Трехкорпусная выпарная установка для концентрирования водного раствора
Введение
В химической и смежных с ней отраслях жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требовании к условиям проведения процесса, а также к конструкциям выпарных аппаратов.
Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.
В трехкорпусной выпарной установке исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается теплообменник (где нагревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем - в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.
Первый корпус подогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора. Поступившего из второго корпуса.
Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смещения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом).смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость упаренного раствора.
Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.
Задание на проектирование. Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования Gн = 8.611 кг/с водного раствора KOH от начальной концентрации хн = 8 % до конечной хк = 40% при следующих условиях:
- обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Pг1 = 0,65 МПа;
- давление в барометрическом конденсаторе Рбк = 0,015 МПа;
- взаимное направление пара и раствора – прямоток;
- раствор поступает в первый корпус при температуре t=20 оС.
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, I – энтальпия жидкости и пара кДж/кг;
К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2· К);
Р – давление, МПа;
Q – тепловая нагрузка, кВт;
q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;
r – теплота парообразования, кДж/кг;
t, Т – температура, град.;
w, W – производительность по испаряемой воде, кг/с;
х – концентрация, % (масс.);
– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2· К);
– теплопроводность, Вт/(м· К);
– вязкость, Па· с;
– плотность, кг/м3;
– поверхностное натяжение, Н/м;
Re – критерий Рейнольдса;
Nu – критерий Нуссельта;
Pr – 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 – среднее значение;
ст – стенка.
1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:
F = Q/(Ktп). (1.1)
Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур tп необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.
Первое приближение
Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:
W = Gн (1-xн/хк) = 8.611 · (1 – 10/40) = 6,46 кг/с. (1.2)
1.1 Концентрации упариваемого раствора
Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением
w1 : w2 : w3 = 1,0 : 1,1 : 1,2
Тогда
w1 = 1,0W/(1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,0 · 6.46/3,3 = 1,96 кг/с;
w2 = 1,1 · 6.46/3,3 = 2,15 кг/с;
w3 = 1,2 · 6.46/3,3 = 2,35 кг/с.
Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:
х1 = Gнxн/(Gн – w1) = 2 · 0,1/(6,46 – 1,96) = 0,1294 или 12,94 %;
х2 = Gнxн/(Gн – w1 – w2) = 2 · 0,1/(6,46 – 1,96 – 2,15) = 0,1913 или 19,13 %;
х3 = Gнxн/(Gн – w1 – w2 – w3) = 2 · 0,1/(6,46– 1,96 – 2,15 – 2,35) = 0,40 или 40 %.
1.2 Температуры кипения растворов
Общий перепад давлений в установке равен:
Роб = Рг1 – Рбк = 650 000 - 15 000 = 635 000 Па.
В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:
Рг2 = Рг1 - Роб/3 = 650 000 – 635 000 /3 = 440 000 Па;
Рг3 = Рг2 - Роб/3 = 440 000 – 635 000 /3 = 227 000 Па.
Давление пара в барометрическом конденсаторе
Рбк = Рг3 - Роб/3 = 227 000 – 635 000 /3 = 20 000 Па,
что соответсвует заданному значению Рбк.
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:
|
Р, Па
|
t, oC
|
I, кДж/кг
|
|
Рг1 = 650 000
|
tг1 = 161,15
|
I1 = 2759,5
|
|
Рг2 = 440 000
|
tг2 = 136,02
|
I2 = 2741,8
|
|
Рг3 = 227 000
|
tг3 = 123,06
|
I3 = 2710,68
|
|
Рбк = 20 000
|
tбк = 53,88
|
Iбк = 2598,43
|
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.
Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в следующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (’ ), гидростатической (” ) и гидродинамической (’’’ ) депрессий ( = ’ + ” + ’’’ ).
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса ’’’ = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:
tвп1 = tг2 + 1’’’ = 161,15 + 1,0 = 137,02 оС;
tвп2 = tг3 + 2’’’ = 136,02+ 1,0 = 124,06 оС;
tвп3 = tбк + 3’’’ = 53,88+ 1,0 = 54,88 оС.
Сумма гидродинамических депрессий:
’’’ = 1’’’ + 2’’’ + 3’’’ = 1,0 + 1,0 + 1,0 = 3 оС.
По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно:
Рвп1 = 345 000 Па;
Рвп2 = 204 000 Па;
Рвп3 = 15 700 Па.
Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Рср каждого корпуса определяется по уравнению
Рср = Рвп + g H (1 – )/2. (1.3)
где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м;
– плотность кипящего раствора, кг/м3;
– паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3/м3.
Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. Примем удельную тепловую нагрузку аппарата (q) равной 40 000 Вт/м3. тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:
,
где r1 – теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.
По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией с сосной греющей камерой (тип 1, исполнение 1) состоят из кипятильных труб высотой 3 и 4 м при диаметре dн = 38 мм и толщине стенки ст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.
Примем паронаполнение () равным 0,5. плотность водных растворов, в том числе раствора NH4Cl, при температуре 20 оС и соответствующих концентрациях в корпусах равна:
1 = 1118 кг/м3;
2 = 1077 кг/м3;
3 = 1395 кг/м3.
При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 оС до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения .
Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:
Р1ср = Рвп1 + 1 g H(1 – )/2 = 345 000 + 4 1118 9,8 (1-0,5)/2 = 356 000 Па;
Р2ср = Рвп2 + 2 g H(1 – )/2 = 204 000 + 4 1077 9,8 (1-0,5)/2 = 215 000 Па;
Р3ср = Рвп3 + 3 g H(1 – )/2 = 15 700 + 4 1395 9,8 (1-0,5)/2 = 29 000 Па.
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:
|
Р, МПа
|
t, oC
|
r, кДж/кг
|
|
Р1ср = 0,356
|
t1ср = 150,26
|
rвп1 = 2125,8
|
|
Р2ср = 0,215
|
t2ср = 124,53
|
rвп2 = 2176,3
|
|
Р3ср = 0,029
|
t3ср = 66,56
|
rвп3 = 2337,8
|
Определим гидростатическую депрессию по корпусам:
1’’ = t1ср – tвп1 = 150,26 - 137,02 = 13,24 оС;
2’’ = t2ср – tвп2 = 124,53 - 124,06= 0,47 оС;
3’’ = t3ср – tвп3 = 66,56 - 54,88 =11,68 оС.
Сумма гидростатических депрессий
’’ = 1’’ + 2’’ + 3’’ = 13,24 + 0,47 + 11,68 = 25,39 оС.
Температурную депрессию определим по уравнению
’ = 1,62 10-2 ’атм Т2/rвп, (1.4)
где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;
’атм – температурная депрессия при атмосферном давлении.
Находим значение ’ по копусам:
’1 = 1,62 10-2 (150,26+ 273,0)2 3,34/2125,8 = 6,15 оС;
’2 = 1,62 10-2 (124,53+ 273,0)2 5,62/2176,3 = 6,32 оС;
’3 = 1,62 10-2 (66,56+ 273,0)2 23,6/2337,8 = 18,87 оС.
Сумма температурных депрессий
’ = 1’ + 2’ + 3’ = 6,15+6,32+18,87= 31,34 оС.
Температуры кипения растворов в корпусах равны:
tк1 = tг2 + 1’ + 1’’ + 1’’’ = 136,02 + 6,15+13,24+1,0 = 156,41 оС;
tк2 = tг3 + 2’ + 2’’ + 2’’’ = 123,06 + 6,35 + 0,47 + 1,0 = 130,85 оС;
tк3 = tбк + 3’ + 3’’ + 3’’’ = 53,88 + 18,87 + 11,68 + 1,0 = 85,43 оС.
1.3 Полезная разность температур
Общая полезная разность температур равна
tп = tп1 + tп2 + tп3.
Полезные разности температур по корпусам равны:
tп1 = tг1 – tк1 = 161,15 – 156,41 = 4,74 оС;
tп2 = tг2 – tк2 = 136,02 -130,85= 5,17 оС;
tп3 = tг3 – tк3 = 123,06 -85,43= 37,63 оС.
Тогда общая полезная разность температур
tп = 4,74+5,17+37,63=47,54 оС.
Проверим общую полезную разницу температур:
tп = tг1 – tбк – (’ + ’’ + ’’’) = 161,15 – 53,88 – (31,34+25,39+3) = 47,54 оС.
1.4 Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путём совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:
(5)
(6)
(7)
(8)
где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; с1, с2 – теплоёмкости растворов соответственно в первом и во втором корпусах, кДж/(кг·К)[4]; Q1конц, Q2конц, Q3конц, - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tн – температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; tн = tвп1 + `н = 137,02 + 1,0 = 138,02 оС (где `н – температурная депрессия для исходного раствора); принимаем, что Iвп1 Iг2; Iвп2 Iг3; Iвп3 Iбк;
Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поскольку Q3конц составляет меньше 3% от Q3ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Qконц.
