Расчет и проектирование выпарной установки

 

3.1. Определение  расхода охлаждающей воды.

Расход охлаждающей  воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

где I_бк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; t_н – начальная температура охлаждающей воды, сº; t_к – конечная температура смеси воды и конденсата, сº.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 8 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора принимают на 8 град ниже температуры конденсации паров:

Тогда

3.2. Расчет диаметра  барометрического конденсатора.

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяют из уравнения расхода:

где ρ – плотность  паров, кг/м³; υ – скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров принимают 15 – 25 м/с

Выбираем барометрический  конденсатор диаметром d_бк = 1000 мм.

 

 

3.3. Расчет высоты  барометрической трубы.

 

Внутренний диаметр барометрической трубы d_бт равен 0,2 м. Скорость воды в барометрической трубе υ_в равна:

Высоту барометрической  трубы определяют по уравнению 

где Н – вакуум в  барометрическом конденсаторе, Па; ∑ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений; λ – коэффициент трения в барометрической трубе; Н_бт, d_бт- высота и диаметр барометрической трубы, м; 0,5-запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

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

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

Для гладких труб при Re =282000 коэффициент трения λ = 0,015

         Отсюда находим Н_бт = 8,72 м.

 

 

4. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

ВАКУУМ - НАСОСА

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

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

Тогда

 

Объемная производительность вакуум – насоса равна:

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); М_возд – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; t_вохд – температура воздуха, сº; Р_возд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха  рассчитывают по уравнению 

Давление воздуха равно:

где Р_п – давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд = 22,46 сº.

Тогда

Подбираем насос типа ВВН-6, мощностью на валу N=12.5кВт, производительность 6 м³/мин

 

 

 

 

 

 

5. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО  ОБОРУДОВАНИЯ

5.1. Расчет пластинчатого  теплообменника.

Рассчитываем и подбираем  нормализованный вариант конструкционного теплообменника для подогрева исходного раствора MgSO₄; расход G=5 кг/с от начальной t_н = 20 ^oC до t_к = 161,92 ^oC

Горячим теплоносителем является насыщенный водяной пар  . Температура конденсации

1) Определение тепловой нагрузки:

2) Расход пара определяется  из уравнения теплового баланса:

3) Средняя разность  температур:

4) Коэффициенты теплопередачи  в пластинчатых теплообменниках  выше, чем их ориентировочные  значения. На основании этого коэффициент теплопередачи в пластинчатых подогревателях примем  К_ор = 1250 Вт/(м²·К). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

Рассмотрим пластинчатый подогреватель (конденсатор паров) поверхностью 31,5 м² ; поверхность пластины f = 0,5 м² , число пластин N = 62 шт.

5) Скорость жидкости  и число Re₂ в каналах с площадью поперечного сечения канала 0,0018м² и эквивалентным диаметром канала 0,008 м равны:

 

,

где .

Коэффициент теплоотдачи  к жидкости определяем по формуле:

Принимая, что 

 

Термическим сопротивлением загрязнений со стороны пара можно  пренебречь. Толщина пластины 1,0м, материал – нержавеющая сталь, λ_ст = 17,5 Вт/(м·К). Сумма термических сопротивлений стенки пластин и загрязнений со стороны жидкости составит

Коэффициент теплопередачи

Проверим правильность принятого допущения относительного Δt по формуле

Требуемая поверхность  теплопередачи

Теплообменник с нормальной поверхностью F = 31,5 м² проходит с запасом 53 %.

Гидравлическое сопротивление  пластинчатого подогревателя определим  по формуле :

Диаметр присоединяемых штуцеров d_ш = 100 мм. Скорость жидкости в штуцерах:

Поэтому их гидравлическое сопротивление можно не учитывать.

 

 

 

Коэффициент трения

 

 

Для однократной компоновки пластин х = 1. Гидравлическое сопротивление  определится

Потери напора в теплообменнике определяются:

 

5.2. Расчет насоса для подачи исходного раствора.[1]

Подбираем насос для  перекачивания водного раствора NaCl при температуре 20   из емкости в аппарат, работающий под давлением , Геометрическая высота подъема воды 15 м.

