Расчет и проект выпарной установке непрерывного действия для выпаривания водного раствора CuSO4

5. Расчет и  подбор вспомогательного оборудования Equation Chapter 1 Section 1

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 25°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, кг/с, определяют из теплового баланса конденсатора (1) формула (4.22):

 (5.1)

где Iбк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

w2 – производительность по пару 2 корпуса, кг/с;

св – теплоёмкость воды, ;

tн – начальная температура охлаждающей воды, °С;

tк – конечная температура смеси воды и конденсата, °С.

Iбк=2623200 Дж/кг – (2 стр. 257); w2=2,314 кг/с – определено в третьем разделе; cв=4190 – (2 стр. 237); tн=20 ºС – задаем самостоятельно.

По рекомендации (1 стр. 178) разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3–5 °С. Поэтому конечную температуру воды tк, ºС, на выходе из конденсатора примем на 5 °С ниже температуры конденсации паров.

tбк=70,48 °С – определено в третьем разделе.

кг/с.

 

5.1.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора dбк, м, (1) формула (4.23).

 (5.2)

где ρп – плотность паров, кг/м3;

ωп – скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров ωп=15–25 м/с, (1 стр. 178).

ωп=25 м/с – (1 стр. 178); ρп=0,1646 кг/м3 – (2 стр. 548).

м.

Подбираем конденсатор диаметром, равным расчётному или ближайшему большему (1 стр. 187). Выбираем барометрический конденсатор диаметром dбк=1000 мм.

5.1.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с (1 стр. 188), внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 200 мм.

Скорость воды в барометрической трубе ωв, м/с, (1 стр. 178):

 (5.3)

где ρв – плотность воды, кг/м3.

ρв=1000 кг/м3 – (2 стр. 537).

м/с.

Высота барометрической трубы Hбк, м, (1) формула (4.24):

 (5.4)

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

λ – коэффициент трения в барометрической трубе;

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

Вакуум в барометрическом конденсаторе B, Па, (1 стр. 179).

 (5.5)

где Ратм – атмосферное давление, Па;

Рбк – давление в барометрическом конденсаторе, Па.

Рбк =32000 Па – по заданию.

Па.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений Σξ (1 стр. 179):

 (5.6)

где ξвх, ξвых – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

ξвх=0,5 – (2 стр. 520); ξвых=1 – (2 стр. 520).

.

Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе через критерий Рейнольдса (1 стр. 179):

 (5.7)

где μв – вязкость воды, Па·с.

μв=435·10-6 Па·с – (2 стр. 537).

.

Относительная шероховатость труб находится по уравнению (2 стр. 17).

,

где Δ – абсолютная шероховатость труб, м.

Δ=0,0002 м – (2 стр. 519).

.

,

.

Таким образом, λ рассчитываем для смешенного трения (1 стр. 14):

.

Подставим в найденные значения:

.

Нбт=7,7 м.

5.2 Расчет  производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса Gвозд, кг/с, определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора (1) формула (4.25):

 (5.8)

где 2,5∙10-5 – коэффициент, учитывающий количество газа, выделяющегося из 1кг воды (1 стр. 179);

0,01 – коэффициент, учитывающий  количество газа, которое подсасывается  в конденсатор через неплотности, на 1кг паров (1 стр. 179).

кг/с.

Объемная производительность вакуум-насоса равна (1) формула (4.26):

 (5.9)

где R – универсальная газовая постоянная, ;

Мвозд – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

tвозд – температура воздуха, °С;

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

Температуру воздуха tвозд, °С, рассчитывают по уравнению (1 стр. 179):

°С.

Давление воздуха Рвозд, Па, равно (1 стр. 179):

,

где Рп – давление сухого насыщенного пара, Па, при tвозд=28,5°С.

Рп=3924 Па – (2 стр. 548).

Па.

м3/с или 5,2 м3/мин.

Зная объёмную производительность Vвозд=5,2 м3/мин и остаточное давление Рбк=32000 Па, в (1 стр. 188) подбираем вакуум-насос типа ВВН-6 остаточное давление – 38 мм.рт.ст, производительность – 6 м3/мин, мощностью на валу N=12,5 кВт.

