Проектирование вакуум выпарной установки

= tвн + 4 + 0,1· (tвк - tвн)=15+4+0,1(115-15)=29°С.
Давление сухого насыщенного пара при tвозд.=29°С, в соответствии с таблицей Б.2 равно: Рп= 0,0293 кгс/см2. Тогда парциальное давление воздуха:
Рвозд. = Р0 – Рп = 20,9·104 – 0,0293·9,8·104 = 20,6·104Па
Подставив полученные значения в (21), получим:
Зная объемную производительность вакуум-насоса Vвозд. и остаточное давление Р0, по таблице В.3 подбираем вакуум-насос типа ВВН-0,75, мощность на валу 1,3 кВт. Остаточное давление 110 мм рт. ст.

Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов
Ориентировочный расчет подогревателя исходного раствора
В подогревателе раствор нагревается от начальной температуры tисх.=30ºС до температуры tн=121,5 ºС, при которой он поступает в выпарной аппарат. В качестве греющего агента используется первичный греющий пар с tгр.п.=151,1 ºС. Так как пар конденсируется при постоянной температуре, то взаимная схема движения теплоносителей (прямоток, противоток) не влияет на величину средней разности температур.
Вычислим среднюю разность температур в соответствии с (28):


где tгр.п. – температура конденсации греющего пара, ºС;
tисх. – начальная температура разбавленного раствора, ºС;
tн.– температура разбавленного раствора на входе в выпарной аппарат, ºС.
Так как пар конденсируется при постоянной температуре, то средняя температура нагревающего раствора tср.р. в соответствии с (30) равна:
tср.р. = tгр.п. – Δtср. = 151,1– 65 = 86,1 ºС
Для определения тепловой нагрузки аппарата Q, Вт, рассчитаем количество теплоты, необходимой для нагревания разбавленного раствора от начальной температуры до температуры, при которой он подается в выпарной аппарат. По соотношению (26):
Q = Gн · сн· (tн. - tисх.) = 3,33 · 4050· (121,5 - 30) =1234015 Вт,
где сн = 4132,7 Дж/кг·К – удельная теплоемкость разбавленного раствора по формуле (А.5) при tср.р. = 86,1 ºС и хн = 0,04.
с0 (86,1) = 4223,6+2,476·86,1·lg(86,1/100)=4209,7
В1 = -3369,37
В2 = 2213,59
В3 = -0,3
В4 = -91,95•10-3 = -0,09195
сн = 4209,7+(-3369,37+2213,59·0,04-0,3·86,1-0,09195·86,12)·0,04 = =4050 Дж/кгК
Выберем из таблицы 2 ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К=1000 Вт/м2·К, соответствующее данному виду теплообмена (от конденсирующегося пара к водному раствору).
Подставив полученные значения в (24), найдем площадь поверхности теплообмена подогревателя:


С учетом 20% запаса по поверхности теплообмена, по таблице В.4 выбираем стандартный аппарат: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 26 м2, с трубами Ø25х2 мм, диаметром кожуха D = 400 мм, длиной труб L =3 м, число труб n = 111, расстояние между перегородками l = 250 мм.
На основе теплового баланса (27) рассчитаем требуемый расход греющего пара Gп для подогревателя:
Q = Gп · rгр.п. = Gп · сн · (tн – tисх.)

Ориентировочный расчет холодильника концентрированного раствора
Концентрированный раствор выводится из выпарного аппарата и поступает в теплообменник при температуре tкон. =125 ºС. В соответствии с заданием он охлаждается до температуры tр.к. = 35 ºС. Начальная температура охлаждающей воды, tвн.=15 ºС, конечная температура tвк, обычно принимается на 10-20 ºС, чем tвн.. примем
tвк.= tвн.+15 = 15+15=30ºС.
Выберем противоточную схему движения теплоносителей, так как в этом случае величина средней разности температур Δtср. будет больше, чем в прямоточной схеме. Вычислим среднюю разность температур в соответствии с (28):

