Проектирование вакуум-выпарной установки.

Содержание
Задание на проектирование
Содержание
Введение
1 Технологическая часть
2 Инженерные расчеты
2.1 Расчет выпарного аппарата
2.2 Расчет барометрического конденсатора смешения
2.3 Расчет вакуум-насоса
2.4 Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов
2.5 Выводы
Список литературы

Проектирование вакуум-выпарной установки.

х- концентрация раствора, кг раств.вещества/кг раствора;
t- температура раствора, °С;
В1, В2, В3, B4 – численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества [1].
c0=4223,6+2,476*102.9*lg(102.9/100)=4226.76 Дж/кг*К
c=4226.76+(-5230.02+2939.03*0.02-0.21*102.9-16.52*10-3*102.92)0.02
=4119.4 Дж/кг*К
Удельная теплота конденсации вторичного пара rвт.п. при Р1 по табличным данным [1] равна 2251 КДж/кг. Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду примем Qпот.=5%. Тогда:
Q=(0,56*4119,4(102,9-102)+0,448*2251*103)1,05=1061050,4 Вт.
Расчет расхода греющего пара
Расход греющего пара (в кг/с) в выпарном аппарате определяем по уравнению:
, (12)
где - паросодержание (степень сухости) греющегопара;
- удельная теплота конденсации греющего пара, .
Из табличных данных [1] находим удельную теплоту конденсации греющего пара при давлении =2730 кДж/кг
Получаем:
.
Удельный расход греющего пара:
.
Расчет площади поверхности теплообмена греющей камеры выпарного аппарата
Площадь поверхности теплообмена определяется по формуле:
, (13)
где F – площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата, м2;
Q – тепловая нагрузка выпарного аппарата, Вт;
K – коэффициент теплопередачи, Вт/м2∙К;
Δtпол. – полезная разность температур К(°С).
Так как, тепловая нагрузка выпарного аппарата Q и средняя разность температур процесса теплопередачи между греющим паром и кипящим раствором Δtпол. уже известны, то для определения F, необходимо провести расчет коэффициента теплопередачи K по формуле:
, (14)
где α1 - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара, Вт/м2∙К;
α2 - коэффициент теплоотдачи к кипящему раствору, Вт/м2 ∙К;
rст. -суммарное термическое сопротивление всех слоев из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, м2 ·К/Вт.
Определим суммарное термическое сопротивление стенки, с учетом ее загрязнений с обеих сторон по формуле:
, (15)
где rзагр.1 - термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны пара, м2∙К/Вт;
rзагр.2 - термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны раствора, м2∙К/Вт;
δ =– толщина стенки трубы, м;
λст - коэффициент теплопроводности стали, Вт/м∙К.
rзагр.1= 1/5800 м2∙К/Вт, rзагр.2= 1/2500 м2∙К/Вт, δ = 0,002 м, λст = 46,5 Вт/м∙К [1]
Расчет коэффициентов теплоотдачи теплоносителей проводится по критериальным уравнениям [1].
Для расчета коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара используем соотношение:
, (16)
где α- коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара, Вт/м2∙К;
At –коэффициент, численное значение приведено в справочнике [1];
H – высота труб, м;
tгр.п. – температура конденсации греющего пара, °С;
tст1.– температура поверхности стенки, соприкасающейся с пленкой конденсата, °С.
[1].
С учетом ранее выбранной высота труб Н=5 м:
;
Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к кипящему раствору:
, (17)
где α - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности вертикальных труб к кипящему раствору, Вт/м2∙К;
b – численный коэффициент, рассчитываем по формуле;
λ –коэффициент теплопроводности раствора при температуре кипения tкип.;
q – удельный тепловой поток, Вт/м2;
ρж – 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 Pср.), °С ;
tст2 -температура поверхности стенки, соприкасающейся с кипящим раствором, °С ;
Tкип. = tкип.+ 273К
, (18)
гдеи - соответственно плотности раствора и его пара при средней температуре кипения , К;
- динамический коэффициент вязкости, ; - поверхностное натяжение раствора, Н/м, при и .
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 справочнике [6]:
Для кипящего раствора коэффициент теплопроводности раствора КCl рассчитываем по формуле:
, (19)
где - численный коэффициент, зависящий от растворенного вещества,
- коэффициент теплопроводности воды, :
, (20)
.
Тогда получаем:
Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле:
, (21)
где - температура раствора, ,
, , - численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества;
- вязкость воды, :
(22)
При средней температуре кипения раствора получаем:
.
Тогда .
Значение плотности раствора конечной концентрации при температуре кипения tкип. было определено ранее: ρ=1016 кг / м3.
В связи с отсутствием надежных расчетных соотношений для определения коэффициента поверхностного натяжения раствора, а также с учетом его невысокой конечной концентрации, в данном проекте допустимо использовать коэффициент поверхностного натяжения воды. При tкип., в соответствии с табличными данными [1], σ = 0.064 н/м.
Для расчета численного значения коэффициента b по табличным данным определим плотность насыщенного водяного пара при tкип.: ρп=0.81 кг/м3[1].
Тогда:
Подставив, полученные численные значения, получим:

