Курсовая работа_9 мая


Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Институт экономики и сервиса
Кафедра «Процессы и аппараты пищевых производств»
Допущен к защите
___________________
«____»_________2018г.
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Тема: «Ректификационная установка непрерывного действия дляразделения 5000 кг/ч смеси бензол-толуол»
по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»
( Д 240. 01. 1.00.000.0000 ПЗ )Исполнитель:
студент (ка) Джанбузова А.К.
гр. 220-1
Руководитель проекта Норбоева Л.К.
Уфа 2018
Содержание
Введение
Теоретическая часть…………………………………………………….…………….4
Общие сведения……………………………………………………..................4-6
Способы выпаривания……..……………………………………….................6-8
Классификация выпарных аппаратов..………………………..…………….8-13
Расчетная часть…………………………………………………………..……………5
Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов.…………...6
2.1.1.Расчет концентраций упариваемого раствора…………….……………15
2.1.2.Определение температур кипения растворов…………….................15-19
2.1.3.Расчет полезной разности температур…………………………………..19
2.1.4.Определение тепловых нагрузок………………………….................19-20
2.1.5.Выбор конструкционного материла………………………................20-21
2.1.6.Уточненный расчет поверхности теплопередачи…………………..21-22
2.2.Определение толщины тепловой изоляции…………………………………....23
2.3.Расчет барометрического конденсатора………………………………………..23
2.3.1.Определение расход охлаждающей воды……………………………..23-24
2.3.2.Расчет диаметра барометрического конденсатора…………....................24
2.3.3.Расчет высоты барометрической трубы…………………….....................24
2.4.Расчет производительности вакуум-насоса………………………………..24-25
Заключение……………………………………………………………………………....26
Список литературы
Приложение
1. ВВЕДЕНИЕ
Общие сведения
Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях. Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара — некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.) При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей. Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.) Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным . Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.
Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.
Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.
Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.
Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды). При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров. Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы. При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания. Вторичной пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой. При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным. Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.
Многокорпусные выпарные установки
В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. Выше было показано, что в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг
греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпусной выпарной установке. Как указывалось, принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Рис. 1. Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка:
1-3 - корпуса установки; 4 — подогреватель исходного раствора; 5 — барометрический конденсатор; 6 — ловушка; 7 —вакуум-насос.
Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 1.Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где
вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом. Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса. Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе. Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку - брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7. С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.
Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур греющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, давление вторичного пара в каждом предыдущем
корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно. Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением.
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Основные условные обозначения
с — теплоемкость, Дж/(кг- К); d — диаметр, м;
D — расход греющего пара, кг/с;
F — поверхность теплопередачи, м2;
G — расход, кг/с;
g — ускорение свободного падения, м/с2;
Н — высота, м;
I — энтальпия пара, кДж/кг;
I' — энтальпия жидкости, кДж/кг;
К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2* К);
Р — давление, МПа;
Q — тепловая нагрузка, кВт;
q — удельная тепловая нагрузка, Вт/мг;
r — теплота парообразования, кДж/кг;
Т, t— температура, град;
W, w — производительность по испаряемой воде, кг/с;
х — концентрация, % (масс.);
а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3- К);
ρ — плотность, кг/м3; № — вязкость, Па-с;
X — теплопроводность, Вт/(м- К);
о — поверхностное натяжение, Н/м;
Re — критерий Рейнольдса;