Длина трубопровода на линии  всасывания 5м, на линии нагнетания 22м. На линии нагнетания имеются  два отвода под углом  и один нормальный вентиль. На всасывающем участке трубопровода установлено три прямоточных вентиля, имеются 2 отвода под углом .

 

Выбор трубопровода.

Для всасывающего и нагнетательного  трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 м/с. Тогда диаметр по формуле равен:

Выбираем стальную трубу наружным диаметром 55 мм толщиной стенки 4 мм. Внутренний диаметр трубы d = 47 мм. Тогда скорость течения по формуле равна:

Примем, что коррозия трубопровода незначительна.

 

Определение потерь на трение и местные сопротивления.

т.е режим течения  турбулентный. Примем абсолютную шероховатость  равной Δ = 2·10^-4 м.

 

Тогда

Далее получим

 

Таким образом, в трубопроводе имеет место зона, автомодельная к Re, и расчет λ следует проводить по формуле:

Определим сумму коэффициентов  местных сопротивлений.

Для всасывающей линии:

1. вход в трубу (принимаем с острыми краями): ξ₁ = 0,5;
2. прямоточные вентили: для d = 0,047 м ξ₂ = 0,805·k = 0,805·0,907 = 0,730;
3. колено с углом  ξ₃ = 1,1 при d=0,0055

Сумма коэффициентов  местных сопротивлений во всасывающей  линии :

 Потерянный напор  во всасывающей  линии находим по формуле:

Для нагнетательной линии:

1. колено под углом 90º: ξ₁ = 1,1;
2. вентили прямоточные : ξ₂ = 0,73;

Сумма коэффициентов  местных сопротивлений в нагнетательной линии:

 

Потерянный напор в  нагнетательной линии по формуле:

Общие потери напора:

Выбор насоса.

Находим потребный напор  насоса по формуле:

мм вод ст

Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами. Учитывая широкое распространение этих насосов в промышленности ввиду достаточного высокого к.п.д., компактности и удобства комбинирования с электродвигателями, выбираем для рассмотрения именно эти насосы.

 

Полезную мощность насоса определяем по формуле:

Принимая, η_пер =1 и η_н = 0,6 (для центробежного насоса средней производительности), найдем по формуле мощность на валу двигателя:

По табл. 1 Приложения 1.1     устанавливаем, что  заданным подаче и напору более всего  соответствует центробежный насос  марки Х90/85, для которого при оптимальных условиях работы Q = 2,5·10^-2 м³/с, Н = 70 мм вод ст,

η_н = 0,65. Насос обеспечен электродвигателем АО2-82-2 номинальной мощностью N_н = 55 кВт. Частота вращения вала n = 48,3 с^-1 .

 

Определение предельной высоты всасывания.

По формуле рассчитаем запас напора на кавитацию:

По таблицам давлений насыщенного водяного пара найдем, что при 20 сº p_t = 2,35·10³ Па. Примем, что атмосферное давление равно р₁ = 10⁵ Па, а диаметр всасывающего патрубка равен диаметру трубопровода. Тогда по формуле найдем высоту всасывания с учетом потерь в теплообменнике:

Таким образом, расположение насоса на высоте 5м над уровнем  воды в емкости вполне возможно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной курсовой работе были выполнены ниже изложенные задачи.

Проведен расчет выпарной установки, в которую вошли расчеты  концентрации упариваемого раствора, определение температур кипения растворов, расчет полезной разности температур, определение тепловых нагрузок, выбор конструкционного материала, расчет коэффициентов теплопередачи, распределение полезной разности температур, уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Также проведен расчет вспомогательного оборудования.

Спроектирована технологическая  схема выпарной установки, а также  выполнен чертеж выпарной установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

 

1. Павлов Л.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по процессов и аппаратов. Л.:Химия, 1976. 552с.
2. Дытнерский Ю.И. Пособие по проектированию. М.:Химия, 1991. 496с.
3. Справочник химика. М.-Л.:Химия, Т.3,1962.1006с.Т.5,1966,974с.

4.  Краткий справочник по  химии. Киев: НаукоДумка,1987.356с.