Процесс выпаривания растворов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

технологический выпарной теплопередача

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке.

Процесс выпаривания заключается в удалении из раствора большей части растворителя и получении концентрированного раствора.

Физическая сущность процесса выпаривания растворов заключается в частичном или почти полном превращении растворителя в пар.

Многокорпусная установка позволяет значительно снизить расход тепла за счет многократного использования пара.



1. Основная часть

1.1 Технологическая схема выпарной установки и ее описание [1]

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки показана на рис. 1.

1 - емкость исходного раствора, 2, 10 - насосы, 3 - теплообменник-подогреватель, 4-6 - выпарные аппараты, 7 - барометрический конденсатор, 8 - вакуум-насос, 9 - гидрозатвор, 11 - емкость упаренного раствора, 12 - конденсатоотводчик.

Рисунок 1. Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки

Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем -- в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5.

Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго 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 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.



2. Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора К₂СO₃ в интервале концентраций от 6,9 до 55% [2]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности л_ст = 25,1 Вт/(м·К).



3. Технологический расчет выпарной установки

3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов [1]

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи:

F=Q/ (Kt_п), (1)

где F - поверхность теплопередачи, м²;

Q - тепловые нагрузки, Вт;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

?t_п - полезная разность температур, ⁰С

Эти величины находят методом последовательных приближений.

3.1.1 Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде W определяют из уравнения материального баланса. Уравнение материального баланса имеет вид:

, (2)

где G_н - начальный расход, кг/ч;

х_н - начальная концентрация упариваемого раствора, % масс;

х_к - конечная концентрация упариваемого раствора, %.масс.

Подставив, получим:

кг/с.



3.1.2 Концентрации упариваемого раствора

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:

w₁:w₂:w₃=1.0:1.1:1.2

где w₁, w₂, w₃ - соответственно, массовый расход выпариваемой воды в первом, втором и третьем корпусах, кг/с

Тогда

w₁=1,0·2,273/(1,0+1,1+1,2)=1,0·2,273/3,3= 0,689кг/с;

w₂=1,1·2,273/3,3=1,1·2,273/3,3= 0,758кг/с;

w₃=1,2·2,273/3,3=1,2·2,273/3,3=0,827кг/с.

Далее рассчитаем концентрации растворов в корпусах:

;

где - массовая доля растворенного вещества в первом корпусе, %;

G_н - начальный расход, кг/ч;

х_н - начальная концентрация упариваемого раствора, % масс;

w₁ - массовый расход выпариваемой воды в первом корпусе, кг/с.

или

;



где - массовая доля растворенного вещества во втором корпусе, %;

w₂ - массовый расход выпариваемой воды во втором корпусе, кг/с.

или

;

где - массовая доля растворенного вещества в третьем корпусе, %;

w₃ - массовый расход выпариваемой воды в третьем корпус, кг/с.

или .

Концентрация раствора в последнем корпусе ₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора _к.

3.1.3 Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

где ?P_об - общий перепад давлений в установке, МПа

Р_Г1 - давление в первом корпусе, МПа

Р_бк - давление в барометрическом конденсаторе, МПа

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



где Р_Г2, Р_Г2 - соответственно, давление во втором и третьем корпусах, МПа

Р_Г1=0,39 МПа

Р_Г2=0,39-0,38/3=0,263 МПа

Р_Г3=0,263-0,38/3=0,137

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

Р_бк=0,137-0,38/3=0,01

что соответствует заданному значению .

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [3] (таблица 1).

Таблица 1. Распределение температуры насыщенных паров воды и удельных энтальпий по корпусам

Давление пара, МПа	Температура насыщенного пара t, 0С.	Удельная энтальпия I, кДж/кг
Pг1 = 0,390	tг1 = 141,9	I1=2742,6
Pг2 = 0,263	tг2 =127,98	I2=2722,6
Pг3 =0,137	tг3 =107,28	I3=2690,8
Рбк =0,010	tбк = 45,4	Iбк=2581

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают град на корпус. Примем ?^/// = 1 град для каждого корпуса. Тогда температуры вторичных паров по корпусам будут равны:



где t_вп1, t_вп2, t_вп3 - соответственно, температура вторичного пара в первом, втором и третьем корпусах, ⁰С

t_Г1, t_Г1, t_Г1 - соответственно, температура греющего пара в первом, втором и третьем корпусах, ⁰С

- соответственно, гидродинамическая депрессия в первом, втором и третьем корпусах, ⁰С

t_вп1=127,98+1=128,98 ⁰С

t_вп2=107,28+1=108,28 ⁰С

t_вп3=45,4+1=46,4 ⁰С

Сумма гидродинамических депрессий:

=1,0+1,0+1,0=3,0 ⁰C.