Nu — критерий Нуссельта;
Рr — критерий Прандтля.
Индексы: 1, 2, 3 — первый, второй, третий корпус выпарной установки;
в — вода;
вп — вторичный пар;
г — греющий пар;
ж — жидкая фаза;
к — конечный параметр;
н — начальный параметр;
ср — средняя величина;
ст — стенка.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ.
Расчёт многокорпусных выпарных установок проводят методом последовательных приближений.
2.1. Первое приближение.
2.1.1. Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнений материального баланса: W = Q* (1-XН/ХК) =11,7*(1-6/30)=11,7*0,8=9,36 кг/с2.1.2. Расчёт концентраций упариваемого раствора.
Принимают, что производительность каждого корпуса по выпариваемой воде определяется соотношением W1:W2:W3 = 1,0 :1,1 : 1,2 (такое распределение на основании практических данных). Тогда
W1=W*1,01,0+1,1+1,2=9,363,3=2,8 кг/с
W2=W*1,11,0+1,1+1,2=9,36*1,13,3=3,12 кг/с
W3=W*1,21,0+1,1+1,2=9,36*1,23,3=3,4 кг/с
Рассчитывают концентрации раствора по корпусам:
Х1=Gн*ХнGн-W1=11,7*,00611,7-2,8=0,7028,9=0,078 (8%)
Х2=Gн*ХнGн-W1-W2=11,7*,00611,7-2,8-3,12=0,7025,78=0,12 (12%)
Х3=Gн*ХнGн-W1-W2-W3=11,7*,00611,7-2,8-3,12-3,4=0,7022,36=0,3 (30%)
X3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора XК.
2.1.3. Определение температур кипения растворов.
В первом приближении общий перепад давлений в установке распределяют по корпусам поровну. Общий перепад давлений равен:
ΔPОБ= Pr1 - PБК =128*104-1,35*104=126,65*104Па
Тогда давление по корпусам равны:
Pr1=128* 104Па
Pr2= Pr1- ΔPОБ/3=128* 104 - 126,65*1043=128* 104- 42,22* 104=85,78* 104Па
Pr3= Pr2- ΔPОБ/3=85,78* 104- 42,22* 104=43,56* 104Па
Давление пара в барометрическом конденсаторе:
РБК= Pr2- ΔPОБ/3=43,56* 104 -42,22* 104=1,34* 104Па
По давлению паров находим (1) их температуры и энтальпии:
Давление, Па Температура, °С Энтальпия, кДж/кгPr1=128* 104Па 190,901 2 785,98
Pr2=85,78* 104Па 173,3 2 771,13
Pr3=43,56* 104 Па 146,7 2 741,92
РБК=1,34* 104Па 51,65 2 594,22
При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации. По высоте кипятильных труб происходит изменение температуры кипения вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Принимают температуру кипения раствора в корпусе соответствующую температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (’), гидростатической (”) и гидродинамической (”’) депрессий.Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления паром на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах ”’ принимают равной 1,0 ÷1,5 градуса на корпус. Примем ”’ для каждого корпуса по 1°, тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:
tв1= tr1+1”’=173,3+1=174,3°С
tв2= tr2+1”’=146,7+1=147,7°С
tв3= tr3+1”’=51,65+1=52,65°С
Сумма гидродинамических депрессий
Ʃ”’=1”’+2”’+3”’=1+1+1=3°С.
По температурам вторичных паров определим их давления.
Температура, °СДавление, Па
tв1=174,3°С P в1=87,8* 104tв2= 147,7°С P в2=44,7* 104tв3=52,65°С P в3=1,407* 104
Определение гидростатической депрессии. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:
Pср = Pв + H * ρ * g * ε / 2,
где Pв – давление вторичного пара в корпусе, Па;
H – высота кипятильных труб в аппарате, м;
ρ - плотность кипящего раствора, кг.м3;
ε - паронаполнение (объёмная доля пара в парожидкостной смеси), м3/м3.
Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fср. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000 Вт/м2 , аппаратов с принудительной циркуляцией q=20000-80000 Вт/м2 . Примем q=40000 Вт/м2, тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:
Fср= Qq= W1*r1q=2,8*2056*10340 000=5 756 80040 000=145,8 м2
где r1- теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.
По ГОСТу [2] (см. приложение 1) аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1,исполнение 1) имеют высоту кипятильных труб 4 м и 5м. при диаметре dн=38 мм и толщине стойки ст=2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н=4 м.
При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε=0.4-0.6. Примем ε=0.5. Плотность водных растворов, в том числе раствора NaOH [3] (см. приложение 3), при температуре 15°С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:
1=1087 кг/м3
2=1131 кг/м3
3=1327 кг/м3
При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 15°С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочного принятого значения ε.
Давления в среднем слое кипятильных труб по корпусам равно:
P1ср = Pв1 + H * ρ1 * g* ε / 2=87,8* 104+4*1087*9,8* 0,52 =87,8* 104+10652,6=88,9*104Па
P2ср = Pв2 + H * ρ2 * g* ε / 2=44,7* 104+4*1131*9,8* 0,52 =44,7* 104+11191,6=45,8*104Па
P3ср = Pв3 + H * ρ3 * g* ε / 2=1,407* 104+4*1327*9,8* 0,52 =1,407*104+13514,2= 2,75*104Па
Этим давлением соответствует следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:
Давление, Па Температура, °С Температура испарения, кДж/кгP1ср=88,9* 104Па t1ср=174,8 rв1=2032
P2ср=45,8* 104Па t2ср=148,6 rв2=2 118
P3ср=2,75* 104 Па t3ср=67,1 rв3=2 340

Определим гидростатическую депрессию по корпусам:
1”’= t1ср- tв1=174,8-174,3=0,5°С2”’= t2ср- tв2=148,6-147,7=0,9°С3”’= t3ср- tв3= 67,1-52,65=14,45°С
Сумма гидростатических депрессий равна:
Ʃ’’=1’’+2’’+3’’=0,5+0,9+14,45=15,85°СТемпературная депрессия
Температурную депрессию ’ определим по уравнению
’=1,62*10-2 *’ атмTср2/rв.
uде, Т- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;
Т ср =(t ср + 273), К;
’ атм – температурная депрессия при атмосферном давлении
rв-теплота испарения, кДж/кг.
Температурная депрессия по корпусам равна:
1’=1,62*10-2*(174,8+273)2 2032 *2,8=4,47°С2’=1,62*10-2*(148,6+273)2 2118 *8,2=11,1°С3’=1,62*10-2*(67,1+273)2 2340 *17=13,6°ССумма температурных депрессий равна:
Ʃ' = 1’+ 2’ + 3’=4,47+11,1+13,6=29,17°СТемпературы кипения раствора по корпусам равны :tK1 = tr 2 + 1’+ 1’’+ 1’’’= 173,3+4,47+0,5+1=179,27°С
tK2 = tr 3 + 2’+ 2’’+ 2’’’=146,7+11,1+0,9+1=159,7°С
tK3 = tБК + 3’+ 3’’+ 3’’’=51,65+13,6+14,45+1=80,7°С
При расчете температуры кипения в пленочных выпарных аппаратах (тип 3, см. Приложение 4.1) гидростатическую депрессию ’’ не учитывают. Температуру кипения в этих аппаратах находят как среднюю между температурами кипения растворов с начальной и конечной концентрациями при давлении в данном корпусе, полагая, что движение раствора в аппарате соответствует модели полного вытеснения.
В аппаратах с вынесенной зоной кипения как с принудительной, так и с естественной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой. Кипение в греющих трубках предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по сравнению с температурой кипения на верхнем уровне раздела фаз. Поэтому температуру кипения раствора в этих аппаратах также определяют без учета гидростатических температурных потерь ’’. Перегрев раствораtпер может быть найден из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Уравнение теплового баланса для j-го корпуса записывается в следующем виде:
Gнj /Снj (tкj-1 — tкj) + МСjнtпер j =W (Iвп j Cb tкj) ,
где M — производительность циркуляционного насоса (в кг/с), тип которого определяют по каталогу для выпарного аппарата с поверхностью теплопередачи F.
Для первого корпуса i —это температура раствора, поступающего в аппарат из теплообменника-подогревателя.
В аппаратах с принудительной циркуляцией циркуляционные насосы обеспечивают высокоразвитый турбулентный режим при скоростях раствора в трубках υ = 2,0—2,5 м/с.
В аппаратах с естественной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора υ=0,6—0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:
M = υ S.
M1=0.7*0.414*1087=315.01 кг/с;
M2=0.7*0.472*1131=373.68 кг/с;
M3=0.7*0.561*1327=521.12 кг/с.
Здесь S — сечение потока в аппарате (м2), рассчитываемое по формуле:
S= Fсpdвк/4H,
где dBH — внутренний диаметр труб, м;
Н—принятая высота труб, м.
Таким образом, перегрев раствора в j-м аппарате перj; равен:
перj =j (Idв.пj – cв *tнj) – Gнj *cн (tкj-1 — tкj)/ Мснj
Полезную разность температур в каждом корпусе можно рассчитать по уравнению:
t пj= trj – (tкj +t перj/2 )
Анализ этого уравнения показывает, что величина Д/пер/2 — не что иное как дополнительная температурная потеря. В связи с этим общую полезную разность температур выпарных установок с аппаратами с вынесенной зоной кипения нужно определять по выражению
Ʃt п= t r1- t бк – Ʃ' – Ʃ''' – Ʃ(t пер/2).
2.1.4. Полезная разность температур
tп1= tr1- tк1=190,901-179,27=11,631°Сtп2= tr2- tк2=173,3-159,7=13,6°Сtп3= tr3- tк3=146,7-80,7=66°ССуммарная полезная разность температур равна:
∆t=tп1+tп2+tп3=11,631+13,6+66=91,231
Проверка суммарной полезной разности температур:
∆t= tr1-tБК1 – ( ’+ ’’+ ’’’)=190,901-51,65-(29,17+15,85+3)=91,22
2.1.5. Определение тепловых нагрузок
Совместным решением уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения балансов по воде для всей установки определяем расход греющего пара в 1-ый корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам
Q1=D*(Ir1 —i1) = 1,03* [Gн*Cн*(tк1 — tн) + W1*(I вп1- Cв* tr1) + Qконц];
