Методические рекомендации к курсовому проекту по процессам и аппаратам химических и пищевых технологий для студентов специальностей 240706, 260601, 240701, 240702, 260204, 240901 дневной, вечерней и з (стр. 5 из 11)
Поэтому с точки зрения рационального использования теплоэнергетических и сырьевых ресурсов значение тепловых процессов очень
велико.
Задачи теплообмена весьма разнообразны. В зависимости от целей технологии происходят следующие тепловые процессы:
а) нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред;
б) конденсация паров химически однородных жидкостей и их
смесей;
в) испарение воды в парогазовую среду (увлажнение воздуха, сушка материалов);
г) кипение жидкостей.
Особенностями тепловых процессов являются:
· широкий диапазон температур теплопереноса (от температур, близких к абсолютному нулю, до несколько тысяч выше нуля);
· теплоперенос, осуществляющийся в агрессивных средах и при высоких давлениях, что предъявляет особые требования к аппаратурному оформлению этих процессов.
Поскольку в технике непосредственный контакт теплоносителей с другими теплоносителями в большинстве случаев недопустим, то теплопередачу осуществляют в различных теплообменниках, где твердая стенка разделяет рабочие среды. Твердая стенка служит поверхностью нагрева и конструктивно выполняется в виде труб, рубашек и т.д.
При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо учитывать многочисленные факторы, влияющие на процесс теплопередачи, и противоречивые требования, предъявляемые к теплообменным аппаратам:
1) соблюдение условий протекания технологического процесса;
2) возможно более высокий коэффициент теплопередачи;
3) низкие гидравлические сопротивления;
4) устойчивость теплообменных поверхностей к действию коррозии;
5) доступность поверхности теплопередачи для очистки;
6) технологичность конструкции с точки зрения ее изготовления и обслуживания;
7) экономическое использование материалов.
Вещества, которые участвуют в теплопередаче, называются теплоносителями. При выборе теплоносителя необходимо учитывать следующие требования:
· теплоноситель должен обеспечивать высокую интенсивность теплопередачи;
· теплофизические характеристики теплоносителя должны иметь достаточно высокие значения (теплоемкость, теплопроводность, теплота парообразования, и теплоотдачи);
· теплоноситель должен обладать высокими значениями плотности и низкой вязкостью;
· теплоноситель должен быть не токсичным, не ядовитым, пожаро-взрывобезопасным, дешевым и доступным, термически устойчивым и не обладать корродирующим действием.
Выбор теплоносителя для каждого конкретного случая индивидуален и определяется, прежде всего, величиной температуры нагревания и необходимостью ее регулирования.
В химической промышленности зачастую необходимо получать более концентрированные растворы веществ. Одним из способов концентрирования вещества является процесс выпаривания, который подразумевает под собой процесс концентрирования нелетучих или малолетучих веществ путем удаления летучего растворителя в виде пара при температуре кипения.
Выпаривание может проводиться:
- под атмосферным давлением;
- вакуумом;
- избыточным давлением.
Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.
Наибольшее распространение в промышленности получили три вида выпаривания:
1) простое однокорпусное выпаривание;
2) многократное или многокорпусное выпаривание. Это выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус;
3) выпаривание с тепловым насосом. Применение теплового насоса позволяет сэкономить первичный пар.
Два последних способа наиболее энергетически выгодны.
Цель выполнения технологических расчетов (тепловых), как теплообменных, так и выпарных аппаратов сводится к определению теплопередающей поверхности путем совместного решения уравнений теплопередачи и теплового баланса при заданных расходах теплоносителей и температурных условиях. Особенностью расчета выпарных установок является то, что необходимо дополнительно определить: количество воды, выпариваемой в каждом корпусе, расход греющего пара, распределение полезной разности температур между корпусами.
7.2.1 Порядок расчета теплообменников
7.2.1.1 Выбирается конструкция аппарата, определяющие размеры (диаметры, длины, высоты по стандартам), скорости и места расположения теплоносителей (трубное, межтрубное) и их взаимное направление (прямоток, противоток).
7.2.1.2 Определяется тепловая нагрузка:
, если агрегатное состояние теплоносителя не изменяется; 
, если агрегатное состояние теплоносителя изме-няется;7.2.1.3 Составляется тепловой баланс Q = Q1= Q2, из которого определяются расход второго теплоносителя и его температура.
7.2.1.4 Определяется температурный режим (среднелогарифмической или среднеарифметической разности температур).
7.2.1.5 Выбираются физические параметры теплоносителей (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, коэффициент теплопроводности, теплоемкость и др.).
7.2.1.6 Проводится приближенная оценка коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и теплопередающей поверхности.
7.2.1.7 Сопоставляются поверхности теплообмена выбранного аппарата и та, которая была определена из расчета. Если расчетное значение больше или существенно меньше, то выбирается другой типоразмер теплообменника, и расчет повторяется. Если различие в площадях находится в пределах 5%, расчет продолжается.
7.2.1.8 Выбирается тип нормализованного варианта конструкции: Fнорм., d, H, D и другие параметры.
7.2.1.9 Производится гидравлический расчет: определяются скорость жидкости, коэффициенты трения в зависимости от числа Рейнольдса, местные сопротивления; рассчитывается гидравлическое сопротивление в трубном и межтрубном пространстве.
7.2.1.10 Производится расчет и выбор вспомогательного оборудования (расходные емкости, трубопроводы, насосы, кондесатоотводчики и др. в зависимости от условий проведения процесса).
Графическая часть включает: 1) технологическую схему установки процесса теплообмена с трубопроводами, насосами, арматурой, контрольно-измерительной аппаратурой; 2) чертеж основного аппарата (теплообменник в двух проекциях).
7.2.2 Порядок расчета выпарной установки
7.2.2.1 Определяется общее количество выпариваемой воды.
7.2.2.2 Определяется количество экстрапара, отбираемого из первого корпуса при условии, что тепловая нагрузка равномерно распределена на все подогреватели.
7.2.2.3 Распределяется нагрузка по корпусам, и определяются средние концентрации.
7.2.2.4 Определяются температурные потери по корпусам:
а) гидродинамическая депрессия (обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений);
б) гидростатическая депрессия (обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности);
в) температурная депрессия (обусловлена разностью температур кипения исходного и упаренного растворов).
7.2.2.5 Распределяется по корпусам полезная разность температур, исходя из соотношений:
Q1:Q2:Q3=W1:W2:W3; K1:K2:K3=1:0,58:0,34.
7.2.2.6 Определяются температуры кипения по корпусам, и составляется таблица температурного режима, вычисляются коэффициенты испарения, самоиспарения, коэффициенты при греющем паре
и растворе.
7.2.2.7 Определяется количество греющего пара первого корпуса.
7.2.2.8 Уточняется нагрузка по корпусам.
7.2.2.9 Составляется тепловой баланс по корпусам.
7.2.2.10 Определяются коэффициент теплопередачи, поверхность теплообмена. Производится конструктивный расчет аппарата с определением парового пространства, штуцеров и циркуляционной трубы для искусственной циркуляции.
7.2.2.11 Определяется расход воды в конденсаторе.
7.2.2.12 Рассчитываются производительность и мощность вакуум-насоса. Производительность обязательно рассчитывается по воздуху, содержащемуся в паре и воде; мощность максимальная (при
р2=0,3·105 Па).
7.2.2.13 Производится расчет и выбор вспомогательного оборудования (теплообменников, конденсатоотводчиков, барометрического конденсатора, емкостей под исходный и конечный раствор, трубопроводов, насосов и др.) в зависимости от технологических условий.
Графическая часть включает: 1) технологическую схему выпарной установки с сопутствующим вспомогательным оборудованием;
2) чертеж основного аппарата (разрез греющей камеры, сепарирующего устройства).
7.3 Массообменные процессы
Процессы, сущностью которых является перенос вещества, называются массообменными процессами или диффузионными. Подобно теплопередаче массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы /1-5, 20, 40-69/.
При анализе массообменных процессов исходят из условия состояния границы контакта фаз. По этому принципу подобные процессы подразделяют на массопередачу:
а) в системах со свободной границей раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость);
б) в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ-твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-твердое тело);
в) через полупроницаемые перегородки (мембраны).
Процессы массопередачи обычно обратимы, причем направление перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах
и условиями равновесия. Предельным состоянием массообменных систем является достижение системой равновесия, при котором перенос вещества прекращается, т.е. в системе не происходит никаких видимых изменений.