Выпаривание

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Спроектировать выпарную установку для выпаривания раствора от начальной концентрации чН = 15 % масс до конечной чК = 55 % масс. Производительность аппарата по исходному раствору NaNО3, G = 5,55 кг/c. Обогрев первого корпуса выпарного аппарата производится сухим насыщенным водяным паром под давлением р = 0,70 МПа. Последний корпус выпарного аппарата работает под давлением рБК = 95кПа. Установка обслуживается смешивающим противоточным барометрическим конденсатором и поршневым вакуум - насосом. Охлаждающая вода поступает в конденсатор при температуре tB = 293 К. Слабый раствор поступает при температуре tH = 313 К и перед входом в первый корпус нагревается до температуры кипения в последовательно соединенных подогревателях.



Введение

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м2 в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В данном курсовом проекте для расчетов принята двухкорпусная выпарная установка. Конструкция выпарного аппарата: с принудительной циркуляцией и внутренней греющей камерой. Выбор конструкции обусловлен малой вязкостью выпариваемого раствора, повышенной интенсивностью выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Нитрат натрия (чилийская селитра) применяют как удобрение, в производстве солей Na и нитритов, как компонент закалочных ванн в металлообрабатывающей промышленности, теплоаккумулирующих составов, в ракетных топливах, пиротехнических составах, в производстве стекла, как компонент жидких солевых хладагентов (селитряной смеси), консервант пищевых продуктов.



1. Выпаривание

Процесс выпаривания широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов, выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации, а иногда - для выделения растворителя (например, при получении питьевой или технической воды в выпарных опреснительных установках). Выпаривание - один из важнейших процессов в химической промышленности, поскольку многие реакции проходят в растворах, и продукты реакций также могут находиться в растворах. Это наиболее выгодный и простой способ разделения компонентов раствора. Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным. Образующийся при выпаривании пар называется вторичным, или соковым.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с атмосферной выпаркой: снижается температура кипения раствора, что дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата; несколько снижаются потери теплоты в окружающую среду (за счет снижения температуры стенки); появляется возможность использования теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам относятся удорожание установки за счет дополнительного оборудования, а также больший расход греющего пара на килограмм выпариваемой жидкости.

При больших производительностях (от нескольких кубических метров в час и выше), что характерно для промышленности, выпаривание проводят по непрерывному принципу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, иначе говоря, гидродинамическая структура потоков в таких аппаратах близка к модели идеального смешения, поэтому концентрация раствора в таких аппаратах близка к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи.

Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и необходимости упаривания раствора до существенно высоких концентраций.

1.1 Виды выпарных аппаратов

Выпарные аппараты можно разделить на:

Непрерывно действующие;

В этом случае в аппарат непрерывно подают раствор, получают нужную концентрацию, а упаренный раствор также непрерывно из него выводят.

Периодические;

Периодическое выпаривание проводят с целью получения концентраций высокой степени при условии малой производительности оборудования. При этом в аппарат подают раствор, затем выпаривают его до нужного состояния концентрации, обязательно сливают и опять загружают новую дозу того же раствора.

В области химической промышленности чаще используются выпарные установки непрерывного действия, имеющие большую производительность из-за внушительной нагревающейся поверхности. Ее объем в одном аппарате может достигать до 2500 м2.

Однако в химической технологии не меньшей востребованностью пользуются и выпаривающие агрегаты поверхностного варианта, в частности, вертикальные трубчатые, отличающиеся непрерывным действием парового обогрева.

Выпарное оборудование также делят на несколько видов по принципу движения в них кипящей жидкости:

приборы со свободной циркуляцией;

приборы с естественной циркуляцией;

приборы с принудительной циркуляцией;

выпарные аппараты пленочного типа (к ним же относят оборудование роторного типа).

Аппарат с естественной циркуляцией, который имеет трубу вскипания и вынесенную нагревающую камеру. В данном приборе раствор циркулирует из-за разницы показателей плотности в отдельных местах аппарата. Раствор, подвергаемый выпариванию, нагревается, поднимаясь по трубам, и вскипает по мере своего подъема. Образовавшуюся смесь пара и жидкости определяют в специальный разделитель (сепаратор), где и проводят отделение паровой и жидкой фаз друг от друга.

При этом высота пространства, где образуется пар, обязательно должна удовлетворять условиям прохождения полной сепарации капель жидкости из пара, которые потом выбрасываются через кипятильные трубы. Далее вторичный пар снова пропускают через сепаратор и освобождают брызгоотделитель от капель, а сам раствор по циркуляционной трубе возвращается в нагревающую камеру.

В подобных аппаратах легче всего проходит очищение поверхности от разного рода отложений, потому что за счет открытой верхней крышки нагревающей камеры упрощается доступ к трубам.

