Бородулин Д.М. Процессы и аппараты химической технологии
Подождите немного. Документ загружается.
51
Q
пот
– потери тепла в окружающую среду (принимаем 5 ÷ 8 % от
полезно затрачиваемого тепла: на испарение воды и на
нагревание раствора до температуры кипения);
с
– теплоёмкость раствора CaCl
2
, выбираем по таблице 15
приложения 1;
с
в
– удельная теплоёмкость воды, с
в
= 4,18 кДж/(кг×К);
с
с
– удельная теплоёмкость растворенного вещества,
с
с
= 0,685 кДж/(кг×К);
В – концентрация раствора, %.
100
100
100
В
с
В
сс
вс
−
×+×=
. (15)
691,3
100
14100
18,4
100
14
685,0 =
−
×+×=с
кДж/кг.
Следовательно, с учётом тепловых потерь в 5%.
Q = 1,05×[1,53×3691×(80,84–63,14) + 0,53×2350×10
3
] = 1414×10
3
Вт.
Рассчитав тепловую нагрузку аппарата, определяем расход греющего
пара D кг/с, по формуле:
r
Q
D =
. (16)
6,0
2350000
1414000
==D
кг/с.
52
Площадь поверхности нагрева F м
2
, определяем из основного уравнения
теплопередачи:
полезРАСЧ
tК
Q
F
∆×
=
. (17)
46,13
95,601723
1414000
=
×
=F
м
2
.
4.2. Расчёт толщины тепловой изоляции
Толщину изоляционного слоя δ
из
м, определяем по формуле:
δ
из
=λ
из
( −
n
K
1
n
α
1
), (18)
где λ
из
– коэффициент теплопроводности изоляционного материала,
принимаем из таблицы 20 приложения 1 для шлаковой ваты
λ
из
=0,07 Вт/(м×К);
К
n
– коэффициент теплопередачи в окружающую среду, Вт/(м
2
×К).
К
n
=
возs
возиз
п
tt
tt
−
−
α
, (19)
где α
n
– коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к
окружающему воздуху, Вт/(м
2
×К). α
n
=9,3+0,06 t
из
;
t
из
– допустимая температура поверхности изоляции. t
из
= 40÷60˚C;
t
воз
– температура окружающей среды. t
воз
= 15
÷
25˚C.
t
s
– температура пара. t
s
= 141,79 ˚C.
Тогда.
α
n
=9,3+0,06×60=12,9 Вт/(м
2
×К).
53
К
n
=
=
−
−
×
2079,114
2060
9,12
12,9×0,513=5,54 Вт/(м
2
×К).
δ
из
=0,07×(
9,12
1
44,5
1
−
)=0,00744 м = 7,44 мм;
Толщина изоляции теплообменного аппарата в нашем случае составляет
δ
из
=7,44 мм.
В приложении 5 представлены типы, основные и габаритные размеры
элементов выпарных аппаратов, а так же их исполнения.
4.3. Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева
исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат
4.3.1. Определение средних температур теплоносителей
Рис. 5. Температурная схема
t’
нач
– начальная температура исходного раствора (по заданию);
∆
t
бол
,
∆
t
мен
– большая и меньшая
разность температур соответственно;
°
С; t
нач
– температура исходного раствора после подогревателя,
°
С
∆t
б
= t
конд.гр.п
– t’
нач
= 141,79–63,14 = 78,65 ˚C.
(20)
∆t
м
= t
конд.гр.п
– t
нач
= 141,79–105 = 36,79 ˚C.
(21)
Значение средней движущей силы рассчитаем по формуле:
54
)/ln(
мб
мб
ср
tt
tt
t
∆∆
∆
−
∆
=∆
. (22)
55
)79,36/65,78ln(
79,3665,78
=
−
=∆
ср
t
˚C.
Среднюю температуру раствора определяем по формуле:
t
ср.р
= t
конд.гр.п
– ∆t
ср
= 141,79–55=86,79 ˚C. (23)
4.3.2. Тепловой баланс подогревателя
Расход теплоты Q Вт, на подогрев исходного раствора от
температуры t’
нач
до температуры t
нач
найдем по формуле (24), приняв значение
теплоёмкости раствора при температуре t
нач
и концентрации х
нач
(таблица 15
приложения 1).
