Проектирование выпарной установки для выпаривания 3% водного раствора нитрата калия

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(Технический университет)

Курсовой проект

Учебная дисциплина:

Процессы и аппараты химической технологии

ТЕМА:

Проектирование выпарной установки для выпаривания 3% водного раствора нитрата калия

Студент: Шумилкина Т.А.

Руководитель: Флисюк О.М.

Санкт-Петербург 2010 г.

Задание по курсовому проектированию № 5В

Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания водного раствора нитрата калия.

Основные исходные данные

1. Аппарат с кипением в трубах и естественной циркуляцией раствора.

2. Производительность по начальному раствору 10 т/ч

3. Содержание растворенного вещества

Начальное 3% масс.

Конечное 11% масс.

4. Вакуум в конденсаторе 0,5 атм.

5. Температура раствора:

Начальная 20

Конечная 15

1. Абсолютное давление греющего пара 2 атм

Температура охлаждающей воды 10

Выполнить

1. Технологический расчет установки.

2. Полный тепловой расчет и вычертить подогреватель начального раствора.

3. Приближенный расчет остальных аппаратов.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Аналитический обзор

. Технологическая часть

. Инженерные расчеты

.1 Материальный баланс процесса выпаривания

.2 Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы

.3 Тепловой баланс выпарного аппарата

.3.1 Расход теплоты на выпаривание

.3.2 Определение расхода греющего пара

.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата

3.5 Полный тепловой расчет подогревателя начального раствора

.5.1 Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева раствора перед подачей в выпарной аппарат

3.5.2 Подробный расчет теплообменного аппарата

3.5.3 Выбор типа аппарата

.6 Расчет барометрического конденсатора

.7 Расчет производительности вакуум - насоса

.8 Приближенный расчет холодильника

.9 Определение расходов греющего пара и воды на всю установку

Выводы по проекту

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе стоит задача спроектировать установку для выпаривания раствора сульфата магния.

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), 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 целях.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температурах кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной , естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. В этом аппарате циркуляция раствора осуществляется за счет различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

В таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

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). Применение вакуума дает возможность проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрировании растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Также 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 так же 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. Такой способ выпаривания позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Этот способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, 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.

Простейшими выпарными аппаратами со свободной циркуляцией раствора являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы под атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом. Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этих аппаратов очень невелики. Значительно большей поверхностью нагрева в единице объема обладают змеевиковые выпарные аппараты. Выпарные аппараты со свободной циркуляцией раствора в настоящее время вытеснены в большинстве производств выпарными аппаратами более совершенных конструкций, в частности вертикальными трубчатыми аппаратами.

В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при много кратной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

В аппаратах с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

В аппаратах с подвесной нагревательной камерой кольцевой канал имеет большое поперечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное воздействие на циркуляцию раствора. Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной нагревательной камерой ( как и в аппаратах с центральной циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка, которых приводит к частым и длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей.

Конструкции аппаратов с выносными циркуляционными трубами несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1  поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

Аппарат в выносной нагревательной камерой работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи. В этих аппаратах значительно снижается брызгоунос, достигается большая скорость циркуляции раствора, что приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применятся для выпаривания кристаллизирующихся растворов умеренной вязкости.

Принципиальное отличие прямоточных аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. В таких аппаратах достигается снижение температурных потерь, обусловленных гидростатической дисперсией.

В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации, вследствие вращающихся частей (ротора).

В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования. Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание протекает при малых полезных разностях температур, не превышающих 3-5 К и при значительных вязкостях растворов.

В выпарных аппаратах с тепловым насосом, с помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в нагревательную камеру того же аппарата. В отдельных случаях выпарные аппараты с тепловым насосом могут конкурировать с многокорпусными выпарными установками.(/2/)

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор нитрата калия под вакуумом.

Исходный раствор нитрата калия с начальной концентрацией  масс. долей из емкости Е1 подается центробежным насосом Н2 в теплообменник АТ1, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения , а затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата 4. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. Выпариваемый раствор, двигаясь в греющей камере по трубам, нагревается и кипит при средней температуре  с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений. В выпарном аппарате давление и температура . В барометрическом конденсаторе вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар - снизу, вода - сверху). Давление в барометрическом конденсаторе .Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком при гидрометрической трубе с гидрозатвором.