Так как, в критериальные уравнения, определяющие α1 и α2, входят неизвестные температуры поверхностей стенок, соприкасающиеся с теплоносителями, то расчет коэффициентов теплоотдачи будем проводить методом последовательных приближений [7], используя систему уравнений (23)-(27):
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)
Для установившегося процесса теплопередачи 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:
(28)
При выборе температуры tст.1 для первого приближения следует учитывать, что:
tгр.п>tст.1>tст.2 >tкип.
Для первого приближения выберем t‘ст1 130°С.
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара по (23):
В соответствии с (24) удельный тепловой поток от пара к стенке:
Рассчитаем температуру стенки со стороны кипящего раствора по(25):
Определим коэффициент теплоотдачи к кипящему раствору по (26):
Найдем удельный тепловой поток от стенки к кипящему раствору по (27):
Проверим сходимость тепловых потоков по соотношению (28):
Так как q1>q2 , то целесообразно уменьшить движущую силу процесса теплоотдачи от конденсирующегося пара, поэтому для второго приближения выберем t,,ст1 > t,ст1
Примем t,,ст1 131°С и проведем аналогичные вычисления:
Так как, в первом приближении q1 > q2, а во втором приближении q1 < q2 , то, очевидно, что искомая температура стенки tст .1, при которой обеспечивается сходимость тепловых потоков с заданной точностью, лежит в интервале между 130 и 131 °С. Так как при t,,ст1 131°С расхождение между тепловыми потоками существенно больше, чем при t‘ст1 130°С. примем для третьего приближения t’’’ст1 130,2 °С.
Так как, <0.05, то требуемая точность сходимости тепловых потоков достигнута.
По результатам последнего приближения рассчитаем коэффициент теплопередачи (14):
Требуемая площадь поверхности теплообмена выпарного аппарата (13):
С учетом, рекомендуемого на основе практических данных 10-20 % запаса площади, выберем по табличным данным стандартный выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой со следующими параметрами: площадь поверхности теплообмена 112 м2, высота кипятильных труб 5 м. [1]
2.2 Расчет барометрического конденсатора смешения
Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:
, (29)
где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;
- начальная температура охлаждающей воды, ;
- конечная температура смеси воды и конденсата, ;
- расход вторичного пара, кг/с;
- теплоемкость воды, .
По табличным данным [1] находим, что при . По заданию . Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 К, поэтому принимаем . Теплоемкость воды принимаем равной .
.
Диаметр барометрического конденсатора
Определяем диаметр конденсатора по формуле:
, (30)
где ρвт.п. =0.623 кг/м3– плотность вторичного пара при давлении Р0[1];
vвт.п..= 20 м/с – скорость пара. В соответствии с практическими рекомендациями скорость пара принимают равной 15-25 м/с.
В соответствии с данными, приведенными в справочнике [1], 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.
Скорость воды в барометрической трубе
Используем соотношение для определения скорости воды в барометрической трубе:
, (31)
где vв – скорость воды в барометрической трубе, м/с;
где ρо = 813 кг/м3 – плотность воды при температуре (15+98)/2=56°С, кг/м3;
dб.т. – диаметр барометрической трубы, м..
Высота барометрической трубы:
, (32)
В=Ратм-Р0=4,8*104
0,5 – запас высоты на возможное изменения барометрического давления, м.
- сумма коэффициентов местных сопротивлений;
- коэффициент трения.
Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе.
Находим критерий Рейнольдса:
, (33)
где - динамический коэффициент вязкости воды, при температуре ,
.
.
Для гладких труб при Re>100000 для определения коэффициента трения можно использовать соотношение: