Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Сибирский государственный технологический университет"

Кафедра процессов и аппаратов химических технологий

Расчетная работа № 3.1

Расчет выпарного аппарата В-15

Руководитель:

_______________Шайхутдинова М. Н.

(подпись)

___________________

(оценка, дата )

Разработал:

Студент группы 63-4

______________Лубшев Д.А.

(подпись)

___________________

(дата)

Красноярск, 2006

Задание 3.1 вариант 15

Рассчитать выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой для выпаривания раствора KCl, начальной концентрации Х_Н=8 %, конечной концентрации Х_К=26 %. Производительностью G=2,2 кг/с. Вакуум в аппарате В=0,2 ат.

Реферат

В данной работе приводится расчет выпарного аппарата с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой для выпаривания раствора KCl. Текстовый материал приводится на 22 страницах, использовано 5 литературных источников и 2 листа графической части формата А4.

Содержание

Введение 6

1 Технологический расчет выпарного аппарата 7

1.1 Материальный баланс 7

1.2 Тепловой баланс 7

1.3 Определение коэффициента теплопередачи 8

1.4 Характеристики выпарного аппарата 11

2 Технологический расчет теплообменника 12

2.1 Температурная схема 12

2.2 Предварительный выбор конструкции теплообменника 13

2.3 Определение коэффициента теплоотдачи для раствора KCl 13

2.4 Определение коэффициента теплоотдачи α_конд для конденсирующегося пара 14

2.5 Определение термического сопротивления стальной стенки и загрязнений 14

2.6 Определение удельной тепловой нагрузки 14

2.7. Определение поверхности теплообмена 15

2.8 Характеристики теплообменника 15

3 Расчет барометрического конденсатора смешения 16

3.1 Расчет расхода охлаждающей воды 16

3.2 Расчет диаметра конденсатора 17

3.3 Расчет барометрической трубы 17

4 Расчет вакуум насоса 18

5 Расчет центробежного насоса 19

5.1 Определение диаметра трубопровода 19

5.2 Определение гидравлического сопротивления трубопровода 19

5.3 Определение гидравлического сопротивления теплообменников 20

5.4 Определение напора и выбор насоса 21

Заключение 22

Библиографический список 23

Приложение 24

Введение

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя.

Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой. В этом случае появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее загрязнении.

Общий недостаток аппаратов с принудительной циркуляцией – повышенный расход энергии, связанный с необходимостью работы циркуляционного насоса.

Исходные данные

Х_н=8 %; Х_к=26 %; В=0,2 ат; G=2,2 кг/с.

1 Технологический расчет выпарного аппарата

1.1 Материальный баланс

Из уравнения материального баланса определяем расход воды по формуле

кг/с,

где Х_нач, Х_кон – массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

G_н – массовый расход исходного раствора, кг/с.

Давление в аппарате

ат.

Определяем температуру вторичного пара t₀ при давлении Р₀=0,8 ат, принимаем t₀=93 °С (таблица LVII [1]).

Определяем температурные потери от депрессии по формуле

,

где Δ_атм – температурная депрессия при атмосферном давлении, °С;

f – поправка Тищенко.

°С,

где t_р-ра – температура раствора при Х_к=26 % (таблица XXXVI [1]), t_р-ра=105 °С;

t_р-ля – температура кипения воды при атмосферном давлении (таблица LVII [1]), t_р-ля=99,1 °С.

Поправка Тищенко определяется по формуле

,

где Т₀ – температура вторичного пара, Т₀=(273+t₀)=273+93=366 К;

r₀ – удельная теплота парообразования для вторичного пара (таблица LVII [1]), r₀=2278 кДж/кг.

Тогда температурные потери от депрессии

°С.

Определяем температуру кипения раствора

°С.

В аппарате с циркуляцией раствора, обеспечивающем его достаточное полное перемешивание, принимаем полезную разность температур Δt_пол=28,75 °С.

Определяем температуру греющего пара

°С.

1.2 Тепловой баланс

Составляем тепловой баланс:

1) определяем количество теплоты, передаваемой от греющего пара к кипящему раствору по формуле

,

где 1,05 – коэффициент, учитывающий 5 % потерь в окружающую среду;

Q_вып – производительность по выпаренной воде.

Вт,

где I’ – удельная энтальпия вторичного пара при t₀ и Р₀ (таблица LVI [1]), I’=2663 кДж/кг;

с_в – средняя удельная теплоемкость воды (таблица XXXIХ [1]), с_в=4190 Дж/(кг·К).

Вт.

2) определяем расход греющего пара

кг/с,

где r_г.п.=2186,5 кДж/кг – удельная теплота конденсации греющего пара при t_г.п.=127,37 °С (таблица LVI [1]);

х=0,95 – степень сухости греющего пара.

1.3 Определение коэффициента теплопередачи

Материалом конструкции выбираем нержавеющую сталь, коэффициент теплопроводности стали λ=17,5 Вт/(м·К) (таблица XXVIII [1]).

Коэффициент теплопередачи в корпусе рассчитывается по формуле

,

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке t_ст1;

– сумма термического сопротивления стенки и загрязнений;

α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки t_ст2 к кипящему раствору.

Принимаем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δ_ст/λ_ст и накипи δ_н/λ_н. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.

(м²·К)/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке α₁ равен

,

где r₁ – удельная теплота конденсации греющего пара(таблица LVII [1]), r₁=2186,5 кДж/кг;

ρ_ж – плотность конденсата, ρ_ж=937 кг/м³;

λ_ж – теплопроводность конденсата, λ_ж=0,686 Вт/(м·К);

μ_ж – коэффициент динамической вязкости конденсата, (таблица XXXIХ [1]), μ_ж=216,75·10^-6 Па·с;

Δt₁ – разность температур конденсации пара и стенки, Δt₁=2 °С;

Н – высота кипятильных труб, зависящая от F_ор;

F_ор – ориентировочная поверхность теплопередачи выпарного аппарата, которая определяется по формуле

м²,

где q=30000 Вт/м – удельная тепловая нагрузка для аппарата с принудительной циркуляцией.

По ГОСТ 11987 – 81 для выпарного аппарата с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой выбираем: F=125 м², d_н=38∙2 мм – диаметр трубы, Н=6 м – высота трубы.

На основании всех определенных значений рассчитываем коэффициент теплоотдачи α₁ по формуле

Вт/(м²·К).

Определяем физические, теплофизические свойства растворов. Плотность раствора KCl при конечной концентрации 26 % принимаем ρ=1143 кг/м³. На основании правила линейности константа уравнения равна

,

где t_μ1, t_μ2 – температуры жидкости при вязкости раствора μ₁ и μ₂;

θ_μ1, θ_μ2 – температуры эталонного вещества при вязкости раствора μ₁ и μ₂.

Для раствора KCl:

– при t₁=20 °С μ₁=1,04 мПа·с (таблица VIII [1]);

– при t₂=30 °С μ₂=0,87 мПа·с.

В качестве эталонного вещества используем глицерин:

– при μ₁=1,04 мПа·с θ_μ1=82 °С (рисунок V [1]);

– при μ₁=0,87 мПа·с θ_μ2=88 °С.

Определяем константу уравнения К

.

Константу К можно записать следующим образом

,

где t_μ1=20 °С, t_μ3= t_к.р.=98,62 °С;

θ_μ1=82 °С, θ_μ3 – температура глицерина, при которой вязкость равна μ₃:

°С,

Для глицерина μ₃=0,34 мПа·с, при θ_μ3=129,1 °С (рисунок V [1]);

Таким образом, динамический коэффициент вязкости KCl при t_к.р.=98,62 °С равен μ=0,34 мПа·с.

Определяем удельную теплоемкость 26 % раствора KCl при t_к.р.=98,62 °С по формуле

,

где С₁ – удельная теплоемкость безводного растворенного вещества, которая определяется по формуле:

Дж/(кг·К),

где М – молекулярная масса KCl;

n₁, n₂, n₃ – число атомов элементов, входящих в соединение;

с₁, с₂, с₃ – атомные теплоемкости, Дж/(кг-атом·К) (таблица 5.1 [1]).

Определяем удельную теплоемкость 26 % раствора KCl

Дж/(кг·К).

Определяем коэффициент теплопроводности 26 % раствора KCl при t_к.р.=98,62 °С по формуле

,

где λ_вt – коэффициент теплопроводности воды при t_к.р., λ_вt=0,675 Вт/(м·К);

λ_в30 – коэффициент теплопроводности воды при t=30 °С (рисунок Х [1]), λ_в30=0,616 Вт/(м·К);

λ_р30 – коэффициент теплопроводности 26 % раствора KCl при t=30 °С, определяется по формуле

,

где А – коэффициент, зависящий от степени ассоциации жидкости, А=3,58·10^-8 м³·кмоль^-1/3·с^-1;

ρ=1143кг/м³ – плотность раствора;

М – мольная масса раствора, которая рассчитывается по формуле

,

где х – мольная масса твердой фазы, которая рассчитывается по формуле

;

кг/кмоль.

Определяем коэффициент теплопроводности 26 % раствора KCl при t=30 °С

Вт/(м·К).

Тогда коэффициент теплопроводности раствора равен

Вт/(м·К).

Определяем коэффициент теплоотдачи α₂ по формуле

,

где Nu – критерий Нуссельта, для аппаратов с принудительной циркуляцией определяется по формуле

,

где Re – критерий Рейнольдса;

Pr – критерий Прандтля.

,

где ω=2 м/с – скорость раствора (таблица 1.1 [1]).

.

Подставляем полученные значения в формулу

По полученным значениям находим коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²·К).

По полученным значениям α₁ и α₂ определяем коэффициент теплопередачи