По температурам вторичных паров определим их давления [3]

Р_вп1 = 0,27МПа; Р_вп2 = 0,139МПа; Р_вп3 = 0,011 МПа.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора P_cp каждого корпуса определяется по уравнению:

(3)

где Р_вп - давление вторичного пара, Па; - высота кипятильных труб в аппарате, м; - плотность кипящего раствора, кг/м³; - паронаполнение, м³/м³.

Для выбора значениянеобходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией = 20000-50000 Вт/м². Примем = 40000 Вт/м², тогда:

где - теплота парообразования вторичного пара[3], кДж/кг; Q - тепловая нагрузка, Вт; w₁ - массовый расход выпариваемой воды, кг/с

м²,

По ГОСТ 11987-82 [3] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре = 38 мм и толщине стенки = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб = 4 м. При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет = 0,4-0,6. Примем = 0,5.

Плотность водных растворов, в том числе раствора К₂CO₃ [5] при температуре 20⁰C и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

1061,3кг/м³,1108,1кг/м³ ,1585,9 кг/м³.

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

Па;



Па;

Па.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [3] (таблица 2).

Таблица 2. Температуры кипения и теплоты испарения растворителя

Рср, кгс/см2	tср, 0С	rвп, кДж/кг
2,861	130,24	2200,6
1,526	110,7	2232
0,266	65,64	2350,52

Определим гидростатическую депрессию по корпусам, (в ⁰С):

,

где t_ср - температура кипения раствора в корпусе, ⁰С; t_вп - температура вторичного пара, ⁰С;



Сумма гидростатических депрессий:

⁰С.

Определим температурную депрессию:

,

где - температурная депрессия, ⁰С;

- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

- температурная депрессия при атмосферном давлении [1], ⁰С;

r_вп - теплота испарения растворителя, кДж/кг.

Находим значения по корпусам (в ⁰С):

;

;

.

Сумма температурных депрессий:

⁰С.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ⁰С):

;

где t_к - температура кипения раствора в корпусе, ⁰С; - температурная депрессия, ⁰С; - гидростатическая депрессия, ⁰С;

- гидродинамическая депрессия, ⁰С.

;

3.1.4 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

.

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

;

где t_п - полезная разность температур, ⁰С; t_Г - температура греющего пара корпусе, ⁰С; t_к - температура кипения раствора в корпусе, ⁰С;



;

.

Тогда общая полезная разность температур:

⁰С

Проверим общую полезную разность температур:

где t_бк - температура греющего пара в первом корпусе, ⁰С; t_бк - температура греющего пара в барометрическом конденсаторе, ⁰С; - температурная депрессия, ⁰С; - гидростатическая депрессия, ⁰С;

- гидродинамическая депрессия, ⁰С.

⁰С.

3.1.5 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:

Q₁ = D (I_г1-i₁) = 1,03[G_нc_н(t_к1-t_н)+w₁(I_вп1-c_вt_к1)+Q_конц]; (5)

Q₂ = w₁ (I_г2-i₂) = 1,03[(G_н-w₁)c₁(t_к2-t_к1)+w₂(I_вп2-c_вt_к2)+Q_2конц]; (6)

Q₃ = w₂ (I_г3-i₃) = 1,03[(G_н-w₁-w₂)c₂(t_к3-t_к2)+w₃(I_вп3-c_вt_к3)+Q_3конц]; (7)

W = w₁+w₂+w₃; (8)

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; с_н, с₁, с₂ - теплоемкости растворов исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг·К) [5]; Q_1конц, Q_2конц, Q_3конц - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе, ⁰С; I_Г1, I_Г2, I_Г3 - соответственно, удельная энтальпия греющего пара в первом, втором и третьем корпусах, кДж/кг; I_вп1, I_вп2, I_вп3 - соответственно, удельная энтальпия вторичного пара в первом, втором и третьем корпусах, кДж/кг; w₁, w₂, w₃ - соответственно, массовый расход выпариваемой воды в первом, втором и третьем корпусах, кг/с; t_к1, t_к1, t_к1 - соответственно, температура кипения раствора в первом, втором и третьем корпусах, ⁰С; G_н - начальный расход, кг/ч;

t_н = t_вп1+?^/_н

где ?^/_н - температурная депрессия для исходного раствора, ⁰С; t_вп -температура вторичного пара в первом корпусе, ⁰С; t_н - температура кипения исходного раствора, ⁰С.

t_н = 128,98+1,0 = 129,98 ⁰С.