Q2=W1* (Ir2 —i2) = 1,03* [(Gн-W1)* C1*(t к2 — t к1) + W2*(I вп2- Cв* t к2) + Q2конц];
Q3=W2* (Ir3 —i3) = 1,03 *[(Gн-W1-W2) *C2*(t к3 — t к2) + W3*(I вп3- cв* t к3) + Q3конц];
W = W1 + W2 + W3,
где 1,03 — коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;
С2, С1, С3— теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах NaOH, кДж/(кг*К)
Сн=4,196*(1- XН)=4,196*(1-0,06)=3,94 (Хн =0,06=6%)
С1=4,196*(1-Х1)= 4,196*(1-0,078)=3,87 (Х1=0,078=7,8%)
С2=4,196*(1-Х2)= 4,196*(1-0,12)=3,69 (Х2=0,12=12,7%)
Q1конц, Q2конц, Q3конц — теплоты концентрирования по корпусам, кВт;
tн— температура кипения исходного раствора при давлении в 1 -м корпусе;
где 1,03 — коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;
I1, I2, I3 - энтальпия греющих паров по корпусам кДж/кг;
I вп1, I вп2, I вп3 - энтальпия вторичных паров по корпусам кДж/кг;
i1, i2, i3-энтальпия конденсата по корпусам, кДж/кг (i1=811,59, i2=733,68, i3=618,02)
tн— температура кипения исходного раствора при давлении в 1 -м корпусе;
tн = tв1 + ’н = 174,3+ 1,0= 175,3 °С
’н - температурная депрессия для исходного материала
Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса:
Q3конц=Gcух*q=Gнхнq
где Gcух — производительность аппаратов по сухому NaOH, кг/с;
q — разность интегральных теплот растворения при концентрациях х2 и х3, кДж/кг.
Q3конц=11,7 *0,06*(963,8-837)=89 кВт
Сравним Q3конц с ориентировочной нагрузкой для 3-го корпуса Q3 ОР:
Q3 ОР=(Gн-W1-W2)*(tк3 - tк2)+ W3*( I вп3 - Св*t к3)=(11,7-2,8-3,12)*( 80,7 - 159,7) + 3,4*(2594,22- 4,19* 80,7)=5,78*(-79)+7670,7=-456,62+7670,7=7214,08кВт
Q3конц составляет значительно меньше 3%от Q3ОР , поэтому в уравнениях теплового баланса по корпусам пренебрегаем величиной Q3конц.
Q1=D*(2785,98 —811,59) = 1,03 [11,7*3,94*(179,27 — 175,3) + W1*(2771,13- 4,19*179,27)]= 1,03 [183+W1*2019,9];
Q2=W1 (2771,13 —733,68) = 1,03 [(11,7-W1) *3,87*(159,7 — 179,27) + W1*(2741.92- 4,19* 159,7) ]= 1,03[(11,7-W1)*(-19,57) + W1*(2072,8) ];
Q3=W2 *(2741,92 —618,02) = 1,03 *[(11.7-W1-W2) *3,69*(80,7 — 159,7) + W3(2594,22- 4,19* 80,7)]= 1,03 [(11.7-W1-W2)*(-291,51)+ W*2 256];
D*1974,394=1,03 [183+W1*2019,9];
W1*2037,451=1,03[(11,7-W1)*(-19,57) + W2*(2072,8) ];
W2 *2123,904= 1,03 [(11.7-W1-W2)*(-291,51)+ W3*2 256];
W1 + W2 + W3=9,32Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:
D =3,2 кг/c
W1=2,96 кг/с Q1=6344 кВт
W2=2,93 кг/с Q2=6031 кВт
W3=3,43 кг/с Q3=6223 кВт
Проверка:
W = W1 + W2 + W3 = 2,96 +2,93 +3,43 =9,32 кг/с
Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (W1 =2,8кг/с, W2 =3,12кг/с, W3=3,4кг/с) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам. Если же расхождение составит более 5 %, необходимо заново пересчитать концентрации, температурные депрессии и температуры кипения растворов, положив в основу расчета новое, полученное из решения балансовых уравнений, распределение нагрузок по испаряемой воде.
Результаты расчета сведены в таблицу:
Параметры растворов и паров по корпусам
Параметр Корпус
1 2 3
Производительность по испаряемой воде, W, кг/с2,96 2,93 3,43
Концентрация растворов х, % 8 12 30
Давление греющих паров Рr, Па 128* 104Па 85,78* 10443,56* 104
Температура греющих паров tг, °С 190,901 173,3 146,7
Температура кипения раствора , tк, °С 179,27 159,7 80,7
Полезная разность температур,
tn,град 11,631 13,6 66
Температуру кипения раствора определили следующим образом(℃):
tк=tr- ∆tп
tк1=190,901-11,631=179,27℃;
tк2=173,3-13,6=159,7℃;
tк3=146,7-66=80,7℃;
Концентрацию растворов х, % определили следующим образом:
Х1=Gн*Хн Gн-W1 = 11,7*0,0611,7-2,96 =8%
Х2=Gн*Хн Gн-W1-W2 = 11,7*0,0611,7-2,96-2,93=12%
Х2=Gн*Хн Gн-W1-W2-W3 = 11,7*0,0611,7-2,96-2,93-3,44=30%
2.1.6.Выбор конструкционного материала
Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaOH в интервале изменения концентраций от 4 до 24 % [6]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки X17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности ХсТ = 25,1 Вт/(м*К).
2.1.7. Расчет коэффициентов теплопередачи. Расчет коэффициента теплопередачи в первом корпусе.

