Проектирование вакуум-выпарной установки.

Содержание
Задание
1.Технологическая схема установки
2.Расчет выпарного аппарата
Материальный баланс процесса выпаривания
Температурный режим работы выпарной установки
Расчет тепловой нагрузки выпарного аппарата
Расчет расхода греющего пара
Расчет площади поверхности теплообмена греющей камеры выпарного аппарата
3.Расчет барометрического конденсатора смешения
Расход охлаждающей воды
Диаметр барометрического конденсатора
Скорость воды в барометрической трубе
Высота барометрической трубы
4.Расчет вакуум-насоса
5.Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов
Ориентировочный расчет подогревателя исходного раствора
Ориентировочный расчет холодильника концентрированного раствора
6.Выводы
Литература

Проектирование вакуум-выпарной установки.

где rвт.п. – удельная теплота конденсации вторичного пара, Дж/кг•К.
При расчете выпарных аппаратов потери теплоты в окружающую среду Qпот.обычно принимают в размере (3-5)% от суммы (Qнагр. + Qисп) [4,5].
с = с0 + (В1+ В2 · х + В3 • t + В4 • t2 ) · х,
с0 = 4223,6 + 2,476 · t · lg (t/100)
где с и с0 – удельные теплоемкости раствора и воды соответственно, Дж/кг·К;
х – концентрация раствора, кг раств.вещества/кг раствора;
t – температура раствора, °С;
В1, В2, В3, В4 - численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества, (приведены в таблице А.3).
В1 = -6497,23
В2 = 5563,05
В3 = 6,36
В4 = -17,92·10-3 = -0,01792
с0 = 4223,6 + 2,476 • 90,48 • lg (90,48/100)=4213,9Дж/кг·К;
с = 4213,9+ (-6497,23+ 5563,05 • 0,04 + 6,36 • 90,48 -
-0,01792 • 90,482 ) • 0,04=3980 Дж/кг·К.
Удельная теплота конденсации вторичного пара rвт.п. при Р1 по таблице Б.1 равна rвт.п. = 2291 кДж/кг.
Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду принимаем Qпот. = 5%. Тогда:
Q = Gн • сн • (tкон. - tн) + W • rвт.п. + Qпот. = (Gн • сн • (tкон. - tн) + W • rвт.п.)·1,05=
= (1,39 • 3980 • (90,48 - 87) + 0,93 • 2291·103)•1,05=2149882 Вт.
Расчет расхода греющего пара
В соответствии с формулой (4) расход греющего пара:
где rгр.п. = 2208 кДж/кг – удельная теплота конденсации греющего пара в соответствии с таблицей Б.1 при давлении Ргр.п.. Степень сухости греющего пара принята равной 1.
Удельный расход греющего пара по соотношению (5):
Расчет площади поверхности теплообмена греющей камеры выпарного аппарата
В соответствии с (8) площадь поверхности теплообмена:
Так как, тепловая нагрузка выпарного аппарата Q и средняя разность температур процесса теплопередачи между греющим паром и кипящим раствором Δtпол. уже известны, для определения F, необходимо провести расчет коэффициента теплопередачи К по формуле (10).
Определим суммарное термическое сопротивление стенки, с учетом ее загрязнений с обеих сторон в соответствии с (11):
где - термическое сопротивление загрязненной стенки со стороны пара в соответствии с таблицей Б.5;
- термическое сопротивление загрязненной стенки со стороны раствора в соответствии с таблицей Б.5;
δ=0,002 м – толщина стенки трубы, таблица В.1;
λст. – 46,5Вт/м·К – коэффициент теплопроводности стали, таблица Б.4.