Можно принять:

I_вп1 ? I_г2; I_вп2 ? I_г3; I_вп3 ? I_бк.

Рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса, т.к. анализ показывает, что она наибольшая:

Q_3конц = G_сух?q = G_нx_н?q, (9)

где Q_3конц - теплота концентрирования в третьем корпусе, кВт; G_сух - производительность аппарата по сухому К₂CO₃, кг/с; ?q - разность интегральных теплот растворения при концентрациях х₂ и х₃, кДж/кг [5].

Тогда:

Q_3конц =кВт.

Сравним Q_3конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q_3ор:

Q_3ор = (G_н-w₁-w₂)c₂(t_к3-t_к2)+w₃(I_вп3-c_вt_к3),

Q_3ор = кВт.

Поскольку Q_3конц составляет менее 3% от Q_3ор, то в уравнениях тепловых балансов пренебрегаем величиной Q_конц.

Получим систему уравнений:

Q₁;

Q₂=;

Q₃=;

W =

Решение системы уравнений дает следующие результаты:

D =0,694 кг/с;

кг/с; кг/с; кг/с;

Q₁ = кВт; Q₂ = кВт; Q₃ = кВт.

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 3%, поэтому в дальнейших расчетах не производим пересчет концентраций и температур кипения растворов по корпусам.



Таблица 3. Параметры растворов и паров по корпусам

Параметры	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде , кг/с	0,675	0,763	0,835
Концентрация растворов х, %	6,9	11,9	55
Давление греющих паров Рг, МПа	0,390	0,263	0,137
Температура греющих паров tг, 0С	141,9	127,98	107,28
Температурные потери ??, град	2,92	4,45	35,26
Температура кипения раствора tк, 0С	130,9	111,73	80,66
Полезная разность температур ?tп, град	11,0	16,25	26,62

3.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

По найденным температурам кипения и концентрациям растворов в корпусах подбираем в справочниках расчетные константы - физические характеристики растворов (плотность, теплопроводность, теплоемкость, вязкость). Далее по этим данным рассчитываем коэффициенты теплоотдачи для конденсирующегося пара и кипящего раствора и коэффициенты теплопередачи. Коэффициент теплопередачи определяем по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

(10)

где К - коэффициент теплопередачи; б₁ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке; б₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору; л - теплопроводность стенки ; д - толщина стенки.

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

0,002/25,1+0,0005/2 = 2,87 м²·К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке

равен [3]:

(11)

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; , , - соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность Вт/(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки; - разность температур конденсации пара и стенки, град; Н - ?

,

где - разность температур конденсации пара и стенки, град; t_пл - средняя температура пленки, град.; t_Г1 - температура греющего пара в первом корпусе, град.

Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем град.

Подставив численные значения, получим:

Вт/(м²· К).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

,

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; б₁ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке; - разность температур конденсации пара и стенки, град; - перепад температур на стенке, град; - сумма термических сопротивлений; б₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору; - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда:

град.

Тогда:

- разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град; - полезная разность температур, град; - температура вторичного пара, град; - разность температур конденсации пара и стенки, град;

град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных трубках при условии естественной циркуляции раствора [9] равен:

(12)

Вт/(м²·К).

Физические свойства кипящих растворов К2СО3 и их паров приведены в таблице 4.



Таблица 4. Физические свойства кипящих растворов К2СО3 и их паров

Параметр	Корпус	Литера-тура
	1	2	3
Теплопроводность раствора л, Вт/(м·К)	0,59	0,58	0,51	[5]
Плотность раствора с, кг/м3	1060	1109,6	1580,3	[5]
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг·К)	3530	3473	3221	[5]
Вязкость раствора м, Па·с	0,11·10-3	0,19·10-3	0,86·10-3	[5]
Поверхностное натяжение у, Н/м	0,076	0,077	0,108	[3]
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2200·103	2232·103	2351·103	[3]
Плотность пара сп, кг/м3	2,069	1,414	0,793	[5]

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q^/ - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; б₁ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке; - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Вт/м²;

q^// - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; б₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору; - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Вт/м².