Примем, что суммарное термическое сопротивление стенки и накипи
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара α1 к стенке равен

где  – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;
t1 – разность температур конденсата пара и стенки, ºС;
 – соответственно плотность, кг/м3 , теплопроводность Вт/(м∙К) и вязкость конденсата, Па∙с, при средней температуре плёнки.

tпл=190,901
Первое приближение
Примем 2 ºС, тогда проверяем правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
Значения физических величин конденсата берём при tпл =190,2 ºС.
ρж1=876 кг/м3
λ ж1=0,684 Вт/(м∙К)
µ ж1=0,09*10-3 Па*с
r=1971,3 Дж/кг
α1=2,04*4 1971,3*0,6843*8763* 4*2*0,09*10-3 =2,04*41971,3*767376*320013,50,00072=9568 Вт/(м2∙К)
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо:

где, q-удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 tст-перепад температур на стенке, град
t2- разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Рис.1 Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору
tст= α1* t1*δλ = 9568*2*2,87*10 -4 = 5,5 ºС
тогда
t2= tn - tст - t1=11,631-5,5-2 =4,1 ºС
Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору для режима пузырькового кипения в вертикальных пузырьковых трубках при условии естественной циркуляции раствора равен:

=780*(0,59)1,3*(1065)0,5*(3,65)0,06(0,06)0,5*(2021*10-0,5)*0,6*0,5790,66*37750,3*(0,1*10-3)0,3=
=18,25*(9568*2)0,6 = 18,25*370,775=6766 Вт/(м2∙К)
q1= α1* t1=9568*2=19 136 Вт/м2
q2= α2* t2=6766*4,1=27 740,6 Вт/м2
Как видно q1 ≠ q2
где,  – плотность греющего пара в первом корпусе,
ρ0 =0,579 кг/м3 – плотность пара при атмосферном давлении;
Таблица2
Физические свойства кипящих растворов и паров по корпусам
Параметр Корпус
1 2 3
Теплопроводность раствора, 0,599 0,627 0,69
Плотность раствора, , кг/м3 1065 1105 1328
Теплоёмкость раствора, 3775 3571 2768
Вязкость раствора, µ ,Па*с 0,1* 10-3 0,3*10-3 0,75*10-3
Поверхностное натяжение, δ, Н/м 0,06 0,068 0,095
Теплота парообразования, r, Дж/кг 2021*10-3 2089*10-3 2310*10-3
Плотность пара, ρ, кг/м3 3,65 1,9 0,096
Плотность пара при 1 атм., ρ0 ,кг/м3 0,579 0,579 0,579
Второе приближение примем t1=3 ºС.
α1=9568*423 = 9568*0,903=8 642 Вт/(м2∙К)
tст= α1* t1*δλ =8642*3*2,87*10-4=7,4 ºС
t2== tn1 - tст - t1=11,631-7,4-3 =1,231 ºС
α2=18,25*(8642*3)0,6=18,25*444,87=8119
q1= 8642*3=25 926 Вт/м2
q2=8119*1,231=9 994,5 Вт/м2
Как видно q1 ≠ q2
Третье приближение. Для определения t1 строим графическую зависимость тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой (см. рис. 1.1) и определяем t1.
872490415290002729865862965001024890135826500
-25146031623040 000
0040 000
-251460184023010 000
0010 000
-25146081153030 000
0030 000
-251460133540520 000
0020 000
218694024638002,4
002,4


