Расчет и проектирование выпарной установки

ВВЕДЕНИЕ

 

Выпаривание - процесс  концентрирования растворов твердых  нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора.

Процесс выпаривания  относится к числу широко распространенных. Это объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое  кали, аммиачная селитра, сульфат  аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.   

В химической технике  используют следующие основные способы  выпаривания: простое выпаривание, многократное выпаривание, осуществляемое только непрерывно, и выпаривание с применением теплового насоса, Два последних способа проведения процесса обеспечивают наибольшую экономию тепла и поэтому имеют преобладающее значение.

При многократном выпаривании  в качестве греющего используют вторичный  пари, следовательно, достигается значительная экономия тепла. Проведение подобного процесса возможно либо при использовании греющего пара высокого давления, либо при применение вакуума.

Сущность процесса многократного  выпаривания состоит в том, что  он проводится в нескольких соединенных последовательно аппаратах, давление в которых поддерживают так, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог, использован как греющий пар в последующем аппарате. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ  СХЕМА УСТАНОВКИ

 

 

Рисунок 1. – Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:

1 – емкость исходного  раствора; 2,10 – насосы; 3 – теплообменник  подогреватель;

4,5,6 – выпарные аппараты; 7 –барометрический конденсатор; 8 –  вакуум насос; 

9 – гидрозатвор; 11 –  емкость упаренного раствора; 12 – конденсатоотводчик.

 

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 первого 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 последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последующего корпуса в барометрическом конденсаторе смещения 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.РАСЧЕТ ВЫПАРНОЙ  УСТАНОВКИ

Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов.

                                 ,  -Основное уравнение теплопередачи

        где Q-тепловая нагрузка, К – коэффициент теплопередачи, Δt_п – полезная разность температур.

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

            

1.1. Расчет концентраций  упариваемого раствора.      

В первом приближении  на основании практических данных, принимаем, что производительность по выпариваемой воде распределяются между корпусами в соответствии с соотношением:

Тогда:       

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

Концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_к.        

 

1.2. Определение  температур кипения растворов.       

Общий перепад давлений в установке равен:

где Р_Г1-давление насыщенного водяного пара 0,55 МПа; Р_бк - давление в барометрическом конденсаторе 0,02 МПа.

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

        Давление пара в барометрическом  конденсаторе:

что соответствует заданной величине Р_бк. По полученным величинам находим температуры и энтальпии (табл. 56,[1]). Данные заносятся в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры греющего пара и пара в конденсаторе

Давление, МПа	Температура, сº	Энтальпия, кДж/кг
РГ1=0,55 РГ2=0,373 РГ3=0,196 Рбк=0,019	tГ1=161,92 tГ2=146,80 tГ3=123,91 tбк=57,63	IГ1=2768,63 IГ1=2747,90 IГ1=2716,48 IГ1=2603,26

 Гидродинамическая  депрессия обусловлена потерей  давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах пригимают град на корпус.

        Температуры вторичных паров  в корпусах (в с^º ) равны:

       Сумма  гидродинамических депрессий:

       По  температурам вторичных паров находим их давления:

                      t_вп1 = 147,8с^º         Р_вп1 = 4,580 кгс/см²  = 0, 449 МПа

t_вп2 = 124,91 с^º         Р_вп2 = 2,360 кгс/см²  = 0, 231 МПа

t_вп3 = 57,63 с^º         Р_вп3 = 0,19 кгс/см²  = 0,0186 МПа

Давления в среднем  слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению:                    

 где Н – высота  кипятильных труб в аппарате, м; ρ - плотность кипящего раствора, кг/м³;

Е – паронаполнение ( объемная доля пара в кипящем растворе ), м³/м³.

 Для выбора Н  необходимо оценить поверхность  теплопередачи выпарного аппарата (F_op):

      q – принимаем 40000 Вт/м² (20000 – 50000 Вт/м² )

По ГОСТ 11987 – 81 ( [2], приложение V.2 ) выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2), состоит из кипятильных труб высотой 4 и 6 м при диаметре d_H=38 мм и толщине стенки 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н=4 м.