Условия для особо активной циркуляции раствора создаются за счет того, что сама циркуляционная труба практически не нагревается, а плотность раствора в выносной циркуляционной трубе намного больше, чем в прочих циркуляционных трубах, которые размещены в нагревающих камерах. Это не дает образовываться на поверхности отложениям и обеспечивает относительно большую скорость циркуляции раствора.



1.2 Классификация выпарных аппаратов

Выпарные аппараты можно классифицировать следующим образом:

1. По принципу действия -- на аппараты периодического и непрерывного действия. Периодические аппараты имеют ряд преимуществ перед непрерывными; при одной и той же начальной и конечной концентрациях раствора в них достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи; облегчается перекачка концентрированного вязкого раствора, так как ее можно осуществить после концентрирования при атмосферном или повышенном давлении (в вакуум-выпарных аппаратах непрерывного действия откачка вязкого раствора затруднена, особенно из последней ступени). Однако эти установки могут использоваться лишь при небольших производительностях.

2. По первичному теплоносителю -- на аппараты с паровым, газовым (продукты сгорания, горячий воздух и др.), жидкостным (вода, масло и. др.) теплоносителем, а также с электрическим обогревом. В промышленной практике чаще всего применяют обогрев паром, обеспечивающий высокий коэффициент теплоотдачи наряду с удобством регулирования установки. В ряде случаев целесообразно использование тепла отходящих газов различных технологических агрегатов.

3. По совмещению стадий нагрева и парообразования -- на аппараты, в которых эти стадии совмещены, аппараты с вынесенной зоной парообразования и с вынесенной поверхностью нагрева. Последние два типа аппаратов применяют для предотвращения интенсивных отложений на поверхности нагрева.

4. По подвижности поверхности нагрева -- на аппараты с неподвижной и подвижной поверхностью нагрева. Применение последней вызвано стремлением интенсифицировать процесс теплообмена. Подвижность поверхности нагрева обеспечивается ее вращением или вибрацией. В таких аппаратах скорость движения жидкости относительно поверхности нагрева высока, вследствие чего существенно повышается интенсивность теплообмена; отложения уменьшаются либо предотвращаются полностью. При этом существенно повышается степень концентрирования растворов.

5. По способу организации движения раствора - на аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, однократной и многократной. Естественная циркуляция может осуществляться в объеме аппарата либо обеспечиваться специальными, циркуляционными трубами. Принудительная циркуляция организуется с помощью насосов, мешалок или подачи пара (газа). Циркуляция (перемещение) раствора может создаваться также путем вращения либо обеспечиваться специальными циркуляционными трубами. Принудительная циркуляция организуется с помощью насосов, мешалок или подачи пара (газа). Циркуляция (перемещение) раствора может создаваться также путем вращения либо вибрацией поверхности нагрева.

6. По расположению зоны испарения -- на аппараты, в которых испарение раствора производится либо внутри труб, либо в объеме аппарата. При этом жидкость может находиться снаружи поверхности нагрева или же внутри ее.

7. По степени заполнения сечения труб -- на аппараты с заполненным и незаполненным сечением. К последним относятся аппараты со вставками и пленочные. Пленочные выпарные аппараты получают в настоящее время все более широкое распространение благодаря тому, что обладают высокой интенсивностью теплообмена при малых температурных напорах. По способу движения пленки такие аппараты подразделяются на аппараты с ниспадающей и восходящей пленкой, а также пленкой, движущейся под действием центробежных сил.

8. По направлению движения пара и жидкости -- на аппараты, в которых жидкость движется снизу вверх или же сверху. Аппараты с ниспадающей пленкой также подразделяются по направлению движения вторичного пара -- вверх или вниз. Последний способ благоприятно сказывается на режиме теплообмена, так как движение пара и пленки в одном направлении способствует увеличению скорости пленки и ее турбулизации.

9. По ориентации поверхности нагрева -- на аппараты, в которых поверхности нагрева располагаются вертикально, горизонтально или наклонно.

Выпарные аппараты могут подразделяться также по степени концентрирования -- на аппараты небольших концентраций (первые корпуса МВУ) и аппараты высоких концентраций, используемые в однокорпусных установках и в последних ступенях МВУ; по производительности -- на аппараты малой и большой производительности.

Конструкции выпарных аппаратов весьма разнообразны, что не всегда диктуется необходимостью. Число действительно эффективных и необходимых типов аппаратов может быть существенно уменьшено, хотя для ряда растворов и условий производства не созданы необходимые выпарные аппараты. Это, в частности, относится к аппаратам предельного выпаривания.

Наиболее распространенным теплоносителем в выпарной технике является водяной пар, поэтому в большинстве случаев основной процесс в греющей камере -- конденсация пара. Она может осуществляться внутри и снаружи труб, а также на плоских и цилиндрических поверхностях. Поверхности конденсации могут быть гладкими и волнистыми.