Зависомость тепловой нагрузки от разности температур t1, для 1 корпуса
α 1= 9568*422,4 = 9568*0,955= 9137,44 Вт/м2*К tст=9137,44*2,4*0,278*10-3=6,096 ºС
t2 = 11,631-2,4-6,096=3,135 ºС
α 2=18,25*(9137*2,4)0,6=18,25*402,354=7 342,96 Вт/м2*Кq1=9137,44*2,4=21 929,9 Вт/м2
q2=7342,96*3,135=23 020,2 Вт/м2
Как видно q1 ≈ q2
Если расхождение тепловых нагрузок не превышает 3%, то на этом расчет коэффициентов α 1 и α 2 заканчивают.
К=119137,44+0,287*10-3+17342,96 =110,00024562+0,287*10-3 =1909,8 Вт/м2*К
Расчёт коэффициента теплопередачи во 2-м и 3-м корпусах.
Коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2 и третьего К3 можно рассчитывать так же, как и коэффициент К1 или с достаточной точностью воспользоваться соотношением коэффициентов , полученных из практики ведения процессов выпаривания .Эти соотношения варьируются в широких пределах:
К1 : К2 : К3 = 1 : (0,85 0,5) (0,7 0,3)
Поскольку – NaOH –соль, соотношение коэффициентов принимаем по верхним пределам.
К1 : К2 : К3 = 1 : 0,85: 0,7
К2 = К1 0,85 = 1909,8 0,85 =1 623,33
К3 = К1 0,7 =1623,33 *0,7=1 136,33
2.1.8. Распределение полезной разности температур.
Распределение полезной разности температур по корпусам проводим из условия равенства поверхностей теплопередачи в аппаратах установки,
где  – общая полезная разность температур выпарной установки;  – отношение тепловой нагрузки к коэффициенту теплопередачи в корпусе; i = 1,2,3 – номер корпуса.

tп =11,631+13,6+66=91,231
tп1=91,231*63441909,863441909,8+60311623,33 +62231136,33=91,231*3.323,32+3,715+5,47=394,1212,505=31,52 ºС
tп2=91,231*3,71512,505=91,231*0,29=27,06 ºС
tп3=91,231*5,4712,505=91,231*0,35=32,9 ºС
Проверка суммарной полезной разности температур установки:
tп = tп1+ tп2+ tп3=31,52 +27,06+32,9=91 ºС2.1.9. Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов.

F1 = 6344*1031909,8*31,52=145,2м2
F2 = 6031*1031623,33*27,06=145,1м2
F2 = 6223*1031136,33*32,9=145,4м2
Полученные значения поверхности теплопередачи сравниваем с определенной ранее ориентировочной поверхностью Fср =145,8 м2. Различие незначительное. Значит, размеры выпарных аппаратов выбраны правильно.
По ГОСТ 11987 выбираем аппарат с поверхностью теплообмена F=160м2 и длиной труб Н = 4 м. Основные технические характеристики выпарного аппарата представлены в таблице:

F при диаметре трубы 38х2 и длине Н= 4000мм Диаметр
греющей камеры
D, мм Диаметр сепаратора
Dс, мм Диаметр циркуляционной трубы dц, мм Высота аппарата
Н , мм
160 1 200 2 400 700 16 000
3.ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫПАРНОГО АППАРАТА
3.1.Расчет толщины трубной решетки
Толщина трубной решётки (плиты) h определяется по уравнению:

где dк-диаметр греющей камеры,м.
Р-расчётное давление в 1-ом корпусе, равное разности Р= Рг1-Рв
σд- допускаемое напряжение материала трубной решетки, Мн/м2
ϕ -коэффициент ослабления трубной плиты отверстиями