Как видим, q^/ ? q^//.

Для второго приближения примем ?t₁=3 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1 град, рассчитаем по соотношению

Вт/(м²·К)

Получим:

град;

град;

Вт/(м²К);

Вт/м²; Вт/м²

Как видим, q^/ ? q^//.

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем ?t₁=2,1 град. Получим:

Вт/(м²·К)

Получим:

град;

град;

Вт/(м²К);

Вт/м²; Вт/м²

Как видим, q^/ ?q^//.

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов и на этом заканчивают. Находим К₁:

Вт/(м²·К).

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂.

Для этого найдем:

Вт/(м²·К);

град;

град;

Вт/(м²·К);

Вт/м²; Вт/м².

Как видим,q^/ q^//.Находим К₂:

Вт/(м²·К).

Рассчитаем коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К₃:

Вт/(м²·К);

град;

град;

Вт/(м²·К);

Вт/м²; Вт/м².

Как видим, q^/ ?q^//. Находим К₃:

Вт/(м²·К).

3.1.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

, (13)

где ?t_Пj, Q_j, K_j - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

?t_п2 = град;

?t_п3 = град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

??t_п = ?t_п1+?t_п2+?t_п3

??t_п = град.

Рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (1):

F₁ = м²;

F₂ = м²;

F₃ = м².

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов. Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур ?t_п представлено ниже:

Корпус

Распределение в 1-м приближении значения ?tП, град	17,26	16,05	20,56
Предварительно рассчитанные значения ?tп, град	11,00	16,25	26,62



3.1.8 Второе приближение

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-ом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

3.1.9 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения ?^/, ?^//, ?^/// для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов по корпусам представлены ниже (таблица 5).

Таблица 5. Параметры растворов по корпусам

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде W, кг/с	0,675	0,763	0,835
Концентрация растворов х, %	6,9	11,9	55
Температура греющего пара в 1-ом корпусе tг1, 0С	141,9	-	-
Полезная разность температур ?tп, град	17,26	16,05	20,56
Температура кипения раствора tк = tг-?tп, 0С	124,64	111,93	87,42
Температура вторичного пара tвп = tк-(?/+?//), 0С	122,72	108,48	53,16
Давление вторичного пара Рвп, МПа	0,223	0,139	0,015
Температура греющего пара tг = tвп-?///, 0С	-	121,72	107,48



Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q₁ = ;

Q₂ = ;

Q₃ = .

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт/(м²·К)]:

К₁ = 1798; К₂ = 1648; К₃ = 1247.

Распределение полезной разности температур (в град.):

Проверка суммарной разности температур:

??tп = ?tп1+?tп2+?tп3

??tп = 0С.

Сравнение полезных разностей температур ?tп, полученных во 2-м и 1-м приближениях:

Корпус

?tп во 2-м приближении, град	13,73	16,14	24
?tп в 1-м приближении, град	17,26	16,05	20,56

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-ом и 2-ом приближениях превышают 5%, необходимо выполнить следующее, 3-е приближение, взяв за основу расчет ?t_п из 2-го приближения, и т. д. до совпадения полезных разностей температур.



3.1.10 Третье приближение

Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже (таблица 6).

Таблица 6. Параметры растворов по корпусам

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде W, кг/с	0,675	0,763	0,835
Концентрация растворов х, %	6,9	11,9	55
Температура греющего пара в 1-ом корпусе tг1, 0С	141,9	-	-
Полезная разность температур ?tп, град	13,73	16,14	24
Температура кипения раствора tк = tг-?tп, 0С	128,17	111,84	83,28
Температура вторичного пара tвп = tк-(?/+?//), 0С	126,25	108,39	49,05
Давление вторичного пара Рвп, МПа	0,246	0,139	0,013
Температура греющего пара tг = tвп-?///, 0С	-	125,25	107,39

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q₁ = ;

Q₂ = ;

Q₃ = .

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт/(м²·К)]:

К₁ = 1751; К₂ = 1648,5; К₃ = 1293,5.

Распределение полезной разности температур (в град.):

Проверка суммарной разности температур:



??t_п = ?t_п1+?t_п2+?t_п3

??t_п = ⁰С.