Расчет коэффициентов теплоотдачи теплоносителей проводится по критериальным уравнениям [1]. Для расчета коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара используем соотношение (12):
Для водяного пара при температуре конденсации tгр.п.= 119,6°С в соответствии с таблицей 1 At = 7235. С учетом выбранной ранее высоты труб, Нтр.=5 м, получим:
(31)
Коэффициент теплоотдачи к кипящему раствору будем рассчитывать по формуле (13):
где α – коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности вертикальных труб к кипящему раствору, Вт/м2·К;
b –численный коэффициент;
λ – коэффициент теплопроводности раствора при температуре кипения tкип.;
ρ – плотность раствора при температуре кипения tкип., кг/м3;
μ – динамический коэффициент вязкости раствора при температуре кипения tкип., Па·с;
σ – коэффициент поверхностного натяжения раствора при температуре кипения tкип., Н/м;
tкип. - температура кипения раствора на среднем уровне кипятильных труб (при давлении Рср.), °С;
tст. – температура поверхности стенки, соприкасающейся с кипящим раствором, °С;
Ткип. = tкип. +273, К.
Определим, необходимые для расчета коэффициента теплоотдачи, теплофизические свойства раствора при температуре кипения tкип. И конечной концентрации хк: коэффициент теплопроводности, плотность, динамический коэффициент вязкости, коэффициент поверхностного натяжения. Используем для этого расчетные соотношения, приведенные в приложении А [8]:
Коэффициент теплопроводности раствора.
В соответствии с (А.8) и (А.7):
λ0 = 0,5545 + 0,00246 · t – 0.00001184 · t2
λ = λ0 (t)·(1-β · х)
где λ0 и λ – коэффициенты теплопроводности воды и раствора соответственно, Вт/м·К;
β – численный коэффициент, зависящий от растворенного вещества, (Таблица А.4); β·103 = 69,74
х – массовая концентрация раствора.
λ0 = 0,5545 + 0,00246 • 94,6 – 0.00001184 • 94,62=0,68 Вт/м·К
λ = 0,68•(1-0,06974 • 0,12) = 0,674 Вт/м•К
Динамический коэффициент вязкости раствора:
По формулам (А.4) и (А.3):
μ0 = 0,59849 • (43,252 + t)-1,5423
lg μ = lg μ0 + (d0 + d1 ·t + d2 •t2) · х,
где μ0 и μ – коэффициенты динамической вязкости воды и раствора соответственно, Па•с;
d0, d1, d2 – численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества, (таблица А.2).
d0 ·102 = 148,28; d1 •104 = -13,3; d2 •109 = -3648,23;
μ0 = 0,59849 • (43,252 + 94,6)-1,5423 = 3,0 · 10-4 Па·с,
lg μ = lg (3,0·10-4) + (1,4828 – 0,00133 •94,6 – 3,64823·10-6 •94,62) • 0,12=
=-2,196
Тогда, μ = 4,35 ·10-4 Па·с.
Значение плотности раствора конечной концентрации при температуре кипения tкип. было определено ранее: ρ = 1066 кг/м3.
В связи с отсутствием надежных расчетных соотношений для определения коэффициента поверхностного натяжения раствора, а так же с учетом его невысокой конечной концентрации, в данном проекте допустимо использовать коэффициент поверхностного натяжения воды. При tкип=94,6°С в соответствии с таблицей Б.3, σ =0,0599 н/м.
Для расчета численного значения коэффициента b по соотношению (14), по таблице Б.2 определим плотность насыщенного водяного пара при tкип. : ρп = 0,4974 кг/м3.
Тогда :
Подставив полученные численные значения, получим:
(32)
Так как в критериальные уравнения (31) и (32) входят неизвестные температуры поверхностей стенок, соприкасающиеся с теплоносителями, то расчет коэффициентов теплоотдачи будем проводить методом последовательных приблежений [7], используя систему уравнений (33-37):
(33)
(34)
(35)
(36)
(37)
Для установившегося процесса передачи теплоты справедливо уравнение:

С учетом требуемой точности расчетов, проводимых в данном проекте, расхождение между тепловыми потоками должно быть не более 0,05. Для проверки сходимости будем использовать следующее соотношение:
(38)
При выборе температуры tст. для первого приближения следует учитывать, что:
Для первого приближения выберем 117,5ºС.
