2.Описание технологической схемы установки

Рис. 2.1 Технологическая схема двухкорпусной выпарной установки:

П – подогреватель; 1 – I-ый корпус; 2 – II-ой корпус; 3 – барометрический конденсатор смешения.

Водный раствор нитрата аммония с параметрами S₀ = 8000 кг/ч = 2,22 кг/с; t_Н = 20 °С; α₀ = 19 % масс. поступает в трубное пространство подогревателя (П), где он за счёт теплоты конденсации греющего пара P_гр.1 = 3,8 атм. = 0,38 МПа, подаваемого в межтрубное пространство, нагревается до температуры, близкой к температуре кипения раствора в I корпусе t₀ = 88 °С. Подогретый раствор поступает в I корпус (1), обогреваемый греющим паром. Раствор в трубах кипит при температуре t₁ и в виде смеси (пар + жидкость) поступает в сепарационное пространство, где происходит её разделение на вторичный пар W₁ с параметрами θ₁; i₁ и упаренный раствор S₁ с параметрами t₁; α₁, которые выводятся из корпуса (рис. 2.1).

Упаренный раствор из I корпуса переходит во II корпус (2). Во втором корпусе происходит его дальнейшее упаривание до заданной конечной концентрации α_К =α₂ =39 % масс. за счёт теплоты, отдаваемой при конденсации вторичного пара, поступающего из I корпуса. Часть вторичного пара из I корпуса в виде экстра-пара Е₁ = 400 кг/ч = 0,111 кг/с идёт на производственные нужды. Циркуляция раствора в аппарате естественная.

Вторичный пар W₂ из II корпуса с параметрами θ₂; i₂ поступает в барометрический конденсатор смешения (3), где он, контактируя с водой, конденсируется, значительно уменьшая свой объем, в результате чего образуется вакуум.

3.Расчет и выбор основного оборудования

3.1. Расчет подогревателя исходного раствора

3.1.1. Задание на расчет подогревателя исходного раствора

Рассчитать необходимую поверхность теплопередачи и подобрать теплообменник для нагревания S₀ = 8000 кг/ч = 2,22 кг/с раствора NH₄NO₃ (концентрация соли α₀ = 19 % масс.) от начальной температуры t_н = 20 °С до конечной t₀ = 88 °C.

Обогрев ведется насыщенным водяным паром с давлением P_гр=0,38 МПа (температура конденсации Т=140,7 °С) [6, приложение 2].

Определить:

1) Поверхность теплообмена F.

2) Расход греющего пара D_гр.

РЕШЕНИЕ:

Расчет поверхности теплообмена F ведем по формуле:

где ∆ - средняя движущая сила процесса теплопередачи при движении теплоносителей в режиме идеального вытеснения, находится как среднее логарифмическое значение из движущих сил на концах теплообменника:

Тепловая нагрузка теплообменника:

где c₀ = 3,62 – теплоемкость 19 % раствора NH₄NO₃ при средней температуре [6, приложение 1]:

Расход греющего пара определяется по формуле:

где r_п = 2142 кДж/кг - теплота конденсации пара (при Т=140,7 °С) [6, приложение 2].

Для расчета коэффициента теплопередачи используем уравнение:

Так как для расчета A и α₂ необходимы размеры труб, то приняв ориентировочное значение K_op=1000 получим (3.1):

По справочнику [7, с. 51] находим теплообменник: F =17 м², высота труб H = 3 м, размер труб d × δ = 20 × 2 мм, число труб n=90, число ходов z=2

Сечение трубного пространства:

Для вертикального теплообменника:

Здесь А₀ – комплекс теплофизических величин при температуре конденсата T = 140,7 °C. Значения λ, ρ, μ и r взяты из справочных данных [6, приложение 2].

• Теплопроводность конденсата λ = 0,685 Вт/(м∙К);

• Плотность конденсата ρ = 925,3 кг/м³;

• Динамическая вязкость конденсата μ = 201∙10^-6 Па∙с;

• Теплота парообразования r = 2142,3 кДж/кг;

Материал стенки труб сталь 09Г2С [7, с. 394], теплопроводность λ_ст = 17,2 , поэтому

Расчет коэффициента теплоотдачи α₂ (от стенки трубы к раствору):

- для 19 % раствора NH₄NO₃ при температуре 54°С находим [6, приложение 2]:

• плотность ρ = 1070,5 кг/м³;

• кинематическая вязкость ν = 0,596 · 10^-6 м²/с;

• теплопроводность раствора λ = 0,58 Вт/(м·K);

• число Прандтля Pr = 3,74

-скорость жидкости в трубах по формуле:

- критерий Рейнольдса:

Режим течения жидкости - переходный.

Для полученного значения 10000> Re >2300 можно воспользоваться формулой для нахождения Нуссельта:

- коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору

После подстановки в (3.5) значений A, ,α₂ имеем:

После упрощения:

Таблица 3.1 Расчёт коэффициент теплоотдачи методом итерации находим К.

K*	K	Разница %
1000	911,0291	9,765981
911,0291	916,6806	0,616526
916,6806	916,3088	0,040578

Отсюда методом итерации находим =911 Вт/(м²∙K)

Поверхность теплообмена:

Пересчитаем значение поверхности теплообмена F (3.1) с новым значением К:

Так как, F <F_ор, то можно сделать вывод, что теплообменник подобран верно.