Получим систему уравнений:
Решение этой системы уравнений даёт следующие результаты:
D = 2,31 кг/с; w1 = 1,94 кг/с; w2 = 2,15 кг/с; w3 = 2,37 кг/с
Q1 = 4797 кВт; Q2 = 4119 кВт; Q3 = 4701 кВт
Таблица 3 – Результаты расчетов
|
Параметр
|
1 корпус
|
2 корпус
|
3 корпус
|
|
Производительность по испаряемой воде, , кг/с
|
1,96
|
2,15
|
2,35
|
|
Концентрация растворов, х, %
|
12,94
|
19,13
|
40
|
|
Давление греющих паров Рг, МПа
|
0,65
|
0,44
|
0,227
|
|
Температура греющих паров tг,оС
|
161,15
|
136,02
|
123,06
|
|
Температура кипения растворов, оС
|
156,26
|
124,53
|
66,56
|
|
Полезная разность температур, п, оС
|
4,74
|
5,17
|
37,63
|
Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (w1=1,96; w2=2,15; w3=2,35) не превышает 3%, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.
1.5 Выбор конструкционного материала
Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора KOH в интервале изменения концентраций от 8 до 40 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности ст = 25,1 Вт/(м К).
1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопередачи для I корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
. (1.5)
Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки ст/cт и накипи н/н. термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:
/ = 0,002/25,1 + 0,0005/2 = 2,87 10-4 м2 К/Вт.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке 1 равен [1]:
, (1.6)
где r1 – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;
ж1, ж1, ж1 – соответсвенно плотность (кг/м3), теплопроводность (Вт/(м К)), вязкость (Па с) конденсата при средней температуре пленки tпл = tг1 – t1/2, где t1 – разность температур конденсации пара и стенки.
Расчет 1 ведут методом последовательных приближений. Примем t1 = 10 град. Тогда
Вт/(м2 К).
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение
q = 1 t1 = tст/(/) = 2 t2,
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.
Отсюда
tст = 1 t1 / = град.
Тогда
t2 = tп1 – tст – t = 9,2 град.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора [7] равен
. (1.7)
Подставив численные значения, получим:
Физические свойства кипящих растворов КОН и их паров приведены ниже:
|
Параметр
|
1 корпус
|
|
|
|
Теплопроводность раствора , Вт/(м·К)
|
0,69
|
|
|
|
Плотность раствора , кг/м3
|
1400
|
|
|
|
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг·К)
|
2765
|
|
|
|
Вязкость раствора , ·10-3 Па·с
|
0,7
|
|
|
|
Поверхностное натяжение , Н/м
|
0,099
|
|
|
|
Теплота парообразования rв, Дж/кг
|
2337,8
|
|
|
|
Плотность пара п, кг/м3
|
0,098
|
|
|
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
q’ = 1 t1 = Вт/м2
q’’ = 2 t2 = Вт/м2
Как видим, q’ = q’’.
Т.к. расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 %, находим коэффициент К1:
Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго и третьего корпусов
K1:k2:k3=1:0,58:0,34
Отсюда К2=К1*0,58=1694*0,58=982,52
К3=К2*0,34/0,58=576
1.7 Распределение полезной разности температур
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:
где tпi, Qi, Ki – соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для i -го корпуса;
подставив численные значения, получим:
tп2 = 14,17 град;
tп3 = 17,16 град.
Проверим общую полезную разность температур установки:
tп = tп1 + tп2 + tп3 = 16,21+14,17+17,16 = 47,54 град.
Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
F1 = (4797 103)|(1694 21,25) = 174,59 м2;
F2 = (4119 103)|(982,52 20,77) = 174,59 м2;
F3 = (4701 103)|(576 26,08) = 174,59 м2.
Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fор, поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб).
В соответствии с ГОСТ 11987-81 выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и выносной греющей камерой с поверхностью теплопередачи F = 160 м2.
Таблица 5 – Сравнение полезных разностей температур
|
Параметры
|
Корпус
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
Распределенные в 1-м приближении значения tпо
|
9,97
|
16,98
|
20,59
|
|
Предварительно рассчитанные значения tпо
|
4,74
|
5,17
|
37,63
|
Второе приближение
Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давлений в корпусах и найденные в 1-м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условий равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.
1.8. Уточненный расчёт поверхности теплопередачи
В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения `, `` и ``` для каждого корпуса, как в первом приближении.
