Высоту барометрической трубы определяем из уравнения

H_бтр=B/ρg+(1+Σξ+λ∙H_ор/d)ω²/2g+0,5,

где В − вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; Σξ − сумма коэффициентов местных сопротивлений; λ − коэффициент трения в трубе; H_ор − ориентировочная высота и диаметр барометрической трубы, м; ρ − плотность воды, кг/м³; 0,5 − запас высоты на изменение барометрического давления.

Σξ=ξ_вх+ξ_вых,

где ξ_вх, ξ_вых − коэффициенты на входе в трубу и на выходе из нее.

Σξ=0,5+1,0=1,5.

Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определяем режим течения воды в барометрической трубе

,

где ρ – плотность воды при t_кон=58,5^оС, кг/м³; μ – вязкость воды при t_кон=58,5^оС, Па∙с. [3, 512, 514].

Среднее значение шероховатости стенок труб с незначительной коррозией е=0,2 мм [3, 512]. Относительная шероховатость d/e=300/0,2=1500. По [3, 22] определяем коэффициент трения λ=0,019.

Подставив указанные значения в (2.4), получим

Н_бтр=7,6∙10⁴/1000∙9,8+(1+1,5+0,019- Н_ор/0,3)0,25²/2∙9,8+0,5=8,3 м.

Расчет вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса L определяют расходом
несконденсированных газов, которые необходимо удалять из барометрического конденсатора

L=0,025(W₂+ G_в)/1000+0,01W₂;

L=0,025(14,6+2,8)/1000+0,01∙2,8=32,35∙10^-3 кг/с.

Определяем объемную производительность вакуум-насоса

V=R(273+t_в)L/(M_вP_в),

где R – универсальная газовая постоянная воздуха,

R=8310 Дж/кмоль∙К; M_в − молекулярная масса воздуха,

M_в =29 кг/кмоль; t_в − температура воздуха, °С; P_в − парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха определяем по уравнению

t_в= t_н+4+0,l(t_к- t_н);

t_в=20+4+0,l(58,5-20)=27,85°C.

Давление воздуха равно

Р_в=Р_бк-Р_п ,

где Р_п – давление сухого насыщенного пара при t_в=27,85°C, Р_п =0,039 атм. (приложения А20,АБ1).

Р_в=0,22∙98000-0,039∙98000=17738 Па.

V=8310(273+27,85)∙32,35∙10^-3/(29∙l7738)=0,157 м³/c=9,4 м³/мин.

Подбираем вакуум-насос типа ВВН-12, N=20 кВт, производительностью 12 м³/мин, остаточное давление 23мм. рт. ст. (приложение Б11)

Расчет трубопроводов

Диаметры трубопроводов рассчитываем по уравнению массового расхода

M=ωρf,

где М − массовый расход потока, кг/с; ω − средняя скорость потока, м/с [3, 17]; f − площадь поперечного сечения потока, м²; ρ – плотность потока, кг/м³.

Для трубопровода круглого сечения уравнение принимает вид

M=0,785d²ωρ.

Тогда диаметр трубопровода определяем по уравнению

d=(M/0,785ωρ)^0,5

Диаметр штуцера для подачи греющего пара в 1-й корпус

d_гр1=(2,84/0,785∙15∙1,3)^0,5=0,43 м.

Диаметр штуцера для выхода вторичного пара из 1-го корпуса

d_вт1=(2,7/0,785∙18∙0,52)^0,5=0,6 м.

Диаметр штуцера для выхода конденсата

d_{конденсат}=(2,84/0,785∙0,5∙1000)^0,5=0,085 м.

Диаметр штуцера для подачи раствора в 1-й корпус

d_р-ра1=(7,0/0,785∙1,5∙1037)^0,5=0,075 м.

Диаметр штуцера для выхода раствора из 1-го корпуса

d_упр-ра1=((7,0-2,7)/0,785∙0,5∙1046)^0,5=0,102 м.

По приложению Б16 подбираем стандартные диаметры штуцеров

d_гр1=426х11 мм; d_вт1=630х15 мм; d_{конденсат}=89х4,5 мм;

d_р-ра1=89х4,5 мм; d_упр-ра1=108х4 мм.

Расчет подогревателя

Устанавливается для подогрева раствора от начальной температуры t_н=20 °C до температуры кипения t_кип1=99,42 °C. Обогрев проводится греющим паром с температурой t_г1=126,55 °C. Средняя разность температур в теплообменнике равна

Δt_ср=(Δt_δ-Δt_м)/2,3∙lg(Δt_δ/Δt_м),

где Δt_δ = t_г1 -t_н =126,55-20=106,55°C;

Δt_м= t_г1 -t_кип1=126,55-99,42=27,13°C.

Δt_ср=(106,55-27,13)/2,3∙1g(106,55/27,13)=57,97°C.

Количество тепла необходимое для подогрева исходного раствора рассчитываем по формуле

Q_п=G_н∙c_н∙ (t_кип1- t_н),

где c_н – теплоемкость исходного раствора рассчитывается по формуле

c_н=4190∙ (1-0,05)=3980,5 Дж/кг∙К.

Q_п=7,0∙3980,5∙ (99,42- 20)=2212919 Вт.

Расход греющего пара в подогревателе равен

D_п= Q_п/ r_г1=2212919/2195000=1 кг/с

Задаемся значением коэффициента теплопередачи К=800 Вт/м²∙К [3, 172].

Поверхность теплопередачи равна

F= Q_п/K∙Δt_ср.

F=2212919/800∙57,97=47,7 м².

Устанавливаем двухходовой теплообменник поверхностью 57 м² (приложение Б12).

Диаметр кожуха 600 мм; диаметр труб 25х2 мм; длина труб 3000 мм; число труб 240 мм.

Расчет технико-экономических показателей

Теоретическая экономичность выпарки

Э_т=ΣW_i/D,

где D – расход греющего пара в первом корпусе.

Э_т=5,5/2,84=1,94 кг/кг.

Действительная экономичность выпарки

Э_д=ΣW_i/D₁

где D₁=D+D_п=2,84+1,0=3,84 кг/с.

Э_д=5,5/3,84=1,43 кг/кг.

Средняя производительность выпарки

n=ΣW_i/F.

n=5,5/250=0,022 кг/(м²с).

Удельный расход пара

G_уд=D₁/ΣW_i.

G_уд=3,84/5,5=0,7 кг/кг.

Удельный расход электроэнергии

Э_уд=ΣN_i/ΣW_i.

Э_уд=20/5,5=3,6 кВт/кг.

Заключение

В результате проведенного расчета подобран по каталогу выпарной аппарат с поверхностью F=125м², барометрический конденсатор D=1200мм, вакуум-насос типа ВВН-12, N=20кВт, подогреватель поверхностью F=57 м². Рассчитаны и подобраны по каталогу диаметры штуцеров выпарного аппарата.

Удельный расход пара составил G_уд=0,7 кг пара/ кг воды.

РАЗДЕЛ 3. ОФОРМЛЕНИЕ КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и двух листов графической части (схема установки и чертеж основного аппарата).