Концентрированный раствор нитрата калия с концентрацией %масс. после выпарного аппарата подается в двухходовой холодильник AT3, где охлаждается до температуры . Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор с помощью центробежного насоса Н2 подается в емкость упаренного раствора.

3. ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ

.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛЛАНС ПРОЦЕССА ВЫПАРИВАНИЯ

Основные уравнения материального баланса:

 (3.1)

 (3.2)

где , - соответственно массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

, - соответственно массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;- массовый расход выпариваемой воды, кг/с.

Решая совместно уравнения 3.1 и 3.2 получаем:

;

Материальный баланс выпаривания

Таблица 3.1

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР И ДАВЛЕНИЙ В УЗЛОВЫХ ТОЧКАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Температура в барометрическом конденсаторе :

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим, что при .

Температура в сепараторе :

;

.

По [1, табл. LVI] находим давление вторичного пара в сепараторе  при температуре :

.

;

Принимаем при Р=1атм и =11% =1К (/2/ ,прил.4.5 ,стр.187)

=81,9+1=82,9

Температура кипения раствора в сепараторе выпарного аппарата, при которой конечный раствор выводится из аппарата  определяется по формуле:

; (3.3)

где , , - давление, Па.

Гидростатическое давление  в середине высоты труб при  определяем по формуле:

 (3.4)

Оптимальная высота уровня по водомерному стеклу определяем по формуле:

 (3.5)

где и - соответственно плотности раствора конечной концентрации и воды при средней температуре кипения , . Так как  не известно, то принимаем .- рабочая высота труб, принимаем  Плотность воды можно рассчитываем по формуле:

 (3.6)

.

Плотность раствора  определяем по формуле:

 (3.7)

где , , .

Откуда

Подставляя найденные значения и  в формулу 3.5 получаем:

.

Давление греющего пара:

По,  находим по (/1/, табл. LVII, стр. 549) температуру греющего пара :

.

Находим значение гидростатической депрессии :

.

Находим сумму температурных потерь:

 (3.8)

где - температурная депрессия, К;

- гидростатическая депрессия, К.

- гидравлическая депрессия, К.

Принимаем = 1 К.

Находим среднюю температуру кипения:

Находим общую разность температур:

Находим значение полезной разности температур :

.

Начальную температуру раствора принимаем равной .

Температурный режим работы выпарной установки

Узловые точки технологической схемы              Температура, Давление,

3.3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВЫПАРНОГО АППАРАТА

3.3.1 Расход теплоты на выпаривание

Тепловая нагрузка  выпарного аппарата равна:

, (3.9)

где  - расход теплоты на нагревание раствора, кВт; - расход теплоты на испарение влаги кВт; - теплота дегидратации. Обычно, эта величина мала по сравнению с другими статьями теплового баланса и ею можно пренебречь;- расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду.

Расход теплоты на нагревание раствора , определяется по формуле:

, (3.10)

где - теплоемкость разбавленного раствора, определяется по формуле:

 (3.11)

где , , , , - удельная теплоемкость воды, определяется по формуле:

 (3.12)

где - температура воды,

.

Тогда по формуле 3.11  будет равна:

и по формуле 3.10 получим:

.

Расход теплоты на испарение определяется по формуле:

 (3.13)

где - энтальпия вторичного пара,  при температуре .

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим :

.

Теплоемкость воды по формуле 3.12 при температуре  будет равна:

,

тогда по формуле 3.13 находим расход теплоты на испарение:

.

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду  ,при расчете выпарных аппаратов принимают 3-5% от суммы . Таким образом,  равняется:

.

Следовательно, количество теплоты, передаваемой от греющего пара к кипящему раствору, по формуле 3.9 равняется:

.

3.3.2 Определение расхода греющего пара

Расход греющего пара  (в кг/с) в выпарном аппарате определяем по уравнению:

, (3.14)

где - паросодержание (степень сухости) греющего пара; - удельная теплота конденсации греющего пара, . Из (/1/, табл. LVII, стр. 550) находим для температуры ,

.

