Проектирование вакуум-выпарной установки

Выходные данные

О.П.Банных, Е.И.Борисова, В.А.Константинов, О.Н.Круковский, О.В.Муратов, В.Ф.Фролов, В.В.Фомин. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМ-ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ. УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, СИНТЕЗ, 2009.

Аннотация

УДК 66.02. Содержатся теоретические материалы, необходимые для выполнения курсового проекта по процессам и аппаратам химической технологии по теме «Проектирование вакуум-выпарной установки». Рассмотрен подробный пример расчета вакуум-выпарной установки. В приложении приведены формулы для расчета основных теплофизических параметров растворов и справочные таблицы, необходимые для выбора стандартного оборудования. В учебном пособии содержатся задания на проектирование. Пособие соответствует рабочей программе курса «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов заочной формы обучения химико-технологических и механических специальностей.

Содержание

• Введение
• 1 Содержание курсового проекта
• 2 Основные сведения о процессе выпаривания
• 2.1 Общие положения
• 2.2 Аппаратурное оформление процесса выпаривания
• 2.3 Основные зависимости и расчетные формулы
• 3 Пример расчета
• 3.1 Технологическая схема установки
• 3.2 Расчет выпарного аппарата
• 3.3 Расчет барометрического конденсатора смешения
• 3.4 Расчет вакуум-насоса
• 3.5 Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов
• 3.6 Выводы
• 4 Задание на проектирование
• Литература
• Приложение А Формулы для расчета теплофизических параметров растворов
• Приложение Б Справочные таблицы
• Приложение В Основные размеры и технические характеристики оборудования

Введение

Основная цель курсового проектирования — систематизация, закрепление, расширение теоретических знаний, развитие навыков самостоятельной работы по комплексному решению инженерных задач и использованию специальной научно-технической литературы. Курсовой проект по процессам и аппаратам химической технологии завершает изучение общеинженерных дисциплин и является основой курсовых и дипломных проектов по специальности.

Учебное пособие содержит теоретические и справочные материалы, необходимые для самостоятельного выполнения студентами заочной формы обучения курсового проекта по теме «Проектирование вакуум-выпарной установки». В пособии изложены методики расчета выпарного аппарата и вспомогательного оборудования: барометрического конденсатора, вакуум-насоса, холодильника и подогревателя. Приведенные методики проиллюстрированы подробным примером расчета.

1 Содержание курсового проекта

В курсовом проекте выполняется проектная разработка основной аппаратуры с обязательными в каждом проекте технологическими, тепловыми и гидравлическими расчетами. Технологическая документация состоит из пояснительной записки (20-30 страниц) и графической части: чертежа теплообменного аппарата (формат А1) и технологической схемы (формат А2).

Пояснительная записка должна включать: титульный лист, задание, содержание, введение, технологическую часть, инженерные расчеты, выводы и приложение.

Графическая часть

Чертеж общего вида теплообменного аппарата выполняется на листе формата А1. Он дает представление о конструкции аппарата, взаимодействии его частей и принципе работы. На чертеже должны быть: общий вид, разрезы, сечения, основные размеры, таблица штуцеров, техническая характеристика, технические требования и перечень частей.

Технологическая схема (формат А2) должна отражать процесс, содержать перечень элементов, характеристику аппаратов, обозначение трубопроводов и потоков. Элементы схемы снабжаются буквенно-цифровым обозначением. Перечень элементов выполняется в виде таблицы.

2 Основные сведения о процессе выпаривания

2.1 Общие положения

Выпаривание – это процесс повышения концентрации растворов нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении раствора и отвода образующихся паров. Наибольшее применение находит насыщенный водяной пар (греющий или первичный). Пар, образующийся при кипении раствора, называется вторичным паром.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, под избыточным давлением или при атмосферном давлении. Выпаривание под вакуумом снижает температуру кипения, что важно для термочувствительных веществ.

2.2 Аппаратурное оформление процесса выпаривания

Процесс выпаривания проводят в выпарных аппаратах. На рисунке 1 представлена схема выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой. Аппарат состоит из греющей камеры, сепаратора, циркуляционной трубы и брызгоотделителя.

Греющий пар подают в межтрубное пространство, где он конденсируется. Теплота передается через стенки трубок раствору, который кипит. Парожидкостная смесь поступает в сепаратор, где пар отделяется от раствора. Естественная циркуляция возникает из-за разности плотностей сред в циркуляционной трубе и кипятильных трубках.