При конструировании греющих камер основное внимание уделяется обеспечению необходимой прочности камеры, равномерному распределению парового потока и полному отводу конденсата и неконденсирующихся газов. Чаще всего греющая камера состоит из обечайки с приваренными к ней двумя трубными досками, в которые завальцованы трубки поверхности нагрева. Обечайка может явиться частью корпуса аппарата. В этом случае пар подводится через поверхность обечайки. Греющие камеры могут подвешиваться внутри корпуса. В этом случае греющий пар может подводиться либо через одну из трубных досок в центральную часть камеры, не заполненную трубками, либо через трубу расположенную в центре камеры. Эта труба, открытая с одного конца, имеет прорези для равномерного распределения пара по высоте труб. В греющей камере устанавливаются перегородки, которые выполняют двойную функцию: обеспечивают течение пара перпендикулярно трубам и увеличивают жесткость трубного пучка, препятствующую вибрации труб. Конденсат отводится из нижней точки греющей камеры через конденсатоотводчики, предотвращающие выход пара из камеры.

Важное значение имеет оттяжка неконденсирующихся газов, скапливающихся у поверхности конденсации. Она производится с помощью специальных заборных трубок, расположенных в различных точках пространства греющей камеры. В простейшем случае осуществляется продувка парового пространства в одной или нескольких точках корпуса греющей камеры.

При конденсации пара внутри горизонтальных труб для интенсификации движения конденсата поверхность нагрева устанавливается под небольшим углом, а также осуществляется дополнительный пропуск пара, способствующий удалению конденсата.

Выпаривание осуществляется внутри или снаружи труб. Поверхности теплообмена со стороны выпариваемой жидкости могут быть гладкими, шероховатыми, полированными, волнистыми, оребренными. Для снижения интенсивности отложений при выпаривании коллоидных растворов и суспензий используются полированные поверхности, однако стоимость их обработки высока.

1.3 Устройство выпарных аппаратов

Все варианты конструкций выпарного оборудования, которое находит применение в промышленности, классифицируют:

по виду нагревательной поверхности (змеевики, трубчатки или паровые рубашки);

по виду теплоносителя (носители тепла с высокой температурой, электроток, водяной пар и т.д.);

по расположению нагревательной поверхности (приборы, имеющие вертикальную, горизонтальную или и вовсе наклонную нагревательную камеру);

в зависимости характера движения теплоносителя внутри или снаружи труб нагревательной камеры.

Однако более важным признаком для классификации всех выпарных аппаратов, считают кратность и вид циркуляции раствора, поскольку именно эти показатели лучше всего характеризуют интенсивность их работы.

В связи с этим выпарное оборудование делят на подвиды:

выпарные аппараты со свободной (неорганизованной), естественной направленной и принудительной циркуляциями;

прямоточные аппараты, где раствор выпаривается всего за один свой проход через аппарат, минуя циркуляцию раствора, и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора;

в зависимости от того, как организован процесс выпаривания, выделяют аппараты с периодическим и непрерывным действием.

Самыми распространенными, считаются аппараты, имеющие центральную циркуляционную трубу и внутреннюю нагревательную камеру.

В нижнем отсеке вертикального корпуса агрегата есть специальная нагревательная камера. Она включает в себя циркуляционную трубу внушительного диаметра, которую устанавливают по оси камеры, и две трубные решетки, в которых закрепляют часто развальцованные кипятильные трубы примерной длинной 3-4 м. В пространство между нагревательной камерой и трубой подают горячий пар.

Раствор попадает в аппарат над решеткой верхней трубы и опускается вниз по циркуляционной трубе, а потом идет вверх по кипятильным трубам и вскипает на расстоянии от их нижних краев. Вот почему почти по всей длине труб смесь жидкости и пара идет вверх, наращивая содержание пара по мере движения.

Далее вторичный пар подается в сепарационное поле, где брызгоуловитель меняет направление потока пара, и от него, за счет действия сил инерции, отделяется унесенная влага. Затем вторичный пар удаляют через специальный штуцер вверху прибора, а упаренный раствор поступает в коническое дно аппарата, где его убирают через нижний штуцер как конечный или промежуточный результат.

Циркуляция раствора в подобном агрегате идет из-за разности его плотности в циркуляционной трубе и смеси жидкости и пара в кипятильных трубах. Необходимая разность плотностей объясняется тем, что поверхность обмена теплом каждой из кипятильных труб в соотношении с единицей объема упаренного раствора, намного превышает аналог циркуляционной трубы. Это происходит за счет того, что поверхность трубы имеет линейную зависимость от диаметра, а объем в ней жидкости прямо пропорционален квадрату диаметра. Вот и получается, что образование пара в кипятильных трубах должно проходить намного интенсивней, чем в циркуляционных аналогах, а вот плотность раствора в них становится ниже, чем в этом виде трубы.

Как результат происходит естественная циркуляция, которая улучшает передачу тепла и не дает накипи образовываться на поверхности при теплообмене.

В приборах такой конфигурации циркуляционная труба нагревается паром, как и кипятильная, а это уменьшает разность смеси жидкости и пара и плотностей раствора, что может привести к нежелательному образованию пара в циркуляционной трубе. Существенным недостатком таких аппаратов также является и жесткое крепление труб, которое не дает увеличить разность корпуса прибора и тепловых удлинений труб.



1.4 Многокорпусные выпарные установки

В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. Выше было показано, что в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпусной выпарной установке. Как указывалось, принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, посту пающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 1.

Рис. 1 - Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка: 1--корпуса установки; 4 -- подогреватель исходного раствора; 5 -- барометрический конденсатор; 6 -- ловушка; 7 -- вакуум-насос

Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.

Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.

Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.

Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку главным образом с охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур греющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, давление вторичного пара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно.

Основные схемы многокорпусных установок. Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением.

Наиболее распространены выпарные установки первой группы. Помимо установки, показанной на рис. 2, в промышленной практике применяют установки аналогичного типа, обладающие повышенной экономичностью за счет использования тепла пара низкого потенциала. Так, например, иногда обогрев первого корпуса производят отработанным паром из паровых турбин, который является в данном случае первичным паром.

Дросселированный свежий пар, например из ТЭЦ, добавляется только для поддержания стабильного режима работы выпарной установки при колебаниях нагрузки турбины.

В выпарных установках, работающих под некоторым избыточным давлением вторичного пара в последнем корпусе, этот пар может быть шире использован на посторонние нужды, т. е. в качестве экстра-пара. Наряду с этим повышение давления вторичного пара в последнем корпусе уменьшает возможную кратность использования свежего (первичного) пара, греющего первый корпус.

При работе под избыточным давлением требуется несколько большая толщина стенок аппаратов, но установка в целом упрощается, так как отпадает необходимость в постоянно действующем конденсаторе паров (небольшой конденсатор используют лишь в период пуска установки).

В выпарных установках под давлением труднее поддерживать постоянный режим работы, чем в установках под вакуумом, и для этой цели требуется автоматическое регулирование давления пара и плотности упаренного раствора. Для повышения устойчивости режима работы установок под давлением используют различные схемы.

Выбор давления вторичного пара в последнем корпусе установки зависит от соотношения между количеством тепла, которое может отдать этот пар, и количеством тепла пара низкого потенциала, требующегося на другие производственные нужды. Оптимальное давление вторичного пара в последнем корпусе можно установить в каждом конкретном случае путем технико-экономического расчета.

Многокорпусные выпарные установки различаются также по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора. Кроме наиболее широко распространенных установок с прямоточным движением пара и раствора (см. рис. 1), применяются также противоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях (рис. 2).

Рис. 2 - Многокорпусная противоточная выпарная установка: 1 - 3 - корпуса; 4 - 6 - насосы

Исходный раствор подается насосом в последний по ходу греющего пара (третий) корпус, из которого упаренный раствор перекачивается во второй корпус, и т. д., причем из первого корпуса удаляется окончательно упаренный раствор. Свежий (первичный) пар поступает в первый корпус, а вторичный пар из этого корпуса направляется для обогрева второго корпуса, затем вторичный пар из предыдущего корпуса используется для обогрева последующего. Из последнего корпуса вторичный пар удаляется в конденсатор.

Отметим одно существенное достоинство многокорпусных выпарных установок, работающих по противоточной схеме.

В первом корпусе выпарной прямоточной установки (см. рис. 1) наименее концентрированный раствор получает необходимое для выпаривания тепло от греющего пара наиболее высоких рабочих параметров, а в последнем корпусе наиболее концентрированный (и наиболее вязкий) раствор выпаривается при помощи вторичного пара наиболее низких параметров. Таким образом от первого корпуса к последнему (по ходу раствора) повышается концентрация и понижается температура выпариваемого раствора, что приводит к возрастанию его вязкости. В результате коэффициенты теплопередачи уменьшаются от первого корпуса к последнему,

В многокорпусных противоточных установках (см. рис. 2) в первом корпусе наиболее концентрированный раствор выпаривается за счет тепла пара наиболее высоких параметров, в то время как в последнем корпусе исходный раствор самой низкой концентрации получает тепло от вторичного пара, имеющего наиболее низкие давления и температуру. Поэтому при противотоке коэффициенты теплопередачи значительно меньше изменяются по корпусам, чем при прямотоке.

Однако необходимость перекачивания выпариваемого раствора из корпусов, где давление меньше, в корпусах более высоким давлением является серьезным недостатком противоточной схемы, так как применение промежуточных насосов (насосы 4 и 5 на рис. 2) связано со значительным возрастанием эксплуатационных расходов.

Противоточные выпарные установки используют при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций, когда в последнем корпусе (по ходу раствора) возможно нежелательное выпадение твердого вещества. Кроме того, по такой схеме выпаривают растворы, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации раствора.

По схеме с параллельным питанием корпусов (рис. 3) исходный раствор поступает одновременно во все три корпуса установки.

