Выпаривание.. Розрахункова робота з Інші. Робота № 400513

Выпаривание.

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2015

Тип роботи:

Розрахункова робота

Предмет:

Інші

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Производительность 5,0 т/час упаренного раствора NaОН. Начальная концентрация 5%, конечная 20%. Раствор поступает при температуре кипения. Давление греющего пара 0,145 МПа, вакуум в конденсаторе 620 мм рт.ст. С выносной камерой SHAPE \* MERGEFORMAT ВВЕДЕНИЕ Выпаривание- это процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Этот процесс подучил широкое распространение в химической промышленности, в связи с тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др. получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов. Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи. Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых очень разнообразны, что значительно усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб. Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей: - кипятильник (греющая камера) в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора; - сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают: - выпарные аппараты со свободной циркуляцией; - выпарные аппараты с естественной циркуляцией; - выпарные аппараты с принудительной циркуляцией; - пленочные выпарные: аппараты. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата. Раствор, находящийся в кипятильных трубках закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи. Существует несколько типов аппаратов с естественной циркуляцией: с центральной; циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т.д. Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение из-за простоты конструкции и легкоти очистки и ремонта. В тоже время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции. Технологическая схема EMBED KompasFRWFile Исходный раствор центробежным насосом Н подается в кожухотрубный теплообменник ТО, где нагревается до заданной температуры и поступает в выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой ВА. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в линию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упаренный раствор из выпарного аппарата поступает на дальнейшую переработку. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар, поступает в барометрический конденсатор БК, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата. Выбор конструкционного материала Так как водный раствор NaОН при температуре кипения является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 С. Материальный расчет Производительность установки по выпариваемой воде: W = Gк(хк/хн – 1) = 1,39(20/5 – 1) = 4,17 кг/с, Gк = 5000/3600 = 1,39 кг/с Производительность установки по упаренному раствору: Gн= Gк + W = 1,39+4,17 = 5,56 кг/с. 5. ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ РАСТВОРА Температура и давление греющего и вторичного пара [1c550]: Ргп = 0,145 МПа  tгп = 110,3 С; Рбк = Рат – Вбк = 101,3 – 82,6 = 18,7 кПа  tбк = 58,6 С; Вбк = 620 мм рт.ст. = 620·133,3 = 82646 Па = 82,6 кПа Принимаем гидростатическую депрессию ``` = 1С, тогда температура и давление вторичного пара: tвп = tбк + ``` = 58,6 + 1 = 59,6 С  Рвп = 19,6 кПа. Оптимальная высота раствора в трубках: hопт = Н[0,26+0,0014( – в); где Н = 4 м – высота кипятильных трубок;  = 1196 кг/м3 – плотность раствора [2 c. 90]; в = 983 кг/м3 – плотность воды. hопт = 4[0,26+0,0014(1196 – 983) = 2,23 м. Давление и температура в среднем слое раствора: Рср = Рвп + 0,5hоптg = = 19,6103 + 0,52,2311969,8 = 32,7103 Па  tср = 71,1 С. Гидростатическая депрессия: `` = tcp – tвп = 71,1 – 59,6 =11,5 С. Температурная депрессия: EMBED Equation.3 где `ат = 8,2 С – температурная депрессия при атмосферном давлении [1 c.535], r = 2330000 кДж/кг – теплота испарения при tcp [1c.550]. ` = 16,2(273+71,1)28,2/2330000 = 6,8 C. Температура кипения и полезная разность температур: tк = tвп+``+` = 59,6+ 6,8+11,5 = 77,9 C, tп = tгп – tк = 110,3 – 77,9 = 32,4 С. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ АППАРАТА Q = W(Iвп – свtк)(1+m), где tн – начальная температура раствора, сн = 3,98 кДж/кгК – теплоемкость начального раствора [1c 248], Iвп = 2608 кДж/кг – энтальпия вторичного пара [1c. 550], св = 4,19 кДж/кгК – теплоемкость воды [1 c. 537], m = 3% – коэффициент, учитывающий тепловые потери. Q = 4,17(2608– 4,1977,9)](1 + 0,03) = 9800 кВт. Расход греющего пара: D = Q/r = 9800/2229 = 4,40 кг/с. КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ EMBED Equation.3 , где 1 и 2 - коэффициенты теплоотдачи от пара к стенке и от стенки к раствору; (/) – тепловое сопротивление стенки. EMBED Equation.3 где ст = 0,002 м – толщина стенки трубки; ст = 17,5 Вт/мК – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529]; r1 = r2 = 1/5600 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений стенок (/) = 0,002/15,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,610-4 мК/Вт. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке трубки: EMBED Equation.3 где 1 = 0,25410-3 Пас – вязкость конденсата [1 c.537]; 1 = 0,682 Вт/мК – теплопроводность конденсата; 1 = 951 кг/м3 – плотность конденсата; t1 – разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем t1 = 5 C; Н = 4 м – высота нагревательных трубок. 1 = 2,04(0,682395122229000/0,25410-354)0,25 = 6833 Вт/м2К. Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение для удельного теплового потока: EMBED Equation.3 , тогда tст = 1t1(cт/ст) = 683354,610-4 =15,7 С, t2 = tп – t1 – tст = 32,4 – 15,7 – 5 =11,7 С. Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору: 2 = Aq0,6 EMBED Equation.3 , где 1 = 0,717 Вт/мК – теплопроводность раствора [2 c. 94]; п = 0,128 кг/м3 – плотность вторичного пара [1c. 550]; 0 = 0,579 кг/м3 – плотность пара при атмосферном давлении; 1 = 0,086 Н/м – поверхностное натяжение раствора [1 c.526]; c1 = 3610 Дж/кгК – теплоемкость раствора [1 c. 248]; 1 = 1,1310-3 Пас – вязкость раствора [2 c. 92]. A=7800,7171,311960,50,1280,06/0,0860,523300000,60,5790,6636100,3(1,1310-3)0,3= = 7,81, 2 = A(1t1)0,6 = 7,81(68335)0,6 = 4100 Вт/м2К. Проверяем равенство удельных тепловых потоков: q1 = 1t1 = 68335 = 34165 Вт/м2, q2 = 2t2 = 410011,7 = 47972 Вт/м2. q1  q2 принимаем t1 = 5,9 С, тогда 1 = 6833(5/5,9)0,25 = 6556 Вт/м2К. tст = 1t1(cт/ст) = 65565,94,610-4 =17,8 С, t2 = tп – t1 – tст = 32,4 – 17,3 – 5,9 = 8,7 С. 2 = A(1t1)0,6 = 7,81(65565,9)0,6 = 4417 Вт/м2К. Проверяем равенство удельных тепловых потоков: q1 = 1t1 = 65296,0 = 38680 Вт/м2, q2 = 2t2 = 44178,7 = 38429 Вт/м2. q1  q2 Коэффициент теплопередачи: К = 1/(1/6529 + 4,610-4 + 1/4417) = 1191 Вт/м2К. Требуемая поверхность теплообмена: F = Q/Ktп = 9800103/119132,4 =254 м2. Выбираем по ГОСТ 11987–81 аппарат с ближайшей большей поверхностью теплообмена F =315 м2: диаметр греющей камеры, не более –1600 мм; диаметр сепаратора, не более – 3600 мм; диаметр циркуляционной трубы, не более 1000 мм; высота аппарата, не более 15000 мм; масса аппарата, не более 21000 кг. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ Число нагревательных трубок диаметром 382, высотой 4 м: n = F/dcpL где dcp = 0,036 м – средний диаметр трубки. n = 315/0,0364,0 = 696 шт. Площадь суммарного сечения всех кипятильных трубок: fтр = 0,785ndвн2 = 0,7856960,0342 = 0,63 м2. Площадь сечения циркуляционной трубы: fц = 0,3fтр = 0,30,63 = 0,189 м2. Диаметр циркуляционной трубы: dц = (fц/0,785)0,5 = (0,189/0,785)0,5 = 0,491 м. Принимаем dц = 500 мм. Диаметр греющей камеры: EMBED Equation.3 , где  = 1,25 – коэффициент шага трубок;  = 60 – при размещении труб по вершинам правильных треугольников;  = 0,7 – коэффициент использования трубной решетки; dн = 0,038 м – наружный диаметр трубок; А = 0 – при отсутствии в трубной решетке отверстия для циркуляционной трубы. D = (0,41,252sin603150,038/0,74)0,5 = 1,52 м. Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 1600 мм. Толщина обечайки:  = DP/2 +Cк где D = 1,6 м – диаметр греющей камеры аппарата; P = 0,145 МПа – давление греющего пара;  = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];  = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77]; Cк = 0,001 м – поправка на коррозию.  = 1,60,145/21380,8 + 0,001 = 0,003 м. Согласно рекомендациям [3 c.24] принимаем толщину обечайки  = 10 мм. Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1 = = 10 мм. 400 50 1600 Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [3 c.25]: EMBED KompasFRWFile Максимальная масса аппарата: Gmax = Ga + Gв, где Ga = 21000 кг – масса аппарата, Gв – масса воды заполняющей аппарат. Gв = 10000,785D2H = 10000,7851,6215,0 = 30144 кг, где Н = 15,0 м – высота аппарата. Gmax = 21000 + 30144 = 51144 кг = 0,50 МН. Принимаем, что аппарат установлен на 4 опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору: Gоп = 0,50/4 = 0,125 МН. Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,16 МН, конструкция которой приводятся на рисунке: EMBED KompasFRWFile Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле: d = EMBED Equation.3 , где G – массовый расход теплоносителя,  - плотность теплоносителя, w – скорость движения теплоносителя в штуцере. Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для пара w = 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа греющего пара: d1 = (4,40/0,785250,84)0,5 = 0,516 м, принимаем d1 = 500 мм. диаметр штуцера для выхода конденсата: d1 = (4,40/0,7851951)0,5 = 0,077 м, принимаем d1 = 80 мм. диаметр штуцера для входа раствора: d1 = (5,56/0,78511025)0,5 = 0,083 м, принимаем d1 = 80 мм. диаметр штуцера для выхода раствора: d1 = (1,39/0,78511196)0,5 = 0,038 м, принимаем d1 = 40 мм. Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже: EMBED KompasFRWFile Расчет тепловой изоляции. В качестве материала тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности и = 0,09 Вт/мК. Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст.в.=40 С; температуру окружающей среды tв = 18 С, тогда толщина слоя изоляции: EMBED Equation.3 , где в – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду: в = 9,3+0,058 tст.в. = 9,3+0,05840 = 11,6 Вт/м2К. и = 0,09(110,3-40)/11,6(40-18) = 0,025 м. Принимаем толщину тепловой изоляции 30 мм. Расчет диаметра сепаратора. Принимаем диаметр сепаратора равным Dc = 2,4 м, тогда скорость пара в сепараторе: wп = W/п0,785Dc2 = 4,17/0,840,7852,42 = 1,1 м/с. Критерий Рейнольдса: Re = wпdкп/п, где dк = 0,3 мм – диаметр капли; п = 1,210-5 Пас – вязкость пара [1 с.557]; Re = 1,10,310-30,84/1,210-5 = 23,1. Коэффициент сопротивления:  = 18,5/Re0,6 = 18,5/23,10,6 = 2,82. Скорость витания капли EMBED Equation.3 , wвит = [49,8(1196 – 0,84)0,310-3/32,820,84]0,5 = 1,4 м/с. Так как wп < wвит, то капли раствора будут оседать под действием силы тяжести, поэтому увеличивать диаметр сепаратора нет необходимости. 9 РАСЧЕТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА Принимаем начальную температуру воды поступающую в барометрический конденсатор tвн = 20 С, тогда расход охлаждающей воды: EMBED Equation.3 где Iбк = 2606 кДж/кг – энтальпия пара в конденсаторе; tбк = 58,6 С – температура пара в конденсаторе; tвк – конечная температура воды на выходе из барометрического конденсатора; tвк = tбк – 3 = 58,6 – 3 = 55,6 С. Gв = [4,17(2606 – 4,1955,6)]/4,19(55,6-20) = 66,3 кг/с. Диаметр барометрического конденсатора: EMBED Equation.3 , где п = 0,123 кг/м3 – плотность пара в конденсаторе; vп = 15 м/с – скорость пара в конденсаторе; dбк = (4,17/0,785150,123)0,5 = 1,65 м. Выбираем барометрический конденсатор с диаметром корпуса 1600 мм, диаметр барометрической трубы которого равен dбт = 0,3 м. Высота барометрической трубы: EMBED Equation.3 , где В = 82,6 кПа – вакуум в барометрическом конденсаторе;  - сумма местных сопротивлений; vв – скорость воды в барометрической трубе;  = вх+вых = 0,5+1,0 = 1,5, где вх – сопротивление на выходе из трубы; вых - сопротивление на входе в трубу. vв = (Gв+W)/0,785вdбт2 = (4,17+66,3)/0,78510000,302 = 1,00 м/с. Критерий Рейнольдса: Re = vвdбтв/в = 1,0010000,30/0,6510-3 = 461538 где п = 0,6510-3 Пас – вязкость воды [1 с.537]. Коэффициент трения для гладких труб:  = 0,316/Re0,25 = 0,316/4615380,25 = 0,012. Нбт = 82600/10009,8 + (1+1,5+0,012Нбт/0,30) + 0,5 Решая это уравнение находим Нбт = 8,5 м. Производительность вакуум-насоса: Gвоз=2,510-5(W+Gв)+0,01W = 2,510-5(4,17+66,3) + 0,014,17=0,043 кг/с. Объемная производительность насоса: Vвоз = R(273+tвоз)Gвоз/МвозРвоз, где R = 8310 Дж/кмольК – универсальная газовая постоянная. tвоз = tвн+4+0,1(tк – tн) = 20+4+0,1(55,6 – 20) = 27,6 C Pвоз = Рбк – Рнп = 18,7 – 3,7 = 15,0 кПа Рнп = 3,7 кПа – давление насыщенного пара при 27,6 С. Vвоз = 8310(273+27,6)0,043/2915000 = 0,275 м3/с =16,5 м3/мин. По этой величине выбираем вакуум-насос типа ВВН–25, для которого производительность равна 25 м3/мин; мощность на валу 48 кВт [3 c.188]. ЛИТЕРАТУРА Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с. Овчинников Л.Н., Гусев Е.В. Расчет и проектирование выпарных установок. Учебное пособие. Иваново. 1999. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

Розрахункова робота Інші

2015

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

поділитись