Расчет установки для выпаривания водного раствора нитрата кальция (стр. 5 из 6)

r= 1413,82 кг/м³ ; [2]

m- вязкость раствора, Па×с;

m = 1,96×10^-3 Па×с ; [2]

c- теплоёмкость раствора, Дж/(кг×К);

с= 2570 Дж/(кг×К) ; [2]

Свойства раствора взяты при средней температуре потока, равной:

t_ср = t_к +

: (22)

.

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q'= α₁×_∆t₁= 4575 × 6 = 27450 Вт/м²;

q''= α₂×_∆t₂=2257 × 16 = 36112 Вт/м²;

Очевидно, что q'≠q''.

Для второго приближения примем _∆t₁ = 7 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1 град, рассчитаем α₁ по соотношению:

α₁ = 4575

= 4402 Вт/(м²×К);

Получим:

_∆t_ст = 4402 × 7 × 3,297 × 10^-4 = 10 град;

_∆t₂ = 31 – 7 – 10 = 14 град;

q' = 4575 × 7 = 32025 Вт/м²;

q'' = 2257 × 14 = 31598 Вт/м².

%= %

Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, то расчет коэффициентов a₁ и a₂ на этом заканчиваем.

Находим К:

Вт/(м²×К)

2.1.7 Расчет уточнённой поверхности теплопередачи

Определяем уточненную поверхность теплопередачи F,м²:

(23)

235 м².

F принимаем равной 315 м²

По ГОСТ 11987 – 81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена F315 м²

Диаметр труб d38 х 2 мм

Высота труб Н 4000 мм

Диаметр греющей камеры d_к 1600 мм

Диаметр сепаратора d_с 3600 мм

Диаметр циркуляционной трубы d_ц 1000 мм

Общая высота аппарата Н_а 15000 мм

Масса аппарата М_а 21000 кг

2.2 Расчет вспомогательного оборудования

2.2.1 Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20^оС). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

2.2.1.1 Определение расхода охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_в определяем из теплового баланса конденсатора:

, где (24)

I_бк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

t_н – начальная температура охлаждающей воды, ^оС;

t_к – конечная температура смеси воды и конденсата, ^оС;

с_в – теплоемкость воды, Дж/(кг град).

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора принимают на 3-5 град ниже температуры конденсации паров.

Тогда

2.2.1.2 Расчет диаметра барометрического конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяется из уравнения расхода:

,

где (25)

r - плотность паров, кг/м³;

v – скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10000 Па скорость паров можно принять в интервале 15 – 25 м/с. Таким образом

По нормалям НИИХИММАШа [2] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. В нашем случае это конденсатор диаметром 1000 мм.

2.2.1.3 Расчет высоты барометрической трубы

Внутренний диаметр барометрической трубы равен d_бт = 200 мм. Скорость воды в барометрической трубе равна:

(26)

Высоту барометрической трубы определим по уравнению:

,

где (27)

В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

Sx – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

l – коэффициент трения в барометрической трубе;

Н_бт, d_бт – высота и диаметр барометрической трубы, м;

0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического конденсатора, м.

(28)

(29)

Коэффициент трения l зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

(30)

Для гладких труб при Re = 510769,2 коэффициент трения l = 0,0128

Отсюда находим

2.2.2 Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса G_возд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора.

,

где (31)

0.000025 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0.01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

Тогда

Объемна производительность вакуум-насоса равна:

, где (32)

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К);

М_возд – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

Р_возд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру и давление воздуха рассчитаем по уравнениям:

(33)

(34)

Тогда

На основании рассчитанных выше данных подбираем вакуум-насос типа ВВН-12 мощностью на валу N=20 кВт.

2.2.3 Расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора до температуры кипения

Условие: рассчитать теплообменный аппарат (кожухотрубчатый горизонтальный) для нагрева 4 кг/с водного раствора (Х_н = 12%) Са(NO3) 2 от 25 до 77,8 ^оС. Принимаю абсолютное давление греющего пара. Принимаю, что раствор в трубном пространстве течет в турбулентном режиме.

Кожухотрубчатые подогреватели предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогревания жидкостей за счет теплоты конденсации пара. В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар давлением Р_{г п} = 0,104 МПа. Удельная теплота конденсации

, температура греющего пара t_г.п. = 101,18 ^оС

Тепловой поток, принимаемый исходной смесью и ,соответственно, отдаваемый насыщенным водяным паром:

(35)

Расход насыщенного водяного пара:

(36)

Средняя разность температур теплоносителей:

(37)

Ориентировочно определяю максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл.4.8 /3/ минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к воде К_мин = 800 Вт/(м² К). При этом

(38)

Задаваясь Re=15000 определим соотношение n\z для подогревателя из труб

мм.

n\z = 4*G1/π*μ*d* Re, (39)

где n – число труб;

z – число ходов потрубному пространству;

μ=0,00038 Па·с;

n\z = 4*4/3,14*0,00038*15000*0,016=55

Уточненный расчет поверхности теплопередачи:

Наиболее близкое к заданному значению у подогревателя: D=325 мм, d_тр =

мм, число ходов 2, число труб 90. Тогда n\z = 45

Наиболее близкую поверхность имеет аппарат:

L=4 м² F=22,5 м²

Действительное число Re считается по формуле:

Re=4* G1 * z /π*μ*d* n (40)

Re=4*4*2/3,14*0,00038*0,016*90=18624

Коэффициент теплоотдачи к раствору определим пренебрегая поправкой

Pr=4, при t = 45º