Процессы и аппараты, их конструирование для химических производств

Задание на курсовой проект 3
ВВЕДЕНИЕ
Теоретические основы процесса выпаривания 6
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 11
2. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 21
3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ 23
4 ОПИСАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОХРАНЕ ТРУДА 26
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 29

Процессы и аппараты, их конструирование для химических производств

Температурные потери, град
3
4
18,868
Температура кипения раствора tk, °C
166,067
128,926
76,226
Полезная разность температур , град
22,467
34,14
48,7
7.Определяем тепловые нагрузки по корпусам и рассчитываем коэффициент теплопередачи для первого корпуса, для остальных берем из соотношения
К1 : К2 : К3 1 : 0,6 : 0,4
Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки ст/ст и накипи н/н. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:
∑δ/λ = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 0,000287 м2∙К/ Вт
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке 1 равен [1]:

где r1- теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;
- соответственно плотность (кг/). теплопроводность Вт/(), вязкость () конденсата при средней температуре пленки , , где - разность температур конденсации пара и стенки, град.
Расчет - ведут методом последовательных приближений. В первом
приближении примем =2 0С. Тогда
tПЛ = tГ1-∆t1/2
tПЛ = 143,6-2/2 = 142,6 °С
r1 = 1928,4 кДж/кг ρЖ = 865,14 кг/м3
μЖ = 0,00013114 Па∙с λЖ = 0,6663 Вт/(м∙К)
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение
где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/; Δtст - перепад температур на стенке, град; Δt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.
Отсюда
Тогда
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии принудительной циркуляции раствора равен:
Nu = 0,023∙Re0,8∙Pr0,4 (11)
Nu = α·l/λ
Re = v·d·ρ/µ
Pr = c·µ/λ
Отсюда выразим α2:
Физические свойства кипящего раствора NaNO3 сведем в таблицу 2.
Таблица 2.
Параметр
Корпус
1
2
3
Теплопроводность раствора λ, Вт/(м·К)
0,534
0,558
0,64
Плотность растворов ρ, кг/м3
1071
1125
1337,5
Теплоемкость раствора с, Дж/ (кг·К)
3720,4
3330
3251
Вязкость раствора µ·103, Па·с
0,156
0,289
0,749
Подставив численные значения, получим:
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
q' = α1∙∆t1
q' = 8279,34∙2 = 16558,68 Вт/м2
q'' = α2∙∆t2
q'' = 11899,9∙6 = 71399,4 Вт/м2
Как видим, q' ≠ q''
Расхождение между тепловыми нагрузками превышает 3%.
Для второго приближения примем =4 0С.
Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 2 градуса рассчитаем α1 по соотношению:
Получим:
q' = 6961,78∙4=27847,12 Вт/м2
q'' = 11899,9∙0,79 =9043,92 Вт/м2
Как видим, q' ≠ q''
Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рис.1) и определяем =3,5 0С.
Рисунок 2 - Зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур
q' = 7198,1∙3,5=25193,35 Вт/м2
q'' = 11899,9∙2,02=24037,8 Вт/м2
Как видим, q' ≈ q''
Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов теплоотдачи на этом заканчиваем.
Находим коэффициент теплопередачи:
К1 = 1 / (1/α1 + ∑δ/λ + 1/α2)
К1 = 1/ (1/7198,1 + 0,000287 + 1/11899,9) = 1960,94 Вт/ м2∙К
По условию К1 : К2 : К3 1 : 0,6 : 0,4
К2 = 1960,94 ∙ 0,6 = 1176,6 Вт/ м2∙К
К3 = 1960,94 ∙ 0,4 = 784,4 Вт/ м2∙К
8. Составляем тепловой баланс по корпусам
Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:
Q1 = D(IГ1-i1) = 1,03∙[GH∙cH∙(tK1-tH)+w1∙(IВП1-cB∙tK1) +Qконц]
Q2 = w2∙(IГ2-i2) = 1,03∙[(GH-w1)∙c1∙(tK2-tK1)+w2(IВП2-cB∙tK2)+ Qконц2]
Q3 = w2∙(IГ3-i3) = 1,03∙[(GH-w1-w2)∙c2∙(tK3-tK2)+w3∙(IВП3-cB∙tK3) + Qконц3]
w = w1 + w2 + w3
где 1.03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;
сН,с1,с2 - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг∙К) [4];
Qконц, Qконц2, Qконц3 - теплоты концентрирования по корпусам, кВт;
tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе;
tн=tвп1+'н=143,6+1,5=145,1 (где 1н - температурная депрессия для исходного раствора); можно принять:
IВП1 = I г2 =2780,7 кДж/кг i1 = 865,3 кДж/кг
IВП2 =Iг3 = 2753,1 кДж/кг i2 = 781,2 кДж/кг
IВП3 = I бк =2593,1 кДж/кг i3 = 658,9 кДж/кг
Получим систему уравнений:
Q1=D∙(2793,7-865,3)=1,03∙[1,11∙3,7915∙(143,6-166,067)+w1∙(2780,7-4,19∙166,067)]
Q2=w1∙(2780,7-781,2)=1,03∙[(1,11-w1)∙3,7204∙(128,926-166,067)+w2∙(2753,1-4,19∙128,926)]
Q3=w2∙(2753,1-658,9)=1,03∙[(1,11-w1-w2)∙3,33∙(,42-76,226)+w3∙(2593,1-4,19∙76,226)]
w1 + w2 + w3 = 0,393
Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:
D = 2,658 кг/с; ω1= 2,44 кг/с; ω2 = 2,66 кг/с; ω3 = 3,08 кг/с
Q1= 5125,69 кВт; Q2 = 4878,78 кВт; Q3 = 5570,57 кВт;
9. Из уравнения теплопередачи вычисляем поверхность нагрева корпусов с учетом равенства поверхностей
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
F1 = Q1∙103 / K1∙∆tП1
F1 = 5303,52∙103 / 1822,21∙22,467 = 129,5 м2
F2 = Q2∙103 / K2∙∆tП2
F2 = 4802,78∙103 / 1176,6∙34,14 = 119,5 м2
F3 = Q3∙103 / K3∙∆tП3
F3 = 6283,48∙103 / 784,4∙48,7 = 144,3 м2
Проверка 144,3 – 129,5 / 144,3 = 10,2 %
Выбираем аппарат с поверхностью теплопередачи F = 130 м2
По ГОСТ 11987 – 81[3] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками :
Номинальная поверхность теплообмена F, м2
130
Диаметр труб d, мм
38x2
Высота труб H, мм
6000
Диаметр греющей камеры dk, мм
800
Диаметр сепаратора dc, мм
1800
Диаметр циркуляционной трубы dц, мм
500
Общая высота аппарата Ha, мм
21500
Масса аппарата Ma, кг
14500
2. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
2.1. Расчет барометрического конденсатора.
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще при температуре окружающей среды (около 20 °С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуума – насоса откачивают неконденсирующие газы.
Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуума – насоса.
2.1.1. Расход охлаждающей воды