6 Розрахунок допоміжного апарату

6.1 Розрахунок холодильника упареного розчину

Для випарних установок рекомендованими є кожухотрубчаті теплообмінники для охолодження упареного розчину від t₁= 95,656⁰С до температури t₂= 25⁰С. Вода нагрівається від t₁= 20⁰С до t₂=80⁰С. Витрати упареного розчину G₂= 2 кг/с. Холодоагент подається в режимі протитечії. Вода подається у міжтрубний простір, концентрований 25% розчин натрій хлору – у трубний.

Визначаємо теплове навантаження:

(6.1)

де - теплоємність упареного розчину при середній температурі, Дж/(кгК) [2, рис.ХІ, с.544]

Знаходимо теплове навантаження з урахування втрат в навколишнє середовище (2-5 %), приймаю 3 %, тоді:

Визначимо середню різницю температур:

95,656→25

8020

Так як >2, то середня різниця температур визначається за формулою:

(6.2)

Витрати холодоагенту становлять:

(6.3)

Тоді:

(6.4)

Підставивши отримаємо:

кг/с

Визначимо орієнтовну поверхню теплообміну при орієнтовному коефіцієнті теплопередачі К_ор= 250 Вт/(кгК) [2, табл.4.8, с.169].

(6.5)

Виберемо два теплообмінники і будемо розраховувати їх паралельно і потім виберемо оптимальний варіант [1, табл.2.3, с.51]:

1 шестиходовий: D₁=800 мм; n₁=384; d_тр=252; S_м1=0,07 м²; S_т1=0,022 м²;

2 чотирьохходовий: D₂=800 мм; n₂=404; d_тр=252; S_м1=0,07 м²; S_т1=0,03 м².

Знайдемо критерії Рейнольдса і Прандля для 25% NaCl:

(6.6)

де - витрати упареного розчину, кг/с;

- діаметр труб, мм;

- кількість труб, шт.;

- кількість ходів;

- в’язкість 25% NaCl при середній температурі, Па∙с [10, с.171].

Підставивши значення отримаємо:

;

Критерій Прандтля:

(6.7)

де - коефіцієнт теплопровідності упареного розчину при середній температурі, Вт/(мК) [2,рис.X,с. 543].

Оскільки Re<10000, тому знайдемо ще критерій Грасгофа:

(6.8)

де - густина води при середній температурі, кг/м³ [3].

- коефіцієнт об’ємного розширення упареного розчину при середній температурі.

Знаймедо добуток критеріїв для вибору формули розрахунку критерія Нуссельта, а отже, і коефіцієнта тепловіддачі.

Оскільки, >8, тоді критерій Нуссельта розраховуємо за формулою [2,табл.4.4, с.153] і у відповідності з цим, знаходимо коефіцієнт тепловіддачі, Вт / (м²∙К):

(6.9)

де - коефіцієнт теплопровідності теплоносіяя при середній температурі, Вт/(м∙К);

- діаметр труб, мм;

- критерій Рейнольда для потоку упареного розчину;

- критерій Прандтля для потоку концентрованого розчину.

Вт / (м²∙К);

Вт / (м²∙К)

Знайдемо критерій Рейнольдса і Прандтля для холодоагенту:

(6.10)

де - витрати холодоагенту, кг/с;

- зовнішній діаметр труб, мм;

S – площа перетину між перегородками міжтрубного простору

[1, с.51,табл.2.3], м²;

- в’язкість води при середній температурі, Пас, [2, рис.Х, с.538].

;

Критерій Прандтля:

(6.11)

де - коефіцієнт теплопровідності холодоагенту при середній температурі, Вт/(мК), [2,рис.X,с. 543].

Тоді, знаходимо коефіцієнт тепловіддачі, Вт / (м²∙К):

(6.12)

Підставивши отримаємо:

Вт / (м²∙К);

Вт / (м²∙К)

Коефіцієнт теплопередачі рівний:

(6.13)

де , - коефіцієнти тепловіддачі для гарячого і холодного теплоносія відповідно, Вт/(м²∙К);

- теплопровідність матеріалу стінки, Вт/(м∙К);

- товщина стінки, мм.