5.3 Расчет насоса

Подберем насос для перекачивания жидкости при температуре t=87,45 °С. Геометрическая высота подъема жидкости 9 м. Длина трубопровода на линии всасывания 5 м, на линии нагнетания 10 м.

На линии нагнетания имеется 4 отвод под углом 90° с радиусом поворота, равным 6 диаметрам трубы и 5 прямоточных вентилей.

На всасывающем участке трубопровода установлено 2 прямоточных вентиля, имеется 2 отвода под углом 90° с радиусом поворота, равным 6 диаметрам трубы.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения жидкости ω, равную 3 м/с.

Диаметр трубопровода равен (2 стр. 16):

 (5.10)

где Q – объемный расход жидкости, м3/с (2 стр. 16).

,

где ρ – плотность перекачиваемого раствора, кг/м3;

G – расход раствора, кг/с.

ρ=1025 кг/м3 – (3 стр. 74); G=5 кг/с – по заданию.

 м3/с.

м.

Выбираем стальную трубу 56×3,5 мм. Внутренний диаметр трубы d=0,049 м. Фактическая скорость воды в трубе:

м/с.

Для определения необходимого насоса необходимо найти необходимый напор насоса H, м, (1 стр. 20):

 (5.11)

где Р1 – давление вторичных паров в первом аппарате, Па;

Р2 – давление в заборной ёмкости, Па;

НГ – геометрическая высота подъёма, м;

hп – потери напора по длине трубопровода.

Р1=192100 Па – определено в третьем разделе; Р2=101000 Па – открытая ёмкость; НГ=9 м – принимаем конструктивно.

Потери напора по длине трубопровода определим (2 стр. 16):

 (5.12)

где hт –потери напора в теплообменниках, м;

hпнаг – потери напора на нагнетательной линии, м;

hпвс – потери напора на всасывающей линии, м.

Потери напора в теплообменнике определим (2 стр. 18).

,

где ΔРТ – гидравлическое сопротивление в теплообменниках, Па.

м.

Потери напора на нагнетательной и всасывающей линии определим (1 стр. 14).

 (5.13)

 

где λ – коэффициент трения;

Lпнаг(пвс) – длина линии, м;

 – сумма коэффициентов  местных сопротивлений.

Lпнаг=10 м, Lпвс=5 м – принимаем конструктивно.

Определяем критерий Рейнольдса по (1 стр. 16).

,

где μ – вязкость раствора, Па·с.

μ=0,000366 Па·с – (3 стр. 159).

.

Режим течения – турбулентный.

Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости и от условия для турбулентного режима:

,

где Re – критерий Рейнольдса, который показывает режим течения жидкости;

е – относительная шероховатость труб.

Относительная шероховатость труб находится по уравнению (2 стр. 17).

,

где Δ – абсолютная шероховатость труб, м.

Δ=0,0002 м – (2 стр. 519).

.

,

.

Таким образом, λ рассчитываем для автомодельной зоны (2 стр. 14):

.

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений.

Для нагнетательной линии:

1) отвод под углом 90°: ξ1=0,09;

2) выход из трубы: ξ2=1;

3) прямоточный вентиль: для d= 0,06 м, ξ3=0,8.

Для всасывающей линии примем:

1) вход в трубу (принимаем  с острым краем): ξ1=0,5;

2) прямоточный вентиль: для d=0,06 м, ξ2=0,8;

3) отвод под углом 90°: ξ3=0,09.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

.

м.

м.

м.

м.

Полезная мощность насоса (1 стр. 20):

,

где ηпер, ηн – коэффициенты полезного действия соответственно передачи от электродвигателя к насосу и насоса.

ηпер=1, ηн=0,6 – (1 стр. 20).

Вт.

Заданным подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки Х20/31, для которого при оптимальных условиях работы Q=0,0055 м3/с, Н=31 м вод.ст, Nн=5,5 кВт.