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара по (33):
В соответствии с (34) удельный тепловой поток от пара к стенке:
Рассчитаем температуру стенки со стороны кипящего раствора по (35):
Определим коэффициент теплоотдачи к кипящему раствору по (36):
Найдем удельный тепловой поток от стенки к кипящему раствору по (37):
Проверим сходимость тепловых потоков по соотношению (38):
Примем
Так как в первом приближении q1< q2 , а во втором приближении q1> q2, то, очевидно, что искомая температура стенки tст1, при которой обеспечивается сходимость тепловых потоков с заданной точностью, лежит в интервале между 117,5 и 116,5°С. Так как при расхождение между тепловыми потоками существенно больше, чем при , примем для третьего приближения
Так как E’’’<0,05, то требуемая точность сходимости тепловых потоков достигнута.
Рассчитаем коэффициент теплопередачи (10):
Требуемая площадь поверхности теплообмена выпарного аппарата (9):
С учетом рекомендуемого на основе практичных данных 10-20% запаса площади выберем по таблице В.1 стандартный выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой со следующими параметрами: площадь поверхности теплообмена 100 м2, диаметр греющей камеры не менее D = 1000мм, диаметр сепаратора не менее D1 = 1800мм, диаметр циркуляционной трубы не более D2 = 600мм, высота аппарата не более Н = 13000мм, высота кипятильных труб 4 м.
3. Расчет барометрического конденсатора смешения
Расход охлаждающей воды
В соответствии с (15):
где iвт.п.=2652 кДж/кг – энтальпия вторичного пара в барометрическом конденсаторе (при давлении Р0), (таблица Б.1);
св=4190 Дж/кг·К – удельная теплоемкость воды;
tвн=10°С и tвк=80°С – начальная и конечная температура воды в барометрическом конденсаторе. В соответствии с практическими рекомендациями в конденсаторах смешения конечная температура воды принимается на несколько градусов ниже температуры конденсации пара при давлении Р0.
Диаметр барометрического конденсатора
По соотношению (16) определим диаметр конденсатора:
где ρвт.п.= 0,373 кг/м3 плотность вторичного пара при давлении Р0, (таблица Б.1);
νвт.п.= 20м/с – скорость пара. 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:
где ρв = 990 кг/м3 – плотность воды по формуле (А.2), при температуре:
t = (tвн + tвк)/2 = (10+80)/2=45°С.
ρв = 1000-0,063·45-0,00355·452 = 990кг/м3.
Высота барометрической трубы
Выразим высоту барометрической трубы из соотношения (18)
(39)
где В = Ратм. – Р0 = 9,8·104 – 6,2·104 = 3,6·104Па.
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):
где μв =0,6·10-3 Па·с – вязкость воды по формуле (А.4) при 45°С, Па·с. μ =0,59849·(43,252+45)-1,5423 = 0,6·10-3.
Для гладких труб при Re>100000 для определения коэффициента трения можно использовать соотношение [5]:
λ = (1,82·lgRe-1,64)-2
Тогда коэффициент трения:
λ = (1,82•lg141488-1,64)-2= 0,0167
Подставив в (39) полученные значения, найдем высоту барометрической трубы:
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) +0,01·W = 2,5•10-5•(0,93+7,4) +0,01•0,93 =
=9,5·10-3 кг/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)=10+4+0,1(80-10)=21°С.
Давление сухого насыщенного пара при tвозд.=21°С, в соответствии с таблицей Б.2 равно: Рп= 0,0255 кгс/см2. Тогда парциальное давление воздуха:
Рвозд. = Р0 – Рп = 6,249·104 – 0,0255·9,8·104 = 6,0·104Па
Подставив полученные значения в (21), получим:
Зная объемную производительность вакуум-насоса Vвозд. и остаточное давление Р0, по таблице В.3 подбираем вакуум-насос типа ВВН-1,5, мощность на валу 2,1 кВт. Остаточное давление 110 мм рт. ст.
5. Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов