн1)-(tг1-tк1)]/ln[(tг1-tн1)/(tг1-tк1)] (4.4)

?tср лог=[(142.9-25) - (142.9-98)]/2.69=76.8 єC

Fop=1531020/800•76.8=24.9 м2

4.3 Выбор теплообменника

N/z=4•5/3,14•0,016•15000•0,000552=48

Найдём число Рейнолдса для газовой фазы:

Reг=Gп•dвн/Sмтр•?д/л=0,7365•0,025/0,017•0,00051=2124 (4.10)

б2=2,04•е•лст•(с•L n/Gпм)1/3 = 2,04•0,7•25,1•(0,592•4•100/0,7365•0,001)1/3 =4336

К=1/(1/2124+0,00051+1/4336)= 696,6 Вт/м2•К.

Тогда требуемая поверхность теплопередачи:

Fтр=Q/(K•Дtср)= 1531020/76,8•696,6=28,6 м2.

Скорость среды в трубах теплообменника:

щтр = 4•G1•z/(3,14•d2•n•с 1) (4.13)

щтр = 4• 5•2/(3,14•(0,021)2•100•1023) =0,28 м/с.

Для определения коэффициента трения л нужен Re среды. Re= 12800.

Коэффициент трения л рассчитываем по формуле:

Т.к. диаметр кожуха выбранного теплообменника равен Dk= 600 мм, а число ходов z= 2, то диаметр условного прохода его штуцеров равен dш= 150 мм (см.табл.2.6.[2]).

Скорость потока в штуцерах:

щ ш=4•Gтр/(3,14• стр•d трш2)= 4• 5/(3,14• 1023•(0,15)2)= 0,0,277 м/с. (4.14)

Расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в трубном пространстве имеет вид (формула(2.35) [2]):

ДРтр=, (4.15)

где L-длина труб теплообменника, м.

ДРтр= 1392 Па.

Б) В межтрубном пространстве:

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

m?(n/3)0.5=(100/3)0.5?6 (4.16)

Число сегментных перегородок х=14 (см. табл. 2.7[2]).

Диаметр штуцеров к кожуху dмтр.ш=0,2 м, скорость потока в штуцерах:

(4.17)

Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве щмтр определяется по формуле:

(4.18)

ДРмтр=, (4.19)

ДРмтр=21234 Па.

5. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

5.1 Расчет 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 конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающейся воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

5.1.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды gb определяют из теплового баланса конденсатора:

Gв=w2*(Iбк-cв*tк)/(cв*(tк-tн)), (5.1)

где Iбк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tн - начальная температура охлаждающей воды, °С;tк - конечная температура смеси воды и конденсата, °С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров;

При tбк=47,42°С

tк=tбк-3,0=47,42-3=44,42 °С

Тогда при tн=20 °С

Gв=2,091 (2585•10З-4,19•10З•44,42)/(4,19•10З•(44,42-20))=49,09 кг/с

5.1.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора dбк:

dбк=(4•w2 /(с•р•v))0,5, (5.2)

где с - плотность паров, кг/куб.м; v - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров v=15-25 м/с. Тогда при v=20 м/с:

dбк=(4•2,091/(3,14•20•0,067))0,5=1,41м.

По нормалям НИИХИММАШа [12] подбираем конденсатор диаметром, равным расчётному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром dбк=1600 мм.

5.1.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [12], внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе

VВ=4*(Gв+w2)/(св*р*(dбт2)) (5.3)

VВ=4*(49,09 +2,091)/(1000*3,14*(0,32))=0,724 м/с.

Высота барометрической трубы

Hбт=B/(св*g)+(1+Уо+л•(Hбт/dбт)•(vв2)/(2•g)+0,5 (5.4)

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; Уо - сумма коэффициентов местных сопротивлений; л - коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

При Рбк=11000 Па.

В=Ратм-Рбк=98000-11000= 87000 Па

Уо=овх+овых=0,5+1,0=1,5

где овх, овых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения л зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Re=vв*dбт*св/мв=0,724 *0,3 *1000/0,574*10-3=402222

Для гладких труб при Re =4022222 л =0,019

Подставим в (5.4) указанные значения, получим:

Нбт=87000/(1000•9,81)+(1+1,5+0,019*(Нбт/0,3)•(0,724 2)/(2•9,81))+0,5

Отсюда находим Нбт=9,55 м.

5.2 Расчет производительности вакуум-насоса

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

Gвозд=2,5•10-5•(w2 +Gв)+0,01*w2. (5.5)

где 2,5*10-5 - количество газа, выделяющегося из 1кг воды; 0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1кг паров. Тогда

Gвозд=2,5•10-5 •(2,091+49,09)+0,01•2,091=0,02219 кг/с

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Vвозд=R•(273+tвозд)•Gвозд/(Мвозд•Рвозд) (5.6)

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/ (кмоль*К); Мвозд - молекулярная масса воздуха, кг/моль; tвозд - температура воздуха, °С; Рвозд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

tвозд=tн+4+0,1•(tк-tн)=20+4+0,1•(44,42-20)=26,44 °С

Давление воздуха равно:

Рвозд=Рбк - Рп,

где Рп - даление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд=26,44 °С.

Подставив, получим:

Рвозд=0,11•9,81•104 -0,035•9,81•104=6958 Па

Тогда:

Vвозд=8310•(273+26,44)•22,19•10-3/(29•6958)=0,274 м3/с= 16,4 м3/мин.

Зная объёмную производительность Vвозд=16,4 и остаточное давление Рбк, по каталогу [13] подбираем вакуум-насос типа ВВН-25 мощностью на валу N=48 кВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте был рассмотрен процесс выпаривания и произведены расчеты основного оборудования, а также было подобрано вспомогательное из стандартного. В результате расчетов были получены следующие результаты:

Выпарной аппарат (по ГОСТ 11987-81): номинальная поверхность теплообмена -125 м2; диаметр труб -38мм; высота труб-4м;

теплообменник для нагрева исходной смеси (ГОСТ 15118 - 79): поверхность теплопередачи 31 м2, диаметр кожуха 400мм; число ходов 2; число труб 100, длиной 4м;

барометрический конденсатор: диаметр -1600 мм, высота - 9,55 м;

вакуум-насос: марки ВВН-25: при оптимальных условиях работы: производительность 3,67 м3/мин, остаточное давление - 75 мм. рт. ст, мощность N=48 кВт.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1976. - 552 с.

2. ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.

3. Справочник химика. М-Л.: Химия, Т. III, 1962. 1006 с. Т. V, 1966. - 974 с.

4. Каталог УКРНИИХИММАШа, Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979. - 38 с.

5. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов. Изд. 2-е. Л.: Химия, 1976. - 328 с.

6. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975. - 816 с.

7. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973. - 750 с.

8. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. Л.: Химия, 1977. - 360 с.

9. Чернышев А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номограмм для химико-технологических расчетов. Л.: Химия, 1974, - 200 с.

10. ОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.

11. Вакуумные насосы. Каталог-справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. - 63 с.

12. Чернобыльский И.И. Выпарные установки. Киев: Изд. Киевского ун-та, 1960. - 262 с.

13. Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. М.: Госэнерго-издат, 1955. - 392 с.

14. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1991. - 496 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5