И получаем:

.

Удельный расход греющего пара:

установка выпаривание нитрат калий

Выпарная установка работает при кипении раствора в трубах при оптимальном уровне. При расчете выпарного аппарата мы приняли высоту труб . При расчете установки мы приняли: тепловая нагрузка ; средняя температура кипения раствора нитрата калия ; температура конденсации сухого насыщенного водяного пара . Для кипящего раствора коэффициент теплопроводности раствора сульфата магния мы рассчитываем по формуле:

, (3.15)

где , - коэффициент теплопроводности воды, :

 , (3.16)

.

Тогда по формуле получаем:

Средняя разность температур:

Принимаем ориентировочный коэффициент теплопередачи:

 (/1/, табл. 4.8 стр. 172)

Ориентировочная площадь поверхности теплопередачи:

.

По (/3/ Таблице 2.2 стр. 16) принимаем аппарат Тип 1, Исполнение 2, группа А (С выносной греющей камерой и кипением в трубах), с площадью поверхности теплопередачи 200(действительная), Трубы 38 х 2 мм, длинной Н = 4000 мм , т.е. с запасом .

3.5 ПОЛНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ НАЧАЛЬНОГО РАСТВОРА

.5.1 Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева раствора перед подачей в выпарной аппарат

Таблица 3.4 Основные данные для расчета подогревателя

Температурная схема процесса:

Рис. 3.2 Характер изменения температур теплоносителей

Значение усредненной по всей теплообменной поверхности разности температур рассчитывается по формуле:

; (3.17)

при этом

;

.

Получаем

.

Средняя температура раствора :

,

где - среднее арифметическое значение температуры теплоносителя, которое изменяется на меньшую величину (в данном случае температура конденсации греющего пара);

.

Расход раствора :

.

Расход теплоты на нагрев раствора:

, (3.18)

где - удельная теплоемкость раствора, рассчитанная по формуле 2.11, при  и % масс.

По формуле 3.12 удельная теплоемкость воды при  равна:

.

Тогда по формуле 3.11 получаем:

Расход теплоты на нагрев раствора по формуле 3.18 равен:

.

Расход греющего пара:

Принимая по (/1/, табл. 4.8 стр. 172) ориентировочный коэффициент теплопередачи , (аппарат со свободной циркуляцией, передача тепла от конденсирующегося пара к воде), рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи:

.

Проходное сечение  трубного пространства рассчитываем по формуле:

 , (3.19)

где - внутренний диаметр труб; - динамический коэффициент вязкости начального раствора при средней температуре ; Re - критерий Рейнольдса.

По приложению1 при  для воды получаем:

,

а по формуле для раствора находим:

,

Для обеспечения интенсивного теплообмена подбираем аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Раствор направляется в трубное пространство, греющий пар - в межтрубное.

Максимальное проходное сечение считаем при критерии Рейнольдса :

,

В то же время проходное сечение можно посчитать по следующей формуле:

Тогда число труб рассчитываем по формуле:

=/S=0,0104/0,00035=29 труб

По полученному оценочному значению поверхности теплопередачи с учетом числа труб n , в качестве подогревателей, мы выбираем по (/3/ табл. 1.2 стр. 6) кожухотрубчатые одноходовые теплообменники, с внешним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением  и числом рядов труб , расположенных в шахматном порядке, в количестве 5 штук.

3.5.2 Подробный расчет теплообменного аппарата

Теплоотдача в трубах

По (/1/, табл. 4.1, стр. 151) находим, что теплоотдача для раствора  описывается уравнением:

, (3.20)

где - критерий Нуссельта; - поправочный коэффициент; Re - критерий Рейнольдса; Pr - критерий Прандтля; - критерий Прандтля при температуре стенки трубы.

Коэффициент  примем равным 1, полагая, что  (/1/, табл. 4.3, стр. 153), где - длина труб, - эквивалентный диаметр. Критерий Рейнольдса рассчитываем по формуле:

, (3.21)

где - средняя скорость потока,  и - соответственно плотность раствора и динамический коэффициент вязкости, при средней температуре .

По формуле 3.7 плотность раствора при  и % масс равняется:

,

.

