Расчет и проектирование выпарной установки для выпаривания раствора гидроксида натрия

Определим основные критерии подобия.

Критерий Рейнольдса рассчитаем по [3] формула (4.13):

 \* MERGEFORMAT (.)

где d_в – наружный диаметр труб в теплообменнике, мм;

 μ₂ – динамическая вязкость исходного раствора, Па∙с.

Внутренний диаметр труб равен d_в=0,016 мм. Согласно [5] раствор имеет вязкость μ₂=2,11∙10^-3 Па∙с.

Определим коэффициент  трения λ. Примем, что коррозия трубопровода незначительна. Тогда абсолютная шероховатость труб равна Δ=0,0001 м [1] с.14. Относительная шероховатость труб по [1] с.14:

 \* MERGEFORMAT (.)

 

Далее получим:

1/е=160;           10/е=1600;   560/е=89600;

Критерий Рейнольдса для  потока в трубном пространстве равен  Re₂=437,072, это значение лежит в промежутке от 10/е до 560/е. Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчёт коэффициента трения λ следует проводить по [1] формула (1.7):

 \* MERGEFORMAT (.)

Скорость среды в штуцерах на входе и выходе:

 \* MERGEFORMAT (.)

где G – массовый расход среды, проходящей через штуцер, кг/с.

Отсюда скорость в штуцерах распределительной камеры трубного пространства теплообменника:

Подставим полученные значения в (4.27):

5.2 Расчет барометрического конденсатора

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

5.2.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_B определяют из теплового баланса конденсатора:

 \* MERGEFORMAT (.)

где I_бк — энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

t_н – начальная температура охлаждающей воды, °С;

t_к — 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 t_к на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

Тогда по формуле  расход охлаждающей воды будет равен:

5.2.2 Диаметр конденсатора. Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяют из уравнения расхода по [1] формула (4.23):

 \* MERGEFORMAT (.)

где ρ — плотность паров, кг/м³;

υ — скорость паров, м/с.

Плотность паров воды при  давлении P_бк=12000 Па равна ρ=0,081 кг/м³ [3], c.581. При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров υ=15-25 м/с [1]. Принимаем υ=20 м/с. Тогда по формуле (5.2):

По нормалям НИИХИММАШа подбираем  конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический  конденсатор диаметром d_бк=500 мм ([1], приложение 4.5).

5.2.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической  трубы d_бт равен 125 мм=0,125 м. Скорость воды в барометрической трубе определим по формуле:

 \* MERGEFORMAT (.)

где ρ_в – плотность воды, кг/м³.

По формуле (5.3) имеем:

Высота барометрической  трубы определяется по [1] формула (4.24):

 \* MERGEFORMAT (.)

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

∑ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

λ – коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 – запас высоты на возможное  изменение барометрического давления, м.

Вакуум в  конденсаторе равен:

 \* MERGEFORMAT (.)

Сумма коэффициентов местных  сопротивлений равна сумме коэффициента сопротивления на входе в трубу  и на выходе из нее. Т.е.

где ξ_вх, ξ_вых – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

По данным приведенным  в [1] c. 14 принимаем ξ_вх=0,5 (с острыми краями), ξ_вых=1,0. Тогда

Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения в барометрической трубе. Для этого рассчитаем число Рейнольдса:

где μ_в – вязкость воды, Па∙с.

Вязкость воды равна μ_в=0,001 Па∙с [3]. Тогда

Принимаем, что труба была в эксплуатации и имеет незначительную коррозию. Тогда абсолютная шероховатость  трубы будет равна Δ=0,1 мм. Отсюда определим относительную шероховатость  трубы по формуле:

 \* MERGEFORMAT (.)

Тогда

Т.к. критерий Рейнольдса лежит  в промежутке от 10/е до 560/е, коэффициент трения необходимо рассчитывать по [1] формула (1.6):

 \* MERGEFORMAT (.)

Подставив в (5.4) указанные  значения, получим:

Решив данное уравнение, получим Н_бт=8,819 м.

5.3 Расчет производительности вакуум-насоса

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

 \* MERGEFORMAT (.)

где 2,5∙10^-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды [1];

0,01 – количество  газа, подсасываемого в конденсатор  через неплотности, на 1 кг паров  [1].

Тогда, подставив данные в (5.8), получим:

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

 \* MERGEFORMAT (.)

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль∙К);

М_возд— молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

t_возд – температура воздуха, °С;

Р_возд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

R=8314 Дж/(кмоль∙К), М_возд=29 кг/кмоль – по данным приведенным в справочнике [6].

Температуру воздуха рассчитаем по уравнению:

Давление воздуха равно:

 \* MERGEFORMAT (.)

где Р_п — давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд=23,932°С.

По данным приведенным  в [3] давление насыщенного пара при  данной температуре равно Р_п=0,039 кгс/см²=3826 Па. Подставив, получим:

Тогда

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк вакуум-насос ВВН-25: остаточное давление 15 мм.рт.ст. (11400 Па), производительность 25 м³/мин; мощность на валу 48 кВт ([1], приложение 4.7).

5.4 Расчет трубопроводной сети и выбор насоса

5.4.1 Выбор диаметра трубопровода

Определим объемный расход исходного раствора:

 \* MERGEFORMAT (.)

где G_н – массовый расход раствора, подаваемого на выпаривание, кг/с;

 ρ – плотность исходного раствора, кг/м³.