Таблица 6 – Параметры растворов и паров, полученные после распределения
|
Параметры
|
Корпус
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
Производительность по испаряемой воде w кг/с
|
1,96
|
2,15
|
2,35
|
|
Концентрация растворов x, %
|
12,94
|
19,13
|
40
|
|
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг1, оС
|
161,15
|
––
|
––
|
|
Полезная разность температур tп, о
|
16,21
|
14,17
|
17,16
|
|
Температура кипения раствора tк=tг– tп, оС
|
144,82
|
120,73
|
107,14
|
|
Температура вторичного пара tвп=tк–( `+ ``), оС
|
125,55
|
115,06
|
75,35
|
|
Давление вторичного пара Pвп, МПа
|
0,27
|
0,169
|
0,0413
|
|
Температура греющего пара tг=tвп–```, оС
|
-
|
124,55
|
114,06
|
Рассчитаем тепловые нагрузки
Коэффициенты теплопередачи, рассчитанные описанным выше методом, приводит к следующим результатам (Вт/(м2·К)): К1 = 1797; К2 = 906,49; К3 =852,46
Распределение полезной разности температур:
град
град
град
Проверка суммарной полезной разности температур:
Таблица 7 – Сравнение полезных разностей температур tп, полученных во 2-м и 1-м приближениях
|
Параметры
|
Корпус
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
tп во 2-м приближении, о
|
9,96
|
16,96
|
20,61
|
|
tп в первом приближении, о
|
9,97
|
16,98
|
20,59
|
Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышает 5%.
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
В соответствии с ГОСТ 11987-81 [2] выбираем выпарной аппарат
Таблица 8 – характеристики выпарного аппарата
|
Номинальная поверхность теплообмена Fн, м2
|
160
|
|
Диаметр труб d, мм
|
382
|
|
Высота труб H, мм
|
4000
|
|
Диаметр греющей камеры dк, мм
|
1200
|
|
Диаметр сепаратора dс, мм
|
2400
|
|
Диаметр циркуляционной трубы dц, мм
|
700
|
|
Общая высота аппарата Hа, мм
|
13500
|
|
Масса аппарата Mа, кг
|
12000
|
2. Определение толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:
(14)
где – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2·К); tст2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппарата, работающего в закрытом помещении, tст2 принимаем равным 40 оC; tст1 – температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 примем равным температуре греющего пара в 1 корпусе tг1; tв – температура окружающей среды (воздуха), оС; и – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м·К).
Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:
В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85 % магнезии + 15 % асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности и=0,09 Вт/(м·К).[2]
Тогда получим:
Принимаем толщину тепловой изоляции 0,05 м и для других корпусов.[2]
3. Расчёт барометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаётся в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 С). Смесь охлаждающей воды и конденсатора выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.
Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.
3.1. Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:
(15)
где Iб.к – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tн – начальная температура охлаждающей воды, С; tк – конечная температура смеси воды и конденсатора, С.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 – 5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем за 3 град ниже температуры конденсации паров:
Тогда
3.2. Диаметр конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора dб.к определяют из уравнения расхода:
(16)
где – плотность паров, кг/м3; – скорость паров, м/с.
При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров = 15 – 25 м/с. Тогда
По нормалями [2] выбираем барометрический конденсатор диаметром dб.к = 1200 мм.
3.3. Высота барометрической трубы
В соответствии с нормалями [2], внутренний диаметр барометрической трубы dб.т равен 250 мм. Скорость воды в барометрической трубе:
Высота барометрической трубы
(17)
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; – сумма коэффициентов местных сопротивлений; – коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 – запас высоты на возможные изменения барометрического давления, м.
где вх, вых – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.
Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:
Для гладких труб при Re = 109211,139 коэффициент трения = 0,013 [3]
Подставив полученные значения, получим:
Отсюда находим Hб.т = 8,98 м.
4. Расчёт производительности вакуум-насоса
Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
(18)
где 2,5·10-5 – количество газа, выделяющегося из 1-го кг воды; количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда
Объёмная производительность вакуум-насоса равна:
(19)
где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К); Мвозд – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; tвозд – температура воздуха, °С; Рвозд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению
Давление воздуха равно:
где Pп – давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд = 27,09 С. Подставив получим:
Тогда
Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление Рбк по каталогу [2] подбираем вакуум-насос типа ВВН-12 мощностью на валу N = 22 кВт.
Список использованной литературы
1.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А.Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1976,552 с.
2.Справочник химика.М-Л.:Химия,Том 3,1962,1006 с.
3.Касаткин А.Г.Основные процессы и аппараты химической технологии.Изд.9-е.М.:Химия,1973,750 с.
4.Викторов М.М.Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты.Л.:Химия.1977.360 с.
5.Чернышов А.К.,Поплавский К.Л.,Заичко Н.Д.Сборник номограмм дляч химико технологических расчетов.Л.:Химия,1974,200 с.
Трехкорпусная выпарная установка для концентрирования водного раствора