;

Необхідна поверхня теплообміну складає:

(6.14)

м²

м²

Приймаємо із ряду: шестиходовий теплообмінник з площею S=271 м² та довжиною труб L=9м; чотирьохходовий - S=285 м² та L=9м.

Запас поверхні теплообміну при цьому становить, %

(6.15)

де - дійсна поверхня теплообміну холодильника, м².

;

Маса теплообмінників [1, табл.2.8, с. 56] становить М_1,2 = 7480 кг.

Щоб розрахувати гідравлічний опір в трубному просторі спочатку визначимо швидкість концентрованого розчину в трубах за формулою:

(6.16)

де - площа перетину одного ходу по трубам, м²;

- густина упареного розчину при середній температурі, кг/м³.

;

Коефіцієнт тертя розраховуємо за формулою:

(6.17)

де - відносна шороховатість труб;

- висота виступів шороховатостей, мм.

;

Швидкість упареного розчину в штуцерах визначаємо за формулою:

(6.18)

де - діаметр штуцерів в розподільчій камері, м, [1, с. 55, табл. 2.6];

;

Розрахуємо гідравлічний опір у трубному просторі:

(6.19)

Підставивши отримаємо:

Число рядів труб, що омиваються потоком в міжтрубному просторі, , Число сегментних перегородок [1, табл. 2.7, с.56]. Діаметр штуцерів до кожуху , швидкість потоку в штуцерах води:

(6.20)

де -густина води при середній температурі, кг/м³.

Підставивши отримаємо:

;

(6.21)

;

Гідравлічний опір у міжтрубному просторі знайдемо за формулою:

(6.22)

Тоді:

;

Приймемо другий варіант теплообмінника (чотирьохходовий) тому, що перший (шестиходовий) має більший запас поверхні теплообміну при однаковій масі, та більший гідравлічний опір у трубному та міжтрубному просторі.

6.2 Розрахунок барометричного конденсатора

Для створення вакууму у випарних установках зазвичай застосовують конденсатори змішування з барометричною трубою. В якості охолоджуючого агента використовують воду, яка подається в конденсатор зазвичай при температурі оточуючого середовища (близько 20 ⁰С). Суміш охолоджуючої води і конденсату виливається із конденсатора по барометричній трубі. Для підтримання постійного вакуму в системі із конденсатора за допомогою вакуум – насоса відкачують несконденсовані гази.

Необхідно розрахувати витрати охолоджючої води, основні розміри (діаметр і висоту) барометричного конденсатора і барометричної труби [1].

Витрати охолоджуючої води

Витрати охолоджуючої води знаходять із теплового балансу конденсатору:

, (6.23)

де I_бк – ентальпія парів в барометричному конденсаті, Дж/кг;

t_н – початкова температура охолоджуючої води, ⁰С;

t_к – кінцева температура суміші води і конденсату, ⁰С.

Різниця температур між паром та рідиною на виході із конденсатора повинна бути 3-5 ºС. Тому кінцеву температуру води t_к на виході із конденсатора приймаємо на 3 ºС нижче температури концентрації парів:

, (6.24)

ºС

Витрати охолоджуючої води розраховуємо за формулою (6.23):

кг/с

Діаметр конденсатора

Діаметр барометричного конденсатора d_бк розраховуємо за формулою :

, (6.25)

де ρ – густина парів, кг/м³;

v – швидкість парів, м/с.

Приймаємо при залишковому тиску в конденсаторі приблизно 10⁴ Па швидкість парів 20м/с.

м.

За нормами НИИХИММАШа вибираємо барометричний конденсатор діаметром, рівним розрахунковому при найближчому більшому табличному значенні. Вибираємо його основні розміри. Вибираю барометричний конденсатор d_бк = 800 мм [1, дод.4.6, с.187].

Висота барометричної труби

В відповідності з нормами внутрішній діаметр барометричної труби рівний 200мм. Швидкість води в барометричній трубі розраховуємо за формулою:

,

де ρ_в – густина води, кг/м³.