2.3 Основные зависимости и расчетные формулы

2.3.1 Расчет выпарного аппарата

Уравнения материального баланса:
Gн = Gк + W (1)
Gн * xн = Gк * xк (2)

Тепловая нагрузка:
Q = Qнагр + Qисп + Qпот (3)
Q = Gн * cн * (tк — tн) + W * rвт.п + Qпот

Расход греющего пара:
Gгр.п = Q / (x * rгр.п) (4)

Давление в среднем слое:
Pср = P1 + 0.5 * Hур * g * ρр (6)

Площадь поверхности теплопередачи

F = Q / (K * Δtпол) (8)
Δtпол = tгр.п — tкип (9)

Коэффициент теплопередачи:
1/K = 1/α1 + 1/α2 + Σrст (10)
Σrст = δ/λ + Σrзагр (11)

Теплоотдача при конденсации (12) и кипении (13) рассчитывается по критериальным уравнениям, приведенным в тексте пособия.

2.3.2 Расчет барометрического конденсатора смешения

Расход охлаждающей воды:
Gв = W * (iвт.п — iк) / (cв * (tкв — tнв)) (15)

Диаметр конденсатора:
d = sqrt(4 * W / (π * ρвт.п * vвт.п)) (16)

Высота барометрической трубы (18) рассчитывается с учетом вакуума, местных сопротивлений и коэффициента трения.

2.3.3 Расчет вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса (20) определяется количеством воздуха, поступающего в систему. Объемная производительность (21) рассчитывается с учетом парциального давления воздуха и температуры.

2.3.4 Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов

Площадь поверхности теплопередачи:
F = Q / (K * Δtср) (24)
Средняя разность температур (28) рассчитывается как среднелогарифмическая.

Таблица 2: Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи К, Вт/(м²·К):

Вид теплообмена	К, Вт/(м²·К)
Жидкость-жидкость (углеводороды)	120–300
Жидкость-жидкость (вода)	800–1700
Конденсирующийся пар-вода	800–3500
Конденсирующийся пар-органика	120–500

3 Пример расчета

Спроектировать однокорпусную выпарную установку для раствора Na2CO3. Производительность 4 т/ч, концентрация 0.5% -> 2.5%. Давление пара 0.03 МПа.

Рисунок 2 – Технологическая схема вакуум-выпарной установки

3.2 Расчет выпарного аппарата

Материальный баланс:
Gн = 1.11 кг/с
Gк = 0.22 кг/с
W = 0.89 кг/с

Температурный режим:
tгр.п = 107°C
Δtпол = 25 K
tкип = 82°C

Расчет коэффициентов теплоотдачи проводится методом последовательных приближений для определения температуры стенки. Итоговая площадь поверхности теплопередачи F = 118 м². Выбран стандартный аппарат с F = 140 м².

3.3 Расчет барометрического конденсатора

Расход воды Gв = 8.28 кг/с. Диаметр конденсатора d = 0.5 м. Высота барометрической трубы H = 6.37 м.

3.4 Расчет вакуум-насоса

Производительность Gвозд = 3.12 * 10^-5 кг/с. Объемная производительность V = 0.0193 м³/мин. Выбран насос типа ВВН-1.5.

3.5 Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов

Подогреватель: Q = 263.7 кВт, F = 9.4 м². Выбран ТН с F = 6 м² (с учетом запаса).
Холодильник: Q = 43.4 кВт, F = 1.6 м². Выбран ТН с F = 2 м².

3.6 Выводы

Выбрано стандартное оборудование: выпарной аппарат (140 м²), барометрический конденсатор (d=0.5 м), вакуум-насос ВВН-1.5, подогреватель (6 м²) и холодильник (2 м²).

4 Задание на проектирование

Таблица 4 содержит 32 варианта задания с указанием растворенного вещества, производительности, концентраций и параметров теплоносителей.

Литература

1. Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Процессы и аппараты химической технологии. СПб.: Синтез, 2008.
2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1992.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Альянс, 2004.
4. Романков П.Г. и др. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии. СПб.: Химиздат, 2009.
5. Зайцев И.Д., Асеев Г.Е. Физико-химические свойства бинарных многокомпонентных растворов. М.: Химия, 1987.

Приложение А: Формулы для расчета теплофизических параметров

Приведены формулы для расчета плотности (А.1), вязкости (А.3), теплоемкости (А.5), теплопроводности (А.7) и температуры кипения (А.9) растворов, а также соответствующие коэффициенты в таблицах А.1–А.5.

Приложение Б: Справочные таблицы

Таблицы свойств насыщенного водяного пара (Б.1, Б.2), поверхностного натяжения (Б.3), теплопроводности материалов (Б.4) и тепловой проводимости загрязнений (Б.5).

Приложение В: Характеристики оборудования

Таблицы параметров выпарных аппаратов (В.1), барометрических конденсаторов (В.2), вакуум-насосов (В.3) и теплообменников ТН (В.4).