Σd – сумма диаметров отверстий в трубной плите [м] на диаметре dК,
Σd = ( dК/t – 1) . dН,
где t – шаг разбивки отверстий по ГОСТу [2];
dН – наружный диаметр труб, м.
P = 1,0 – 0,738 = 0,262 Мн/м2.
Σd = (1,0/0,048 – 1) *0,038 = 19 *0,038
ϕ= 1,2-19*0,0381,0=0,28
Следовательно:
h= 0,47*1,0*20,2620,28*134=0,0394 м
Примем толщину трубной решетки 40 мм.
4.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Толщина тепловой изоляции δИ находится из равенства удельный тепловых потоков через слой изоляции и в окружающую среду для 1-го корпуса:

где αВ – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м2*К,
αВ = 9,3 + 0,058 . tСТ2,
где t СТ2 – температура изоляции со стороны воздуха, принимаемая равной 35 ÷ 45 оС;
tСТ1 – температура изоляции со стороны аппарата. Ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tСТ1принимают равной температуре греющего пара tГ1;
tВ – температура окружающей среды, оС;
λИ – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/м . К. Выбираем в качестве тепловой изоляции совелит, имеющий коэффициент теплопроводности λИ = 0,09 Вт/м . К.
αВ = 9,3 + 0,058 . 40 = 11,6 Вт/м2*К.
δИ =0,09*(190,901-40)11,6* (40-20) = 13,58232=0,058м
Принимаем толщину тепловой изоляции 58 мм с диаметром трубы d бт = 300 мм.(0,3 м).
5. РАСЧЁТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА
Для создания вакуума в выпарных установках применяют обычно конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаётся в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды
(около 20ОC). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачиваются неконденсирующиеся газы. Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры барометрического конденсатора (диаметр и высота) и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.
Определение расхода охлаждающей воды.
Расход охлаждающей воды GВ определяется из теплового баланса конденсатора:

где JВК – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг (2 594 кДж/кг);
св – теплоёмкость воды, кДж/кг* К (4190 кДж/(кгК);
tн- начальная температура охлаждающей воды, ºС;
t н = 10 20 ºСtк - конечная температура смеси воды и конденсата, ºС.Движущая сила теплопередачи на выходе из конденсатора должна быть 3 ÷ 5 ОC, поэтому конечную температуру на выходе из конденсатора принимают на 3 ÷ 5 градусов ниже, чем температура конденсации паров.
tК = tБК - 3 = 51,65 – 3,0 = 48,65 ºСGв=3,43 (2594220-4,19*103*48,65)4,19*103(48,65-20)=3,43*2 390 377120 044=68,3 кг/с
Расчёт диаметра барометрического конденсатора.

где ρП – плотность паров в барометрическом конденсаторе, кг/м3;
VП – скорость паров в барометрическом конденсаторе, м/с.
При остаточном давлении в конденсаторе 104 ÷ 2 . 104 Па скорость паров VП принимают 15 ÷ 25 м/c.
dБК=24*3,430,098*3,14*20=213,726,1544=1,5м
По нормали НИИХИММАШа подбираем ближайший больший расчётного диаметра конденсатор и определяем его размеры.
Выбираем барометрический конденсатор с dБК = 1600 мм.
Расчёт высоты барометрической трубы.
В соответствии с нормалями внутренний диаметр барометрической трубы равен dВТ = 300 мм.

Vв=4*( 68,3+3,43)1000*3,14*0,32=4*71,73282,6=1,01 м/с
Высота барометрической трубы определяется из уравнения:

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;
Σς - сумма коэффициентов местных сопротивлений;
λ - коэффициент трения в трубе =0,013;
HБТ, dБТ – высота и диаметр барометрической трубы;
ρВ – плотность воды, кг/м3 (1000 кг/м3) ; – вязкость воды, Па∙с, определяемая по номограмме при температуре воды tср .0,5 – запас высоты на изменение барометрического давления, м.
B = (1 – 0,15) . 9,8 . 104 = 8,31 . 104 Па.
Σς = ς ВХ + ς ВЫХ = 1,0 + 1,5 = 2,5.
Определим режим движения воды в барометрической трубе:

Re =1,01*1,5*10000,54*10-4= 535 000
λ = 0,013 (для гладких труб)
НБТ = 8,31*1041000*9,8 +(2,5+0,013+Нбт0,3)* (1,01)42*9,8+0,5=8,48+(2,5+0,043*Нбт)*0,052+0,5=
8,48+0,13+0,0022 Нбт+0,5
0,022 НБТ+9,11= НБТ
НБТ=9,110,9977=9,13м
РАСЧЁТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА.
Производительность вакуум-насоса LВ определяется количеством несконденсированного газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора.