кг/с

Висоту барометричної труби розраховуємо за формулою:

, (6.26)

де В – вакуум в барометричному конденсаторі, Па;

∑ζ – сума коефіцієнтів місцевих опорів;

λ - коефіцієнт тертя в барометричній трубі;

0,5 – запас висоти на можливу зміну барометричного тиску, м.

Вакуум в барометричному конденсаторі розраховуємо за формулою:

, (6.27)

Па,

Сума коефіцієнтів місцевих опорів розраховуємо за формулою:

, (6.28)

де ζ_вх, ξ_вих – коефіцієнти місцевих опорів на вході в трубу і на виході з неї.

Коефіцієнт тертя в барометричній трубі залежить від режиму течії рідини. Знаходимо режим течії води в барометричній трубі за формулою:

, (6.29)

де μ_в – в’язкість води, Па·с.

Для гладких труб при Re= коефіцієнт тертя λ=0,0268 [2, рис.1.5, с.19]

Висоту барометричної труби розраховуємо за формулою (6.25):

Н_бт=8,8 м.

ВИСНОВКИ

Суть процесу випаровування полягає в перетворенні частини рідини (розчинника) в пару при згущенні розчинів або в перетворенні всієї рідини в пару, якщо випарюють однокомпонентну систему (воду).

Основним призначенням випарної установки є згущення розчину до потрібної концентрації.

В курсовому проекті спроектовано трикорпусну випарну установку для упарювання розчину NаCl від 10% до 25% масових у випарних апаратах з винесеною гріючою камерою і зоною кипіння. Були визначені матеріальні та теплові потоки цього процесу.

Розглянуто основні фізико-хімічні закономірності процесу випарювання. Обрано тип і конструкцію випарного апарату.

Розраховано основні конструкційні розміри випарного апарату:

Номінальна поверхня теплообміну F_н 250 м²

Діаметр труб d 38×2 мм

Висота труб H 4000 мм

Діаметр граючої камери d_k 1400 мм

Діаметр сепаратору d_c 3200 мм

Діаметр циркуляционної труби d_н 900 мм

Загальна висота апарата Н_а 14500 мм

Маса апарата М_а 15000 кг

Розраховане та підібране допоміжне обладнання: барометричного конденсатора та холодильника упареного розчину.

Основні конструкційні розміри чотирьохходового холодильника: D₁=800 мм; n₁=404; d_тр=252; L₁=9 м; S₁=285 м²; S_м1=0,07 м²; S_т1=0,03 м², М = 7480 кг.

Основні конструкційні розміри барометричного конденсатора: d_бк=800 мм, d_бт=200 мм, H_бт=8800мм.

Перелік посилань

1 Дытнерский Ю.И. Борисов С.Г., Брыков В.П. и др. Основные процессы и апараты химической технологии Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд.,перераб. и дополн. М.: Химия, 1991.- 496 с.

2 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987.-576с.

3 Справочник химика . М. – Л.: Химия , Т ІІІ,1962. 1006с. Т. V, 1966. 974с.

4 ГОСТ 11987 – 81 . Аппараты выпарные трубчатые.

5 Чорнобильський Й.І. Випарні установки . Основи теорії і розрахунку. Київ «Вища школа», 1970. – 241с.

6 Касаткин А. Г. Основне процессы и аппараты химической технологи. Изд. 9-е. М.:Химия, 1973. 750с.

7 Попов Н.П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений. Л.: Химия, 1974 – 450 с.

8 Каталог УКРНИИХИММАШа Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ,1979. 38 с.

9 Майоров В.В. Таблицы и формулы теплофизических свойств воздуха, воды и водяных растворов некоторых неорганических и органических веществ. – Воронеж: ВПИ, 1980.

10 Зайцев И. Д, Асеев Г. Г. Физико-химические свойства бинарных и много компонентных растворов неорганических веществ. Справ. изд. – М.: Химия, 1988 – 416 с.

11 Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. М. : Энергия 1972.

12 Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий. – Под ред. Б.Н. Голубкова. – М.: Энергия, 1979.