Сравнение полезных разностей температур ?t_п, полученных во 2-м и 1-м приближениях:

Корпус

?tп в 3-ем приближении, град	14,4	16,4	23,07
?tп во 2-м приближении, град	13,73	16,14	24

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F₁ = м²;

F₂ = м²;

F₃ = м².

По ГОСТ 11987-81 [4] выбираем выпарной аппарат (тип 1, исполнение 2) со следующими характеристиками (таблица 7).

Таблица 7. Техническая характеристика выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

Номинальная поверхность теплообмена Fн, м2	63
Диаметр труб d, мм	38х2
Высота труб Н, мм	4000
Диаметр греющей камеры dк, мм	800
Диаметр сепаратора dс, мм	1600
Диаметр циркуляционной трубы dц, мм	500
Общая высота аппарата На, мм	13000
Масса аппарата Ма, кг	7500



3.2 Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

(14)

где - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м² *К); - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирают в интервале 35-45⁰С; - температура изоляции со стороны аппарата; - температура окружающей среды, ⁰С; - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м²К).

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:

Вт/(м²К).

В качестве материала для тепловой изоляции выбираем совелит, имеющий коэффициент теплопроводности Вт/(м·К).

Тогда получим

м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,04 м и для других корпусов.



3.3 Расчет штуцеров выпарного аппарата

Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Расчет штуцеров производится для подвода и отвода раствора и пара по уравнению расхода:

(15)

где V - расход раствора или пара, кг/с; D - диаметр штуцера м; W - скорость жидкости или пара м/с. Скорость жидкости равна 1,5 м/с, а скорость пара-15м/с; - плотность жидкости или пара, кг/м³[3].

Диаметр штуцера для подвода жидкости:

м.

Для расчета диаметра штуцера для отвода упаренного раствора предварительно нужно найти его расход по уравнению:

где G_н - начальный расход, кг/ч; х_к - конечная концентрация упариваемого раствора, % масс; G_к - конечный расход, кг/ч; х_н - начальная концентрация упариваемого раствора, % масс;

кг/с.



м.

Для расчета диаметра штуцера для подвода греющего пара предварительно нужно найти его расход по уравнению:

,

Где G_гп - расход греющего пара, кг/с; Q₁ - тепловая нагрузка в первом корпусе, кВт; r_гп - теплота парообразования, кДж/кг [3]; х - влагосодержание, x=1

кг/с

м

Диаметра штуцера для отвода вторичного пара:

м



4. Расчет и подбор вспомогательного оборудования

4.1 Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных аппаратах обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре 20 ⁰С. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

4.1.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

, (16)

где W₃ - массовый расход выпариваемой воды в третьем корпусе, кг/с; I_бк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; с_в теплоемкость воды, кДж/(кг*К); t_н - начальная температура охлаждающей воды, ⁰С, t_к - конечная температура смеси воды и конденсата, ⁰С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 град. Ниже температуры конденсации паров.



t_к = t_бк-3,0 = 45,4-3,0 = 42,4 ⁰С.

Тогда:

кг/с.

4.1.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяют из уравнения расхода:

, (17)

где W₃ - массовый расход выпариваемой воды в третьем корпусе, кг/с; с - плотность паров, кг/м³; х - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров х = 15-25 м/с. Примем х =20 м/с. Тогда:

м.

По нормалям НИИХИММАШа [7] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром d_бк = 1000мм.

4.1.3 Расчет высоты барометрической трубы

В соответствии с нормалями [7], внутренний диаметр барометрической трубы d_бт равен 200 мм. Тогда скорость воды в барометрической трубе:

,



где х - скорость воды в барометрической трубе, м/с; G_в - расход охлаждающей воды, кг/с; W₃ - массовый расход выпариваемой воды в третьем корпусе, кг/с; с - плотность воды, кг/м³; d_бт - диаметр барометрической трубы, м.

м/с.

Высота барометрической трубы:

, (18)

где Н_бт - высота барометрической трубы, м; В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; ?о - сумма коэффициентов местных сопротивлений; л - коэффициент трения в барометрической трубе; d_бт - диаметр барометрической трубы, м; х - скорость воды в барометрической трубе, м/с; 0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

В = Р_атм-Р_бк

В = Па.

?о = о_вх+о_вых

где о_вх, о_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

?о= 0,5+1,0 = 1,5

Коэффициент трения л зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе.