LВ =2,5*10-5*(3,43+68,3)+0,01*3,43=36*10-3кг/с
где 2,5∙10-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;
0,01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через уплотнения на 1 кг паров.
Объёмная производительность вакуум-насоса
,
где R – универсальная газовая постоянная, Дж/кмоль К-(8310 Дж/кмоль К);
M в – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль (29 кг/кмоль);
t в – температура воздуха, ºС (20 ºС);
Р в – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
tК = 48,65 ºСТемпература воздуха рассчитывается по уравнению
tв = tн+4+0,1*( tк - tн)=20+4+0,1*(48,65-20)=24+2,8=26,8 ºС
Давление воздуха
 
Рв =0,15*9,8*104 – 0,039*9,8*104=1,09*104 Па

где Рп – давление сухого насыщенного пара при t в , Па.
При температуре воздуха 26,8ºС, Рп = 0,039*9,8*104Па.
Рв= (0,148-0,038)*9,8*104=0,11*9,8*104Па.
Тогда,
Vв=8310*273+27*36,10* 10-329*1,09*104 =89997,3316100=0,284м3/с=17,04 м3/мин
Зная объёмную производительность воздуха  Vв =17,04м3/мин и остаточное давление РБ по ГОСТ (см. Приложение 7) подбираем вакуум-насос типа ВВН – 25 с мощностью на валу вакуум-насоса N=48кВт.
Заключение
В данном курсовом проекте был рассмотрен процесс выпаривания трехкорпусной установки с естественной циркуляцией раствора NaOH и произведены расчеты основного оборудования, а также было подобрано вспомогательное из стандартного.
Согласно расчетам был подобран выпарной аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и солеотделением.
С помощью программы «КОМПАС-3DLT V12» выполнены схемы: общая схема технологического процесса и схема выпарного аппарата с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и солеотделением.
Номинальная поверхность теплообмена Fоб 160 м2Диаметр труб d 38x2 мм
Высота труб H 4000 мм
Диаметр греющей камеры dк 1200 мм
Диаметр сепаратора dс 2400 мм
Диаметр циркуляционной трубы dц 700 мм
Общая высота аппарата HА 16 000 мм
Масса аппарата MА 8800 кг
Произведен расчет производительности вакуум – насоса. Определение толщины тепловой изоляции. Осуществлен расчет и подбор конденсатора и барометрической трубы, а также емкостей.
Приложение №1

Шаг и размещение трубок греющих камер должны соответствовать размерам, указанным ниже.







Соотношение площадей сечения циркуляционных труб и труб греющей камеры должны быть: а) для аппаратов с кипением раствора в трубках грею-
щей камеры - от 0,3 до 0,6;
б) для аппаратов с вынесенной зоной кипения и аппаратов с принудительной циркуляцией – от 0,9 до 1,5.
Номинальные поверхности теплообмена FН должны выбираться из ряда: 10, 16, 25, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000, 2240, 2500, 2900, 3150 м2.
Диаметры обечаек греющих камер DН должны выбираться
из ряда: 325, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200 мм.
Диаметры сепараторов DС должны выбираться из ряда: 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1800, 2000, 2200, 2400, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4500, 5000, 6000, 6400, 7000, 8000 мм.
Диаметры циркуляционных труб DЦ должны выбираться из ряда: 159, 219, 273, 325, 400, 500, 600,700, 800, 1000, 1200, 1400,1600 мм
Приложение 2
Физические свойства некоторых водных растворов.
Поверхностное натяжение σ, плотность ρ, и вязкость μ некоторых водных растворов при различной концентрации и температуре раствора.

Приложение 3
Температурные депрессии водных растворов при атмосферном давлении

Приложение 4
Основные параметры барометрических конденсаторов.



Приложение 5
Вакуум-насосы типа ВВН

Список литературы
Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 2-е. М.: Химия, 2008.493с.
Вакуумные насосы. Каталог-справочник. М.:ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. 63 с.
Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975. 816с.
ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.
Калач Т. А., Радун Д. В. Выпарные станции. М.: Машгиз, 1963. 400 с.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973. 750с.
Кичигин М. А., Костенко Г. Н. Теплообменные аппараты н выпарные установки. М.: Госэнергоиздат, 1955. 392 с.
Лебедев П. Д., Щукин А. А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. М.: Энергия, 1970. 408 с.
Попов Н. П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений. М.: Химия, 1974. 126 с.
Таубман Е. И. Расчет н моделирование выпарных установок. М.: Химия,1970, 216 с.

Приложенные файлы

  • docx 9450753
    Размер файла: 647 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий