Курсовая работа: Проект отделения выпаривания карбамида цеха производства карбамида

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

УКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химической технологии неорганических веществ и экологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по теме:

Проект отделения выпаривания карбамида цеха производства карбамида

Днепропетровск 2007

Содержание

1. Введение

2. Расчет коэффициента теплопередачи и поверхности теплопередачи выпарного аппарата

3. Блок-схема

4. Таблица идентификаторов

5. Решение на ЭВМ

Литература

1. Введение

Карбамид (мочевина) СО(NH₂ )₂ представляет собой амид карбаминовой кислоты.

NН₂

/

Структурная формула О=С

\

NН₂

Карбамид выпускается в виде гранул или кристаллов. В данном производстве карбамид выпускается в виде гранул. По внешнему виду гранулы карбамида белые или слабо окрашенные. Чистый карбамид СО(NH₂ )₂ содержит 46,6 % азота в амидной форме. Раствор карбамида в воде обладает слабощелочными свойствами. Физико-химические свойства карбамида:

Таблица 1.1.

С некоторыми солями карбамид образует комплексные соединения. При смешении в определенных соотношениях с аммиачной селитрой карбамид образует комплексные соединения, более растворимые, нежели каждая соль в отдельности.

Комплексные соединения карбамид образует с нормальными углеводородами и их производными. Реагируя с формальдегидом при нагревании в присутствии щелочи, карбамид образует различные высокомолекулярные продукты, которые применяются в промышленности для изготовления пластических масс. Продукт, полученный путем конденсации карбамида с формальдегидом в кислой среде представляет собой карбамидо-формальдегидное удобрение, содержащее до 40 % азота, большая часть которого находится в труднорастворимой, но полностью усвояемой растениями форме.

В воде карбамид растворяется хорошо. При повышении температуры его растворимость увеличивается.

Карбамид легко растворяется в жидком аммиаке, образуя соединение СО(NH₂ )₂ NH₃ с массовой долей 71,9 % карбамида и 22,1 % вес аммиака и существующее только в растворах. С повышением температуры растворимость карбамида в аммиаке значительно возрастает.

Твердый карбамид, нагретый под вакуумом до 120-130 ^о С возгоняется без разложения. Нагревание сухого карбамида при атмосферном давлении выше температуры плавления 132,7 ^о С приводит к образованию биурета, а при 180-190 ^о С - циануровой кислоты: амелида и др.

Карбамид выпускается по ГОСТ 2081-92Е, который соответствует требованиям к карбамиду, изготовляемому для нужд сельского хозяйства и для поставки на экспорт:

Таблица 1.2.

Карбамид находит широкое применение как в сельском хозяйстве, так и в промышленности. В сельском хозяйстве он используется как азотное удобрение и кормовое средство.

Раствор карбамида концентрируют с помощью упаривания раствора карбамида в выпарных аппаратах. Раствор карбамида после стадии рецикла с концентрацией 69 - 75 % подвергается процессу выпаривания.

Процесс выпаривания протекает в двухступенчатой выпарной установке. В первой ступени выпарки раствор карбамида упаривается до массовой доли карбамида не менее 95 % при температуре 125 - 130 ^о С и абсолютном давлении 25 - 49 кПа. Во второй ступени выпарки раствор карбамида концентрируется от 95 % до 99,8 % при температуре 135 - 140 ^о С и абсолютном давлении не более 4,9 кПа.

Температура процесса упаривания поддерживается за счет подачи пара в межтрубное пространство испарителей. Полученный после выпаривания раствора карбамида плав направляется на грануляцию для получения товарного продукта.

В данном курсовой работе произведен расчет коэффициента теплопередачи и поверхноститеплопередачи выпарного аппарата с использованием ЭВМ.

2. Расчет коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачидля корпуса выпарного аппарата определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

где a₁ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке, Вт/(м² К); Sd/l - Суммарное термическое сопротивление, м² К/Вт; a₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору, Вт/(м² К).

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки d_ст /l_ст и накипи d_н /l_н (/l_н =2Вт/мК). Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке рассчитывается по формуле:

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; r_ж , l_ж , m_ж -соответственно плотность (кг/м³ ), теплопроводность Вт/м*К, вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки t_пл =t_г.п. - Dt₁ – разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет a₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Dt₁ =2,0 град. Тогда получим:

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м² ; Dt_ст - перепад температур на стенке, град; Dt₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Полезная разность температур в аппарате Dt_п рассчитывается по формуле:

Отсюда:

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен,:

Подставив численные значения получим:

Физические свойства кипящего раствора карбамида и его паров приведены ниже:

Таблица 2.1

Параметр	Значение	Литература
Теплопроводность раствора l, Вт/м*К	0,421
Плотность раствора r, кг/м3	1220
Теплоемкость раствора с, Дж/кг*К	1344
Вязкость раствора m, Па*с	2,58*10-3
Поверхностное натяжение s, Н/м	0,036
Теплота парообразования rв , Дж/кг	2170
Плотность пара rп , кг/м3	2,2

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Как видим .

Для второго приближения примем Dt₁ =2,48 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 0,48 град, рассчитываем a₁ :

Получим:

Как видим, .

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 5%, поэтому расчет коэффициентов a₁ и a₂ на этом заканчиваем.