)(
начконначнач
ttсGQ
−
×
×
=
. (24)
236393)14,63105(10691,353,1
3
=−×××=Q
Вт.
Расход греющего пара G
гр.п.
кг/с, находим по формуле:
χ
×
=
r
Q
G
пгр .
, (25)
где
χ
– степень сухости пара,
χ
= 0,95.
105,0
95,02350000
236393
.
=
×
=
пгр
G
кг/с.
55
4.3.3. Ориентировочный расчет подогревателя
Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи К
ор
от
конденсирующегося пара к жидкости (таблица 1, глава 1) и рассчитываем
ориентировочную площадь теплообмена F
ор
м
2
, по формуле:
полезор
ор
tK
Q
F
∆×
=
. (26)
87,3
95,601000
236393
=
×
=
ор
F
м
2
.
4.3.4. Расчёт гидравлического сопротивления подогревателя
Коэффициент трения
λ
рассчитываем по формуле:
2
9.0
Re
81,6
7,3
lg25,0
−
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+×=
e
λ
, (27)
где е – относительная шероховатость труб, е =
∆
/d
экв
е = 0,0002/0,025=0,008;
∆
– высота выступов шероховатостей (в расчётах можно принять
∆
= 0,2 мм);
Rе – критерий Рейнольдса, для обеспечения турбулентного режима
движения жидкости принимаем Rе = 15000÷30000.
0399,0
15000
81,6
7,3
008,0
lg25,0
2
9.0
=
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+×=
−
λ
.
Скорость в штуцерах
ω
ш
м/с, определяем по формуле:
ρ
π
ω
×
×
=
4
2
ш
нач
ш
d
G
, (28)
56
где d
ш
– диаметр штуцеров в распределительной камере (принимаем
по приложению 3 в зависимости от диаметра кожуха
подогревателя), d
ш
= 0,2 м;
ρ
– плотность раствора в данном корпусе,
ρ
=1099,4 кг/м
3
(таблицы
5-8 приложения 1).
044,0
4,1099
4
2,014,3
53,1
2
=
×
×
=
ш
ω
м/с.
Гидравлическое сопротивление
∆
р
тр
Па, в трубном пространстве
определяем по формуле:
[]
××+−×+
×
×
×
×=∆ zz
d
zl
p
тр
экв
тр
2)1(5,2
2
2
ρω
λ
2
3
2
22
ρωρω
×
×+
×
×
тртр
, (29)
где z – число ходов по трубам, z =1 (приложение 3);
ω
тр
– скорость движения раствора в трубном
пространстве подогревателя.
экв
тр
d×
×
=
ρ
µ
ω
Re
, (30)
где µ – вязкость раствора, µ=0,8 мПа×с (приложение 1 таблица 19).
44,0
025,04,1099
108,015000
3
=
×
××
=
−
тр
ω
м/с.
Тогда:
[]
××+−×+
×
×
×
×=∆ 12)11(5,2
2
4,109944,0
025,0
13
0399,0
2
тр
p
57
5,1211
2
4,109944,0
3
2
4,109944,0
22
=
×
×+
×
×
Па.
4.4. Расчёт холодильника упаренного раствора
4.4.1. Определение средних температур теплоносителей
Рис. 6. Температурная схема движения теплоносителей при противотоке
t
кон
,t’
кон
– температура упаренного раствора до и после холодильника,
°
С;
t
нач.в
,t
кон.в
– температура охлаждающей воды до и после холодильника,
°
С;
Конечную температуру воды и упаренного раствора выбираем
самостоятельно, причём t
’
кон
следует принять из интервала 40 ÷ 30
°
С.
По формулам (20-22) определяем:
∆
t
б
,
∆
t
м
,
∆
t
ср
,
°
С.
∆t
б
= t
кон
– t
кон. в
= 63,14 – 12 = 51,14 ˚C.
∆t
м
= t’
кон
– t
нач. в
= 40 – 6 = 34 ˚C.
85,42
)34/14,51ln(
3414,51
=
−
=∆
ср
t
˚C.
Среднюю температуру воды t
вод.ср.