По заданию  на проектирование G_н=1,153 кг/с. Плотность исходного раствора равна ρ=1132 кг/м³ [5]. Тогда по формуле (5.13):

 

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения, равную ω=5 м/с [1] с.16. Тогда диаметр трубопровода равен:

 \* MERGEFORMAT (.)

Выбираем стальную трубу  наружным диаметром 25 мм, толщиной стенок 3 мм. [1] с.16. Внутренний диаметр трубы составит d=20 мм. Фактическая скорость воды в трубе по уравнению:

 \* MERGEFORMAT (.)

5.4.2 Расчет гидравлического сопротивления трубопровода

Примем, что коррозия трубопровода незначительна. Тогда Δ=0,2 мм (по [1] с.14). Относительная шероховатость труб по [1] с.14:

 \* MERGEFORMAT (.)

 

Далее получим:

1/е=100;           10/е=1000;             560/е=56000.

Определим потери на трение и местные сопротивления. Для  этого определим число Рейнольдса по уравнению (5.7):

Отсюда следует, что режим  смешанный (т.к. Re больше 560/е) [1].

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное  трение, и расчёт коэффициента трения λ следует проводить по [1] формула (1.6):

 \* MERGEFORMAT (.)

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений по формуле:

Примем по [1] с.14-15 значения коэффициентов имеющихся местных  сопротивлений:

1. вход в трубу (принимаем с острыми краями) ξ₁=0,5;
2. выход из трубы ξ₂=2;
3. прямоточный вентиль при диаметре труб 20 мм: ξ₃=0,946;
4. колено под углом 90° при диаметре труб 20 мм: ξ₄=1.

По монтажной схеме, представленной на рисунке 5.1 видно, что число колен  равно m=5, число вентилей – 4, регулирующий вентиль – 1 (общее количество вентилей k=5).

Сумма коэффициентов местных  сопротивлений во всасывающей линии:

Потерю  давления определим  по [1] формула (1.2):

 \* MERGEFORMAT (.)

где L – длина трубопровода.

 

1 – емкость  с исходным раствором; 2 – насос; 3 – подогреватель; 4 – выпарной  аппарат

Рисунок 5.1 – Монтажная схема  насоса

Принимаем длину  трубопровода L=15 м. Тогда

5.4.3 Выбор насоса

Находим потребный напор  насоса по формуле (1.33) [1]:

 \* MERGEFORMAT (.)

где  p₁ – давление в емкости, из которой перекачивается исходный раствор, Па;

p₂ – давление в выпарном аппарате, Па;

ΔP_т/о – гидравлическое сопротивление трубного пространства подогревателя исходного раствора, Па;

Н_г - геометрическая высота подъема жидкости, м;

h – суммарные потери напора, м.

Принимаем  Н_г= 7 м.

Примем, что емкость, из которой  перекачивается исходный раствор, находится  под атмосферным давлением, т.е. р₁=1∙10⁵ Па. Давление в первом корпусе выпарной установки р₂=2,776∙10⁵ Па. Суммарные потери напора определим по формуле:

Потребный напор насоса составляет:

Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами.

Полезную мощность насоса определим по [1] формула (1.32):

 \* MERGEFORMAT (.)

Принимаем , найдем мощность на валу двигателя по [1] уравнение (1.34):

 \* MERGEFORMAT (.)

где  коэффициент полезного действия насоса;

коэффициент полезного действия передачи от электродвигателя к насосу.

Заданным подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки Х45/31, для которого при оптимальных условиях работы Q=2,5·10^-2 м /с, Н=49 м, . Насос обеспечен электродвигателем номинальной мощностью 13 кВт. Частота вращения вала n=48,3 с^-1 (приложение 1.1 [1])

 

 

Заключение

В курсовом проекте разработана  трехкорпусная выпарная установка непрерывного действия для выпаривания раствора гидроксида натрия с начальной концентрацией 10%масс. до концентрации 25%масс. и начальной температурой 17°С. Производительность по исходному раствору 4150 кг/ч. Процесс проводится в выпарных аппаратах с соосной греющей камерой и принудительной циркуляцией. Поверхность теплообмена 125 м². Высота труб 4000 мм. Произведен подбор кожухотрубчатого подогревателя исходной смеси, барометрического конденсатора, вакуум-насоса и насоса для подачи исходной смеси.

 

Список  использованных источников

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов [и др.]; под общ. ред. Ю.И. Дытнерского. – 2-е изд. – М.: Химия, 1991. – 496 с.
2. Калишук, Д.Г. Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовой работе по одноименной дисциплине / Д.Г. Калишук, В.А. Марков – Мн.: БГТУ, 1998. – 40 с.
3. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. – 10-е изд. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
4. Зайцев, И.Д. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. Справочное издание/ И.Д. Зайцев, Г.Г. Асеев. – М.: Химия, 1988. – 416с.
5. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. – 7-е изд. – М.: 1961. – 829 с.
6. Справочник химика: в 6 т. / Под ред. Б.П.Никольского.- М.-Л.: Химия,1966. – 6 т.
7. Лащинский, А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский – 2-е изд. – Л.: Машиностроение, 1970. – 752 с.
8. Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник: в 3 т. / А.С. Тимонин – 2-е изд. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой. – 2002. – 3 т.