Re - коэффициент Рейнольдса; х - скорость воды в барометрической трубе, м/с; с - плотность воды, кг/м³; µ - вязкость, Па*с; d_бт - диаметр барометрической трубы, м.

.

При Re = 261852 коэффициент трения л ? 0,023 [2].

.

Отсюда находим Н_бт = 9,6 м.

4.2 Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса G_возд определяется количеством газа, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

G_возд = 2,5*10^-5(W₃+G_в)+0,01W₃, (19)

где W₃ - массовый расход выпариваемой воды в третьем корпусе, кг/с; G_в - расход охлаждающей воды, кг/с; 2,5·10^-5 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

G_возд = кг/с

Объемная производительность вакуум-насоса V_возд равна:

V_возд = R(273+t_возд)G_возд/(М_возд*Р_возд), (20)



где R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К); М_возд - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; t_возд - температура воздуха, ⁰С; Р_возд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

t_возд = t_н+4+0,1(t_к-t_н)

где t_возд - температуру воздуха, ⁰С; t_к - конечная температура, ⁰С;

t_н - начальная температура, ⁰С.

t_возд = ⁰С

Давление воздуха равно:

Р_возд = Р_бк-Р_п, (21)

Где Р_возд - давление воздуха, Па; Р_бк - давление в барометрическом конденсаторе, Па; Р_п - давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд = 26,24 ⁰С

Р_возд = Па.

Тогда:

.

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк, по каталогу [8] подбираем вакуум-насос типа ВВН-12 мощность на валу N=20 кВт.

4.3 Расчет теплообменника-подогревателя

Расчет теплообменника включает определение необходимой поверхности теплопередачи и выбор типа аппарата. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

, (22)

где F - поверхность теплопередачи, м²; К-коэффициент теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к кипящему раствору; Q - тепловая нагрузка, Вт; -средняя температура, ⁰С.

Тепловую нагрузку Q находят из уравнения:

где Q - тепловая нагрузка, Вт; G_н - начальный расход, кг/ч; с_н - теплоемкость исходного раствора, кДж/(кг*К); t_кип - температура кипения, ⁰С; t_н - начальная температура, ⁰С.

Вт.

Для того чтобы рассчитать воспользуемся формулой:

141,9>141,9;

124,64<20,0

С;



С;

Отсюда:

С.

Следовательно:

м².

Выбор теплообменника и его основные параметры (таблица 8):

Таблица 8

Диаметр кожуха D, мм	325
Диаметр трубы d, мм	20Ч2
Общее число труб, шт.	100
Поверхность теплообмена F, м2	25
Длина труб L, м	4



Заключение

Таким образом, в данном проектном расчете предложена конструкция 3-х корпусной выпарной установки для выпаривания водного раствора К₂СO₃ с начальной концентрацией х_н =5% до конечной - х_к = 55% при производительности аппарата G_н = 9000 кг/ч. Давление греющего пара в первом корпусе Р_г =3,9 атм. Для проведения данного процесса выбран выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип1, исполнение 2). Также приведен расчет барометрического конденсатора и вакуум-насоса.

В результате технологического расчета аппарата получены следующие данные:

- производительность установки по корпусам (в кг/с):

W₁ = 0,675; W₂ = 0,763; W₃ = 0,835.

- концентрации раствора по корпусам (в %):

х₁ = 6,9; х₂ =11,9; х₃ =55.

- номинальная поверхность теплообмена аппарата F_н = 63 м².

- диаметр греющей камеры d_к = 800 мм.

- высота кипятильных труб Н = 4000 мм.

- диаметр циркуляционной трубы d_ц = 500 мм.

- высота барометрической трубы Н_бт = 9,6м.

Более подробные данные о параметрах раствора по корпусам приведены в таблице 6 и данные о технической характеристике аппарата в таблице 7.



Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г.С Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. - 496 с.

2. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1981.-382 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10-е изд., перераб. и доп.- Л.: Химия, 1987. - 576с., ил.

4. ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.

5. Справочник химика. М.- Л.: Химия, Т. III, 1962. 1006 с. Т. V, 1966. 974 с.

6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973.-750 с.

7. ОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.

8. Вакуумные насосы. Каталог-справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. 63 с.

9. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. Л.: Химия, 1977. 360 с.

10. Чернышов А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номограмм для химико-технологических расчетов. Л.: Химия, 1974. 200 с.

Размещено на Allbest.ru

...