Рис. 3 - Многокорпусная выпарная установка с параллельным питанием корпусов (1-3)

Упаренный раствор, удаляемый из всех корпусов, имеет одинаковую конечную концентрацию.

Установки такой схемы используют, главным образом, при выпаривании насыщенных растворов, в которых находятся частицы выпавшей твердой фазы (что затрудняет перемещение выпариваемого раствора из корпуса в корпус), а также в тех процессах выпаривания, где не требуется значительного повышения концентрации раствора.



2. Физическая сущность процесса выпаривания

Материальный баланс. По аналогии с уравнением материального баланса однокорпусного выпарного аппарата составляют материальный баланс для многокорпусной установки, согласно которому общее количество воды W, выпариваемой во всех корпусах, составляет

где GH и bH -- расход и концентрация исходного раствора; bn -- концентрация упаренного раствора, удаляемого из последнего корпуса.

На основе уравнений (1) и (2) для однокорпусного аппарата могут быть определены концентрации раствора на выходе из каждого корпуса многокорпусной установки (индексы 1, 2, 3, . . ., n соответствуют порядковому номеру корпуса):

…………………………………………………………………………….

Тепловой баланс. Для каждого корпуса многокорпусной выпарной установки тепловой баланс составляют, пользуясь уравнением для однокорпусного аппарата.

После первого корпуса отбирается E1 кг/сек и после второго корпуса Е2 кг/сек экстра-пара. Соответственно расход вторичного пара из первого корпуса, направляемого в качестве греющего во второй корпус, составляет (W1 -- Е1) кг/сек и вторичного пара из второго корпуса, греющего третий корпус (W2 -- Е2) кг/сек, где W1 и W2 -- массы воды, выпариваемой в первом и втором корпусах соответственно.

Уравнения тепловых балансов корпусов:

первый корпус

Q1=D1(IГ1-c'1)=GHc0(tK1-t0)+W1(I1-c''1tK1)+QКОНЦ1+QП1 (2)

второй корпус

Q2=(W1-E1) (I1-c'2)=(GH-W1)c1(tK2-tK1)+W2(I2-c''2tK2)+QКОНЦ2+QП2 (3)

третий корпус

Q3=(W2-E2) (I2-c'3)=(GH-W1-W2)c2(tK3-tK2)+W3(I3-c''3tK3)+QКОНЦ3+QП3 (4)

где t0 -- температура исходного раствора; c0 -- средняя удельная теплоемкость исходного раствора; tК1, tK2, tK3 -- температуры кипения раствора по корпусам; c1,с2,c3 --средние теплоемкости раствора по корпусам; , , -- температура конденсации греющего пара по корпусам; с1, с2, с3 -- средние удельные теплоемкости конденсата греющего пара по корпусам; c'1 с'2, с'3 -- средние удельные теплоемкости воды (в пределах от 0°С до соответствующих температур кипения раствора по корпусам); QКОНЦ1, QКОНЦ2, QКОНЦ3--теплоты концентрирования раствора по корпусам; QП1, QП2и QП3-- потери тепла в окружающую среду по корпусам.

Потери тепла в окружающую среду по корпусам принимают равными 3--5% от Q1,Q2 и Q3 соответственно.

Если раствор поступает в первый корпус предварительно нагретым до температуры его кипения в этом корпусе, т. е. t0 -- tK1, то в уравнении (2) член GНc0 (tK1 -- t0) = 0. Вместе с тем в вакуум-выпарной установке с параллельным движением греющего пара и раствора (см. рис. 1) вследствие самоиспарения последнего члены теплового баланса, выражающие расход тепла на нагревание раствора до температуры кипения в данном корпусе, во всех корпусах (кроме первого) будут иметь отрицательное значение. В частности, для трехкорпусной вакуум-установки tK2 < tK1 и tK3 < tK2.

В систему уравнений теплового баланса входит число неизвестных, на единицу больше числа самих уравнений. Так, уравнения (2)--(4) включают четыре неизвестных: D1 ,W1 W2 и W3. Для того чтобы сделать эту систему уравнений разрешимой, ее дополняют уравнением материального баланса по выпариваемой воде, которое в данном случае имеет вид

W=W1+W2+W3 (5)

где W -- общее количество выпариваемой в установке воды, определяемое по уравнению материального баланса.

Обобщая уравнения теплового баланса, напишем выражение его для любого n-го корпуса многокорпусной выпарной прямоточной установки:

Qn=(Wn-1-En-1)(In-1-c'n)=(Gn-W1-W2-…-Wn-1)cn-1(tKn-1)+Wn(In-c''ntKn)+QКОНЦn+QПn (6)

Соответственно уравнение материального баланса по воде:

W=W1+W2+W3+…+Wm+…+Wn (7)



где n -- число корпусов установки.

Выражения тепловых балансов изменяются в соответствии со схемой движения потоков греющего пара и раствора в многокорпусной установке (противоток, параллельное питание исходным раствором и т. д.). Из уравнений теплового баланса определяют расходы греющего пара и тепловые нагрузки корпусов.