Так как температура воды в теплообменнике изменяется на меньшее число градусов, по сравнению с температурой раствора, то среднюю температуру воды tср.в определим по соотношению (29):
tср.в = (tвн + tвк.)/2 = (15 + 30)/2 = 22,5ºС.
Среднюю температуру охлаждающегося концентрированного раствора найдем по формуле (30):
tср.р = tср.в + Δ tср. = 22,5 + 48,1 = 70,6ºС.
Для определения тепловой нагрузки аппарата Q, Вт, рассчитаем количество теплоты, выделяющейся при охлаждении концентрированного раствора по формуле (25):
Q = Gк · ск · (tкон – tр.к.) = 1,11 · 3767 · (125– 35) = 376345 Вт
где Gк = 0,612 кг/с расход концентрированного раствора;
ск = 3767 – удельная теплоемкость концентрированного раствора по (А.5) при tср.р. = 70,6 ºС и хк = 0,12 кг раств. вешества/кг раствора.
с0 (64,9) = 4223,6+2,476·70,6·lg(70,6/100)=4197,2
В1 = -3369,37
В2 = 2213,59
В3 = -0,3
В4 = -91,95•10-3 = -0,09195
сн = 4197,2+(-3369,37+2213,59·0,12-0,3·70,6-0,09195·70,62)·0,12 = =3767 Дж/кгК
Выберем из таблицы 2 ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К = 800 Вт/м2·К, соответствующее данному виду теплообмена (от водного раствора к воде).
Подставив полученные значения в (24), найдем площадь поверхности теплообмена холодильника:

С учетом 20% запаса по поверхности теплообмена, по таблице В.4 выбираем стандартный аппарат: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 14,5 м2, с трубами Ø25х2 мм, диаметром кожуха D = 325 мм, длиной труб L =3,0 м, число труб n=62, проходное сечение Sт=0,021 м2, Sмт=0,029 м2, Sв.п.=0,013 м2,
Nр=9, l=180 мм.

На основе теплового баланса (27) рассчитаем требуемый расход охлаждающей воды Gв для холодильника:
Q = Gк · ск · (tкон – tк.р.) = Gв · св · (tвк – tвн.)

где св = 4187,5 Дж/кг·К – удельная теплоемкость воды по формуле (А.6) при tср.в. = 22,5 ºС.
Выводы

В соответствии с заданием разработана технологическая однокорпусной вакуум-выпарной установки.
В результате проведенных расчетов выбрано следующее стандартное оборудование:
- выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой со следующими параметрами: площадь поверхности теплообмена 280 м2, высота кипятильных труб 5 м;
- барометрический конденсатор – диаметр 0,5 м, барометрическая труба – диаметр 0,125 м, высота – 12,3 м;
- вакуум-насос типа ВВН-0,75 со следующими параметрами: производительность – 0,75 м3/мин, мощность на валу – 1,3 кВт;
- подогреватель исходного раствора: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 26 м2, с трубами Ø25х2 мм, диаметром кожуха D=400 мм, длиной труб l = 3,0 м;
- холодильник концентрированного раствора: одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН с площадью поверхности теплообмена F = 14,5 м2, с трубами Ø25х2 мм, диаметром кожуха D=325 мм, длиной труб L = 3,0 м, число труб n=62.






Литература

1. Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие для студентов заочной формы обучения. –СПб.: Синтез, 2008.468 с.
2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии.-Учебник для вузов. Ч. 1. – М.: Химия, 1992. 416 с.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – Альянс, 2004. – 750 с.
4. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию/ под ред. Ю.И. Дытнерского, – М.: Химия, 1992. 272 с.
5. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учебное пособие для вузов. - СПб.: Химиздат, 2009.544 с.
6. Зайцев И.Д., Асеев Г.Е. Физико-химические свойства бинарных многокомпонентных растворов и неорганических веществ. – М.: Химия, 1987. 720 с.
7. Яблонский П.А., Озерова Н.В. Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры химической промышленности: Учебное пособие. –СПб.: СПбГТИ(ТУ), 1993.-92 с.
8. Борисова Е.И., Круковский О.Н., Маркова А.В., Муратов О.В. Свойства жидкостей и газов: Методические указания к курсовому проектированию. –СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2001.-23 с.
9. Марков А.В., Круковский О.Н., Черникова О.В. Расчет и конструкции теплообменных аппаратов (краткие справочные данные для выполнения графической части проекта): Учебное пособие по курсовому проектированию для студентов заочной формы обучения. –СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2009.
10. Марков А.В., Маркова А.В. Неразборные теплообменники «труба в трубе» (конструкция и основные размеры): Методические указания к курсовому проектированию. –СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2001.-30 с.














25