Среднюю скорость потока определяем по формуле:

Учитывая, что для труб круглого сечения диаметр труб и эквивалентный диаметр совпадают, то для труб получаем:

.

Критерий Прандтля находим по формуле:

, (3.22)

где - удельная теплоемкость, ; - коэффициент теплопроводности, ; - динамический коэффициент вязкости, .

Коэффициент теплопроводности при  и % масс. по формуле равняется:

,

.

Таким образом, критерий Pr при  и  равняется:

Коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:

.

С учетом формулы 3.20 получаем:

,

. (3.23)

Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара

,

где - поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали; - наружный диаметр труб; =7240 (взято из /1/, табл.4.6, стр. 162 при температуре конденсации греющего пара); - разность средней температуры конденсации греющего пара  и температуры стенки со стороны греющего пара :

.

Поправочный множитель  находим по (/1/, рис. 4.7, стр. 162) для шахматного расположения труби при числе рядов труб по вертикали :

.

Имеем:

. (3.24)

Расчет коэффициента теплопередачи

I.       Первое приближение.

Принимаем в первом приближении . Тогда температура стенки со стороны греющего пара равняется:

.

Тогда по формуле (3.24) получаем:

.

При этом удельный тепловой поток от пара к стенке равен:

.

Сумма термических сопротивлений равна:

,

где - соответственно термические сопротивления загрязнений со стороны греющего пара, стенки и со стороны раствора.

По (/1/, табл. XXXI, стр. 531) находим:

,

.

Для стенки:

,

где - толщина стенки, - коэффициент теплопроводности стали (/1/, табл. XXVIII, стр. 529).

,

.

Поскольку удельный тепловой поток от пара к стенке  равен удельному тепловому потоку через стенку , то можно получить:

,

при этом  - температура стенки со стороны раствора равна:

,

.

При температуре  удельная теплоемкость, динамический коэффициент вязкости и коэффициент теплопроводности, вычисленные, соответственно, по формулам в приложении 1 равны:

,

,

;

,

.

Подставляя найденные значения в формулу 3.22, получаем значение критерия Прандтля при температуре стенки:

.

По формуле 3.24 находим в коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:

.

Тогда удельный тепловой поток от стенки к раствору равняется:

,

где  - вычисленная ранее средняя температура раствора.

.

Расхождение между  и  в первом приближении составляет

.

II.      Второе приближение.

Принимаем .

Расхождение по второму приближению:

.

По результатам расчетов первого и второго приближения строим график . Полагая что при малых изменениях температуры, поверхностные плотности  и  линейно зависят от , графически определяем  (рис. 3.3, точка А).

Графическая зависимость Проверочный расчет.

Расчеты аналогичны расчетам первого приближения

Расхождение  и :

Коэффициент теплопередачи равен:

.

Поверхность теплообмена:

Так как , то истинную поверхность теплообменника рассчитывают по формуле:

,

где - внутренний диаметр труб, - число труб,  - длина труб.

.

Запас поверхности:

.

3.5.3 Выбор типа аппарата

Поверхностная плотность теплового потока:

,

Определение температуры внутренней поверхности труб :

;

.

Определение температуры наружной поверхности труб:

;

.

Средняя температура стенок труб:

.

Средняя разность:

.

Величина  меньше 30 К (/1/, табл. 35, стр. 534), поэтому (/1/, стр. 213) принимаем кожухотрубчатый горизонтальный теплообменник с неподвижными трубными решетками типа ТНГ.

3.6 РАСЧЕТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА

Расход охлаждающей воды  определяют из теплового баланса конденсатора:

,

где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; - начальная температура охлаждающей воды, ; - конечная температура смеси воды и конденсата, ; - расход вторичного пара (см. табл. 1), кг/с; - теплоемкость воды, .

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) 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 .

.

По расходу вторичного пара по (/3/, табл. 3.3, стр. 17) выбираем барометрический конденсатор смешения, диаметром , с диаметрои труб.

Высота трубы:

, (3.25)

где 0,5 - запас высоты на возможное изменения барометрического давления, м., - сумма коэффициентов местных сопротивлений; - коэффициент трения.