Общая полезная разность температур и ее распределение по корпусам. Общая разность температур многокорпусной прямоточной установки представляет собой разность между температурой T1 первичного пара, греющего первый корпус, и температурой насыщения пара в конденсаторе TКОНД:

Общая разность температур не может быть полностью использована ввиду наличия температурных потерь. Поэтому полезная разность температур для всей установки будет меньше .

Как указывалось, в однокорпусном аппарате полезная разность температур равна разности между температурой конденсации Т греющего пара и температурой кипения tK раствора или с учетом выражения:

Для многокорпусной выпарной установки общая полезная разность температур равна разности между температурой T1 свежего пара, греющего первый корпус, и температурой Т'КОНД насыщения пара в конденсаторе за вычетом суммы температурных потерь во всех корпусах установки (с учетом ), т. е.



Общая полезная разность температур должна быть распределена между корпусами с учетом условий их работы. Как следует из основного уравнения теплопередачи, поверхность нагрева F корпуса при заданных тепловой нагрузке Q и коэффициенте теплопередачи К определяется величиной . Соответственно уменьшение коэффициентов теплопередачи по корпусам, обусловленное, например, увеличением вязкости выпариваемого раствора, можно компенсировать увеличением полезной разности температур в них.

Таким образом, поверхность нагрева всей выпарной установки при данных тепловых нагрузках корпусов будет также зависеть от распределения общей полезной разности температур между корпусами. В основе наиболее часто применяемых способов распределения лежат экономические соображения.

Распределение при условии равенства поверхностей нагрева корпусов. Такой принцип распределения по корпусам позволяет использовать одинаковые по размерам аппараты установки и обеспечить их взаимозаменяемость.

В соответствии с уравнением (5) полезные разности температур в корпусах равны:

………………………………………………………………………..



Однако по условию F1 = F2 =…= Fn = F. Заменяя F1F2, …, Fn величиной F и складывая полезные разности температур отдельных корпусов, находим общую полезную разность температур выпарной установки:

или

Подставляя полученное значение 1/F в выражениях находим

………………………………………………………………………………

где -- общая полезная разность температур, определяемая по уравнению.



3. Температурные потери и температура кипения растворов

В выпарном аппарате возникают температурные потери, снижающие разность температур между греющим паром и выпариваемым раствором. Они складываются из температурной депрессии ', гидростатической депрессии '' и гидравлической депрессии '''.

Температурная депрессия ' равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении.

Значение ' зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления. Значения ', полученные опытным путем, приводятся в справочной и специальной литературе. Если экспериментальные данные о величинах ' для данного раствора отсутствуют, то значения температурной депрессии могут быть приближенно вычислены различными способами, причем должна быть известна либо одна температура кипения данного раствора при некотором давлении (по правилу Бабо), либо две температуры кипения раствора при двух произвольно взятых давлениях (по правилу Дюринга или уравнению Киреева).

Рассмотрим в качестве примера расчет ' с помощью эмпирического правила Бабо, согласно которому относительное понижение давления пара (p1-p2)/p1 или p2/p1 над разбавленным раствором данной концентрации есть величина постоянная, не зависящая от температуры кипения раствора, т. е.

где p1 и р2 - давление пара соответственно растворителя и раствора.

Зная температуру кипения t2 раствора при некотором произвольно взятом давлении р2, находят (по таблицам насыщенного водяного пара) давление, пара чистого растворителя (воды) р1 при той же температуре и рассчитывают константу К, пользуясь зависимостью (11). По тому же уравнению определяют для заданного давления р2 над раствором (в выпарном аппарате) давление пара р1 чистого растворителя и находят по таблицам соответствующую ему температуру t'2, которая и будет температурой кипения раствора при заданном давлении. Так как температура чистого растворителя при этом давлении известна, то температурная депрессия составляет

(1)

Для концентрированных растворов к величине ', рассчитанной по правилу Бабо, следует вводить поправки, предложенные В. Н. Стабниковым, величина которых зависит от отношения p2/p1 и давления р2. Поправка прибавляется к величине , полученной по правилу Бабо, если теплота растворения положительна, и вычитается, если эта теплота отрицательна.

Опытные значения температурной депрессии обычно приводятся при атмосферном давлении. Величину при любом давлении можно получить, пользуясь уравнением И. А. Тищенко:

где -- температурная депрессия при атмосферном давлении, °С; Т, r -- температура, кипения чистого растворителя (в К) и его теплота испарения (в кдж/кг) при данном давлении.

Уравнение (1) применимо только к разбавленным растворам. Депрессия обусловлена тем, что некоторая часть высоты кипятильных труб выпарного аппарата заполнена жидкостью, над которой находится паро-жидкостная эмульсия; содержание пара в ней резко возрастает по направлению к верхней кромке труб.