 При пузырьковом ( ядерном  ) режиме кипения паронаполнение  составляет Е=0,4 – 0,6. Примем Е=0,5.

По [4] находим плотности нашего раствора (MgSO₄) при концентрациях х₁, х₂, х₃:                              Х₁=12,2 %          ρ₁=1128,74 кг/м³

Х₂=16,6 %          ρ₂=1180,22 кг/м³

Х₃=30,0 %          ρ₃=1220 кг/м³ 

 Пренебрегаем изменением ρ с повышением температуры от 15 сº до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения Е.

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

 Находим при наших  давлениях:             

         Р_ср1=0,46 МПа = 4,69 кгс/см²     t_ср1=148,6 сº       r_вп=2124,4 кДж/кг

Р_ср2=0,243 МПа = 2,46 кгс/см²     t_ср2=126,0 сº       r_вп=2190,0 кДж/кг

Р_ср3=0,031 МПа = 0,32 кгс/см²     t_ср3=70,0 сº         r_вп=2332,8 кДж/кг

 

Определяем  гидростатическую депрессию по корпусам:

Сумма гидростатических депрессий равна:

 

Температурная депрессия Δ^/ определяется:

Найдем Δ^/_атм при концентрациях х₁, х₂, х₃ из (   ) (см. приложение 4[2] ):

1. Δ^/_атм = 0,92 сº при х₁=12,2 %
2. Δ^/_атм = 1,36 сº при х₂=16,6 %
3. Δ^/_атм = 3,4 сº при х₃=30 %

Определяем температурные  депрессии:

Сумма температурных  депрессий равна:

Температуры кипения  растворов в корпусах равны:

1.3. Общая полезная разность температур.

Общая полезная разность температур равна:

Полезная разность температур по корпусам ( в сº ) равны:

Тогда общая полезная разность температур:

Проверим общую полезную разность температур:

1.4.Определение  тепловых нагрузок.

 

 

            

            (4.2)

   (4.3)                                                                                                                          (4.4)

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду; с₁, с₂, с₃ – теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах, кДж/(кг·К); Q_конц1, Q_конц2, Q_конц3 – теплоты концентрирования по корпусам, кВт; t_н – температура кипения исходного раствора при давлении в первом корпусе; t_н = t_вп + Δ^/_н , где Δ^/_н =1,0 – температурная депрессия для исходного раствора.

Δt_н1 = 147,8 + 1,0 = 148,8 с^º

Δt_н2 = 124,91 + 1,0 = 125,91 с^º

Δt_н3 = 58,63 + 1,0 = 59,63 с^º

При решении уравнений (4.1) – (4.4) можно  принять:

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитываем теплоту концентрирования для третьего корпуса:

где G_сух – производительность аппаратов по сухому MgSO₄ , кг/с; Δq – разность интегральных теплот растворения при концентрациях х₂ и х₃ , кДж/кг.

Сравним Q_3конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для третьего корпуса Q_3ор:

Найдем  теплоемкость для наших концентраций:

Поскольку Q_3конц составляет значительно меньше 3% от Q_3ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_конц .

Получим:

;

 

 

 

Получаем: , , ,

       ,

        , ,

Полученные величины сводим в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчета  параметров для трех корпусов

Параметры	корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде ω, кг/с Концентрация растворов  х, % Давление греющих паров  Рг , МПа   Температура греющих паров tг , сº Температурные потери ∑Δ , град Температура кипения  раствора tк , сº Полезная разность температур Δtп , град	0,917 12,2 0,65 161,92 3,047 149,85 12,07	1,059 16,6 0,439 146,8 3,69 127,6 19,2	1,356 30 0,228 123,91 15,15 72,78 51,13

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых ( ω₁ = 0,9 кг/с; ω₂ = 1,08 кг/с;