Находим теперь коэффициент теплопередачи:

Расчет поверхности теплопередачи

Рассчитаем поверхность теплопередачи выпарного аппарата:

где F- площадь теплообменника, м² ; Q -количество передаваемой теплоты, Дж; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К); Dt_п - полезная разность температур, К.

3. Блок-схема

4. Таблица идентификаторов

5. Решение на ЭВМ

Program Raschet_koefficienta_teploperedachi i poverhnosti teploperedachi viparnogo apparata

Var A1,A2,K,F1,Z,Ri,Rg,Lg,Mg,H,dt1,E,L,R,Rp,S,q1,q2,Rv,R0,Ci,Mi,dtst,dt2,dtp,dtg,dtk, Q,F:real;

Begin

Writeln ('Ввести температуру греющего пара tg=');

Readln (tg);

Writeln ('Ввести температуру раствора в корпусе tk=');

Readln (tk);

Writeln ('Ввести разность температур конденсации пара и стенки dt1=');

Readln (dt1);

Writeln ('Рассчитаем полезную разность температур tp');

tp:=tg-tk;

Writeln ('tp=',tp:3:3);

Writeln ('Ввести теплоту конденсации греющего пара Ri=');

Readln (Ri);

Writeln ('Ввести плотность конденсата Rg=');

Readln (Rg);

Writeln ('Ввести теплопроводность конденсата Lg=');

Readln (Lg);

Writeln (Ввести вязкость конденсата Mg');

Readln (Mg);

Writeln ('Ввести высоту трубок H=');

Readln (H);

Writeln ('Ввести суммарное термическое сопротивление E=');

Readln (E);

Writeln ('Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке A1 равен');

A1:=2.04*(exp(0.25*ln((Ri*(exp(2*ln(Rg)))*(exp(3*ln(Lg))))/(Mg*H*dt1))));

q1:=A1*dt1;

dtst:=A1*dt1*E;

dt2:=(tp-dtst-dt1);

Writeln ('A1=',A1:6:2,'q1=',q1:6:2,'dtst=',dtst:3:3,'dt2=',dt2:3:3);

Writeln ('Ввести теплопроводность раствора L=');

Readln (L);

Writeln ('Ввести плотность раствора R=');

Readln (R);

Writeln ('Ввести плотность пара Rp=');

Readln (Rp);

Writeln ('Ввести поверхностное натяжение S=');

Readln (S);

Writeln ('Ввести теплоту парообразования Rv=');

Readln (Rv);

Writeln ('Ввести R0=');

Readln (R0);

Writeln ('Ввести теплоемкость раствора Ci=');

Readln (Ci);

Writeln ('Ввести вязкость раствора Mi=');

Readln (Mi);

Writeln ('Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору A2 равен ');

F1:=760*(exp(0.6*ln(q1)))*(exp(1.3*ln(L)))*(exp(0.5*ln(R)))*(exp(0.06*ln(Rp)));

Z:=(exp(0.5*ln(S)))*(exp(0.6*ln(Rv)))*(exp(0.66*ln(R0)))*(exp(0.3*ln(Ci)))* (exp(0.3*ln(Mi)));

A2:=F1/Z;

Writeln ('A2=',A2:6:2);

Writeln ('Проверка равенства удельных тепловых нагрузок');

q2:=A2*dt2;

Writeln ('q1=',q1:6:2,'q2=',q2:6:2);

Writeln ('Расчитаем коэффициент теплопередачи K=');

K:=1/((1/A1)+E+(1/A2));

Writeln('K=',K:6:2);

Writeln ('Введем тепловую нагрузку Q=);

Readln (Q);

Writeln ('Расчитаем поверхность теплообмена');

F:=Q/(K*tp);

Writeln ('F=',F:6:2);

End.

Результат

Turbo Pascal Version 7.0 Copyright (c) 1983,92 Borland International

Ввести температуру греющего пара tg=

143

Ввести температуру раствора в корпусе tk=

132

Ввести разность температур конденсации пара и стенки dt1=

2.48

Рассчитаем полезную разность температур tp

tp=11.00

Ввести теплоту конденсации греющего пара Ri=

2135000

Ввести плотность конденсата Rg=

923

Ввести теплопроводность конденсата Lg=

0.685

Ввести вязкость конденсата Mg

0.000193

Ввести высоту трубок H=

3

Ввести Суммарное термическое сопротивление Е=

0.0003694

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке A1 равен

A1=9163.59q1=22725.71dtst=8.395dt2=0.125

Ввести теплопроводность раствора L=

0.421

Ввести плотность раствора R=

1220

Ввести плотность пара Rp=

2.2

Ввести поверхностное натяжение S=

0.036

Ввести теплоту парообразования Rv=

2170

Ввести R0=

0.579

Ввести теплоемкость раствора Ci=

1344

Ввести вязкость раствора Mi=

0.00258

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору A2 равен

A2=192581.91

Проверка равенства удельных тепловых нагрузок

q1=22725.71q2=24096.09

Рассчитаем коэффициент теплопередачиi K=

K=2067.31

Введем тепловую нагрузку Q1=

921828

Рассчитаем поверхность теплообмена

F= 40.54

6. Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1976. 552с.

2. Основные процессы и аппараты под редакцией Дытнерского Ю.И. М.: Химия, 1991, 496с.

3. Постоянный технологический регламент №71 по производству гранулированного карбамида цеха карбамид-2.

4. Кафаров В.В., Глебов М.Б., Математическое описание основных процессов химических производств. М: Высш. школа, 1991.400с.