Назовем условно все содержимое кипятильных труб жидкостью. Вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах температура кипения нижерасположенных слоев жидкости в них будет больше, чем температура кипения вышерасположенных. Повышение температуры кипения раствора, связанное с указанным гидростатическим эффектом, называется гидростатической депрессией.

Гидростатическая депрессия наиболее существенна при работе аппарата под вакуумом.

Значение гидростатической депрессии не может быть точно рассчитано ввиду того, что жидкость в трубах находится в движении, причем " зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности паро-жидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб.

В первом приближении расчет " возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильной трубы. Для этого находят давление р в данном сечении, равное сумме давлений вторичного пара pВТ.П и гидростатического давления pСР столба жидкости на середине высоты H трубы:

где -- средняя плотность жидкости, заполняющей трубку.

Допуская, что величина равна половине плотности чистого раствора (без присутствия пузырьков пара), т. е. , получают

По давлению р с помощью таблиц насыщенного водяного пара находят температуру воды tB, соответствующую данному давлению. Разность между температурой tB и температурой вторичного пара T' определяет гидростатическую депрессию

В связи с неточностью такого расчета, которым не учитывается движение (циркуляция) раствора, значения " обычно принимают по практическим данным.

Для вертикальных аппаратов с циркуляцией выпариваемого раствора " может быть принята в пределах 1--3 °С.

Гидравлическая депрессия обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями), которые должен преодолеть вторичный пар при его движении главным образом через сепарационные устройства и паропроводы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры насыщения.

Повышение температуры кипения раствора, обусловленное гидравлической депрессией, обычно колеблется в пределах 0,5--1,5 °С. В среднем величина '" для единичного аппарата может быть принята равной 1 °С. При расчете многокорпусных установок гидравлическую депрессию учитывают, принимая во внимание снижение давления вторичного пара только в паропроводах между корпусами.

Температура кипения раствора с учетом температурных потерь, обусловленных температурной ' и гидростатической " депрессиями, составляет

где T' - температура вторичного пара.



4. Описание принципа работы технологической схемы

Рис. 4 - Технологическая схема двухкорпусной выпарной установки

Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом подается в теплообменник Т (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем -- в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате .

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус . Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения КБ (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом НВ). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость упаренного раствора Е2.

5. Конструкция выпарного аппарата

Рис. 5

Аппарат состоит из греющей камеры, сепаратора с трубой вскипания, отбойником и брызгоотделителем, циркуляционного насоса с электроприводом, циркуляционной трубы и солесборника.

Конструкция греющей камеры аналогична конструкции этого узла аппарата типа II. К верхней трубной решетке греющей камеры присоединена труба вскипания, на которой (во внутренней части сепаратора) расположен отбойник.

Кипение раствора в аппарате происходит непосредственно в трубе вскипания, установленной над греющей камерой. Кипение в трубах предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания.

Циркуляция раствора в аппарате осуществляется по замкнутому контуру: сепаратор -- циркуляционная труба -- циркуляционный насос -- греющая камера -- сепаратор. Исходный раствор может подаваться через штуцер B1 или B2.

Выпариваемый раствор, перегретый в греющей камере, поднимается по трубе вскипания и по достижении давления, соответствующего температуре насыщения, вскипает. Образующаяся парорастворная смесь вместе с выделившимися кристаллами соли выбрасывается в сепаратор, где происходит отделение паровой фазы. Кристаллы соли в виде пульпы попадают в солесборник и выводятся из аппарата через штуцер Г2 (Г1).

Вместе с исходным раствором, поступающим в аппарат через солесборник, в аппарат уносятся мелкие кристаллы, которые способствуют снижению инкрустации.

Уровень раствора в аппарате поддерживается по верхней кромке трубы вскипания. Снижение уровня вызывает увеличение расхода мощности или приводит к кавитации насоса.

Насос обеспечивает скорость потока в греющих трубках 2--2,5 м/с.

Мощность привода насоса определяется в каждом конкретном случае в зависимости от вязкости раствора.

Греющий пар через штуцер A подается в межтрубное пространство аппарата, где конденсируется. Конденсат удаляется через штуцер Д.

Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель раствора и выходит из аппарата через штуцер Б.

Для наблюдения за работой аппарата предусмотрены смотровые окна, для установки термометров и манометров -- бобышки.

Аппарат рассчитан на непрерывную и периодическую работу.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaNO3 в интервале изменения концентраций от 10 до 27 %. В этих условиях подходит сталь марки X17 с коэффициентом теплопроводности л ст = 25,1 Вт/м?К. Скорость коррозии ее менее 0,1 мм/год.

6. Технологический расчет

Цель расчета

Целью расчета является расчет необходимой поверхности теплообмена и выбор нормализованного выпарного аппарата.

Исходные данные

Расход исходного раствора GН, кг ?с 5,55

Исходная концентрация раствора хн, % масс 15

Конечная концентрация раствора хк, % масс 55

Давление греющего пара РГП, МПа 0,70

Остаточное давление в барометрическом конденсаторе РБК, кПа 95

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

.