Принимаем  (/4/, стр. 365).=

Находим критерий Рейнольдса:

,

где - динамический коэффициент вязкости воды, при температуре ,

По формуле получаем:

.

Рассчитываем скорость смеси воды и парового конденсата :

.

По (/1/, табл. XII, стр. 519) принимаем среднее значение шероховатости стенки трубы , тогда отношение .

По (/1/, рис. 1.5, стр. 22) находим, что при таких Re и  коэффициент трения равняется .

Подставляя найденные значения в формулу 3.25 получаем:

,

откуда

5,52м.

Выбираем барометрический конденсатор диаметром , 2-у ходовый, с высотой труб 5,52м.

3.7 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА

Производительность вакуум-насоса  определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

,

где - количество газа. Выделяющегося из 1 кг воды; 0,01- количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда

.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

,

где - универсальная газовая постоянная R = 8,314 ; - молекулярная масса воздуха M = 29 кг/кмоль; - температура воздуха, ; - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

.

Давление воздуха равно:

,

где - давление сухого насыщенного пара (Па) при .

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) . Подставив, получим:

;

.

Зная объемную производительность  и остаточное давление  по (/3/, табл. 2.5, стр. 19) выбираем вакуум-насос типа ВВН1-3 мощностью на валу 4,95 кВт.

3.8 ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ ХОЛОДИЛЬНИКА

Таблица 3.6 Основные данные для расчета холодильника

Температурная схема процесса:

Рис. 3.4 Характер изменения температур вдоль поверхности теплопередачи

Значение усредненной по всей теплообменной поверхности разности температур рассчитывается по формуле:

;

;

;

Получаем

.

Средняя температура раствора:

,

Где

;

.

Расход раствора:

.

Количество теплоты, которое необходимо забрать у раствора:

,

где - удельная теплоемкость раствора, рассчитанная по формуле 3.11 при  и % масс.

По формуле 3.12 удельная температура воды при  равна:

.

Тогда по формуле 3.11:

 , получаем:

.

Расход воды:

,

где - теплоемкость воды при средней температуре . По формуле 3.12 находим:

.

Тогда

.

Принимая по (/1/, табл. 4.8 стр. 172) ориентировочный коэффициент теплопередачи , рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи:

.

Полученное оценочное значение поверхности теплопередачи  позволяет сделать вывод о том, что в качестве холодильника может быть использован кожухотрубчатый двухходовой теплообменник с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением трубного пространства , проходным сечением межтрубного пространства и числом рядов труб ( по (/3/ табл. 1.2 стр. 6))

3.9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ГРЕЮЩЕГО ПАРА И ВОДЫ НА ВСЮ УСТАНОВКУ

Расход греющего пара:

,

где - расход пара на подогрев раствора, - расход пара на выпаривание.

Расход воды:

,

где - расход воды в барометрическом конденсаторе, - расход воды в холодильнике.

ВЫВОДЫ ПО ПРОЕКТУ

В данной курсовой работе представлен процесс выпаривания раствора сульфата магния.

В результате приведенных выше расчетов были выбраны следующие аппараты:

выпарной аппарат: тип 1 исполнение 2 группа А - выпарной аппарат с выносной греющей камерой и кипением в трубах с площадью поверхности теплопередачи 200;

Для подогрева мы выбираем: 5 кожухотрубчатых одноходовых теплообменников, с внешним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением  и числом рядов труб , расположенных в шахматном порядке.

барометрический конденсатор диаметром  с высотой трубы 4,52м. (/5/, табл. 2.7 стр. 26).

·   вакуум насос типа ВВН1-3 мощностью N=4,95 кВт

холодильник: кожухотрубчатый двухходовой теплообменник с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением трубного пространства , проходным сечением межтрубного пространства и числом рядов труб .

Расход греющего пара на всю установку: .

Расход воды на всю установку: .

Среда раствора нитрата калия относится к слабоагрессивным средам, поэтому в качестве основного конструкционного материала для всех аппаратов применима сталь Ст3кп.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.       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. - 576 с.

.         Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И./Под редакцией Дытнерского Ю. И., 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1991. - 496с

.         Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. - Л.: 1989. - 40 с.

.         Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 8-е изд., М.: Химия, 1971. - 784 с.

.         Методическое пособие №705