°
С, находим по формуле:
t
вод.ср
= (t
нач.в
+t
кон.в
)/2 = (6+12)/2 = 9
°
С. (31)
58
Среднюю температуру раствора t
ср.р
°
С, определяем по формуле:
t
ср.р
= t
вод.ср
+∆t
ср
= 9 + 42,85 = 51,85
°
С.
(32)
4.4.2. Тепловой баланс холодильника
Количество теплоты Q Вт, которое необходимо отвести от раствора для
его охлаждения, определяем по формуле:
Q = G
кон
×с
кон
×(t
кон
– t’
кон
), (33)
где G
кон
– расход упаренного раствора, кг/с;
с
кон
– удельная теплоёмкость раствора, (приложение 1,
таблица 13), с
кон
= 1,45 кДж/(кг
К).
Расход упаренного раствора G
кон
кг/с, определяем по формуле:
кон
начнач
кон
в
вG
G
×
=
, (34)
99,0
5,21
1453,1
=
×
=
кон
G
кг/с.
Тогда:
Q = 0,99×1,45×10
3
×(63,14 – 40) = 33590 Вт.
Так как вся отводимая от раствора теплота передаётся охлаждающей
воде, то её расход можно находим по формуле:
)(
.. вначвконвод
вод
ttс
Q
G
−×
=
, (35)
где с
вод
– теплоемкость воды, находим при температуре t
вод.ср
с
вод
=4,19 кДж/(кг
К) (приложение 1 таблица2).
33,1
)612(4190
33590
=
−×
=
вод
G
Вт.
59
4.4.3. Ориентировочный расчёт холодильника
Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи К
ор
от
конденсирующегося пара к жидкости (таблица 1, глава 1) и рассчитаем
ориентировочную площадь теплообмена F
ор
м
2
, по формуле:
полезор
ор
tK
Q
F
∆×
=
. (36)
55,0
95,601000
33590
=
×
=
ор
F
м
2
.
4.5. Расчёт барометрического конденсатора
4.5.1. Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды G
в
кг/с, определяем по формуле:
)(
нк
кп
в
ttc
ii
WG
−
−
=
, (37)
где i
п
– энтальпия паров в барометрическом конденсаторе,
i
п
=2614 кДж/кг при Р
вт.п
= 0,23 ат (приложение 1, таблица 27);
i
к
– энтальпия конденсата, i
к
= 264,3 кДж/кг при Р
вт.п
= 0,23 ат
(приложение 1, таблица 27);
t
н
– начальная температура охлаждающей воды,
°
С (принимаем в
диапазоне 4 ÷ 8
°
С);
t
к
– конечная температура смеси охлаждающей воды
и конденсата,
°
С (принимаем в диапазоне 50 ÷ 65
°
С);
с – теплоемкость воды, с = 4,18 кДЖ/(кг×К) при t
ср.в.
= 30
°
С.
95,5
)555(4180
10)3,2642614(
53,0
3
=
−×
×−
×=
в
G
кг/с.
60
4.5.2. Диаметр барометрического конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора d
б.к.
м, определяем из уравнения
расхода:
υπρ
××
×
=
W
d
кб
4
..
, (38)
где
ρ
– плотность паров,
ρ
= 0,1491 кг/м
3
(приложение 1, таблица 27);
υ
– скорость паров, при остаточном давлении в конденсаторе
порядка 10
4
Па скорость паров
υ
= 15 ÷ 25 м/с.
47,0
2014,31491,0
53,04
..
=
××
×
=
кб
d
м.
Принимаем d
б.к.
= 0,5 м.
4.5.3. Высота барометрической трубы
Скорость воды в барометрической трубе рассчитаем по формуле:
2
..
)(4
тб
в
в
d
WG
××
+
×
=
πρ
υ
, (39)
где
ρ
в
– плотность воды,
ρ
в
= 985 кг/м
3
при температуре t
к
(приложение 1, таблица 2);
d
б.m.
– диаметр барометрической трубы, d
б.m
= 0,15 м,
при d
б.к.
= 0,5 ÷ 0,8 м.
33,0
15,014,3985
)53,095,5(4
2
=
××
+
×
=
в
υ
м/с.
Высоту барометрической трубы Н
б.т.
м, определяем по формуле:
5,0
2
)1(
2
..
..
..
++++=
∑
gd
Н
g
В
Н
в
тб
тб
тр
в
тб
υ
λξ
ρ
, (40)