Для определения тепловых нагрузок ,Коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций раствора и их температур кипения по корпусам.

Материальный баланс

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

Подставив, получим:

кг ?с.

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

::1,1

Тогда

= 1·W / (1 + 1,1) = 1·4,05/ 2,1 = 1,93 кг / с,

= 1,1·W / (1 + 1,1) = 1,1·4,05/ 2,1 = 2,12 кг / с.

Далее рассчитывают конечные концентрации растворов в корпусах:

или 23 %;

или 55 %.

Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .

Температуры кипения растворов

Общий перепад давления в установке равен:

МПа

МПа.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в мПа) равны:

давление пара в барометрическом конденсаторе

МПа.

что соответствует заданному значению РБК.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1]:

Р, Мпа t, oC I, кДж ?кг

РГП1 = 0,605 t ГП1 = 160 IГП1 = 2061

РГП2 = 0,35 t ГП2 = 130 IГП2 = 2114,4

РБК = 0,095 t БК = 98,2 IБК = 2268

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной , гидростатической и гидродинамической депрессий

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах ( 0С ) равны:



Сумма гидродинамических депрессий:

0С.

По температурам вторичных паров определим их давления [1, табл.LVI]. Они соответственно равны ( МПа): МПа; МПа.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности.

Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:

где Н - высота кипятильных труб в аппарате, м;

- плотность кипящего раствора, кг ?м3;

- паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3 ?м3.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляцией Вт ?м2. Примем Вт ?м2 и . Тогда поверхность теплопередачи 1 - го корпуса ориентировочно равна:

, м2,

где - теплота парообразования вторичного пара в первом корпусе, Дж ?кг.

Из табл. LVI [1] по значению величина

Тогда:

м2.

По ГОСТ 11987 - 81 [3] трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и внутренней греющей камерой состоят из кипятильных труб высотой 4 м при диаметре dн=38 мм и толщиной стенки 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.

Плотность для раствора NaNO3 при соответствующих концентрациях равны:

1= 1098кг/м3

2=1317кг/м3

Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1]:

Р, МПа t, oC r, кДж ?к

Р1СР = 0,347 t 1СР = 134 rВП1 = 2167

Р2СР = 0,112 t 2СР = 99,5 rВП2 = 2260

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в 0С):

,

.

Сумма гидростатических депрессий:

.

Температурную депрессию определяем по уравнению



Находим значение по корпусам:

Сумма температурных депрессий:

12,7 + 0,03 = 12,730С.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в оС):

Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам (в 0С) равны:

160 - 149,7 = 10,30С

130 - 100= 30 0С

Тогда общая полезная разность температур:

10+ 30 = 40 0С.

Проверим общую полезную разность температур:

160 - 98,2 - (2 + 12,73 + 3,03) = 440С.

Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1 - й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

.

.

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду;

Сн,, С1 - теплоемкости растворов соответственно исходного и в первом корпусах. По табл. II - 295 [2] Сн = 1,1199 кДж ?кг·к, С1 = 1,3069 кДж ?кг·к.

Q1конц, Q2конц - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1- м корпусе;

tн = tвп1 + = 131 + 1 = 132 0С.

Можно принять Iвп1 Iгп2 2114,4кДж ?кг; Iвп2 Iбк 2268 кДж ?кг.

Рассчитаем теплоту концентрирования для 2 - го корпуса:

Q2конц = Gсух·q = GH·xн·q

где q - разность интегральных теплот растворения при концентрациях х1 и х2, кДж ?кг.

Q2конц = 5,55·0,15·153,6= 127,8кВт.

Сравним Q2конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 2- го корпуса Q2ор:

кВт.

Поскольку Q2конц составляет значительно меньше 3 % от Q2ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q2конц.

W=1,93+2,12=4,05.

Получим систему уравнений:

Q1=D·(2061-692)=1,03·(2114,4 - 4,19·100);

Q2=·(2114,4-581)=1,03·[(5,55-)·1,3069 ·(100-150)+(2268-4,19·100)];

.

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 2,78кг ?с; = 2,18 кг ?с; = 1,87 кг ?с; Q1 = 3805,8 кВт; Q2 = 3342,8 кВт.

Результаты расчета сведены в таблицу:

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде, w, кг ?с	2,18	1,87
Концентрация растворов х, %	23	55
Давление греющих паров, РГП, МПа	0,605	0,35
Температура греющих паров tГП, 0С	160	130
Температурные потери , град	12,73	3,03
Температура кипения раствора tк, 0С	150	100
Полезная разность температур tп	10,3	30

Поскольку вычисленные нагрузки по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не отличаются, пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам не будем.

7. Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaNO3 в интервале изменения концентраций от 5 до 60 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. скорость коррозии её не менее 0,1 мм ? год, коэффициент теплопроводности = 25,1 Вт ?(м·К) [3].

Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

.

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

...