Проектирование трехкорпусной выпарной установки для концентрирования раствора

ВЫП ап ПЗ.doc

Выпаривание – термический процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления из них летучего растворителя в виде пара при кипении. Применяют при получении сухого молока белково-витаминных концентратов кормовых дрожжей сахара при термическом обеззараживании животноводческих стоков и др.
Концентрацию растворенного вещества при выпаривании (состав раствора в выпарном аппарате) принято выражать в долях или процентах от общей массы раствора:
x = [Gсух(Gсух + W)]×100
где Gcух – масса растворенного вещества кг; W – масса растворителя в растворе кг.
Раствор с предельным содержанием растворенного вещества называется насыщенным.
Процесс выпаривания водных растворов различных нелетучих веществ в технологических процессах сельского хозяйства пищевой и комбикормовой промышленности имеет ряд принципиальных отличий от кипения чистой воды.
Первое отличие — температура кипения раствора твердого нелетучего вещества выше температуры кипения чистого растворителя. Причина — присутствие молекул этого вещества в растворе понижает давление насыщенного пара растворителя поэтому раствор закипает при более высокой температуре. К примеру чистая вода при атмосферном давлении закипит при температуре 100 °С а 70%-ный раствор аммиачной селитры NH4NO3 — при 120 °С.
Рисунок - 1. К определению температурной депрессии: 1 — давление насыщенного пара чистого растворителя;
— давление пара над раствором;
Разность между температурой кипения раствора Тр и температурой кипения чистого растворителя (обычно воды) Тв при данном давлении называется температурной депрессией (обозначается Dд). Следовательно согласно определению имеем:
Температурная депрессия для различных растворов определяется по справочным таблицам в которых она приводится при атмосферном давлении. На практике выпаривание ведется и при повышенном давлении и при разрежении.
Поэтому пересчет таб-
личных значений температурной депрессии на конкретное технологически установленное давление делают по формуле:
DДр = 00162×DДа×(Тв)2r
где DДа — температурная депрессия при атмосферном давлении К; Тв — температура кипения чистого растворителя при давлении выпаривания К; r — теплота парообразования при давлении выпаривания Джкг.
Пар образующийся в выпарном аппарате над кипящим раствором называется вторичным паром.
Второе отличие — теплоемкость растворов как правило не обладает аддитивными свойствами т.е. не может быть вычислена по теплоемкостям растворенного вещества и растворителя путем пропорционального сложения. В связи с этим при инженерных расчетах теплоемкость растворов определяют по графикам или берут из справочных таблиц.
Третье отличие — повышение концентрации растворенного вещества в процессе выпаривания сопровождается повышением плотности вязкости и температурной депрессии раствора и одновременным снижением его теплоемкости и теплопроводности. Все это в совокупности ведет к уменьшению коэффициента теплопередачи от греющего пара к кипящему раствору в выпарном аппарате по мере выпаривания.
При растворении твердых кристаллических веществ не реагирующих с растворителем наблюдается охлаждение раствора. Так как в этом случае затрачивается энергия на разрушение кристаллической решетки растворяемого вещества; эта энергия называется теплотой плавления. Если растворяемое вещество вступает в химическое взаимодействие с растворителем образуя например с водой гидраты то при этом выделяется теплота называемая теплотой химического взаимодействия.
Алгебраическая сумма теплоты плавления и химического взаимодействия называется теплотой растворения. Ее обычно относят к 1 кг растворенного вещества.
Интегральной теплотой растворения называется количество теплоты поглощаемое или выделяющееся при растворении 1 кг твердого вещества в большом количестве растворителя.
Таким образом четвертое отличие заключается в том что вещества образующие при растворении в воде гидраты имеют положительные теплоты растворения а не образующие гидраты — отрицательные теплоты растворения.
Для анализа процесса выпаривания необходимо знать теплоту изменения концентрации раствора Dq (Джкг) которая определяется по интегральной теплоте растворения. Пусть раствор при начальной концентрации х1 имеет интегральную теплоту растворения q1 а при конечной концентрации х2 соответственно q2. Согласно закону Гесса в соответствии с
которым «тепловой эффект превращения зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от пути по которому превращение протекает» можно записать:
Теплота Dq при разбавлении раствора выделяется а при концентрировании — поглощается. [1]
Способы и методы выпаривания
Процесс выпаривания может осуществляться под вакуумом при атмосферном и избыточном давлениях.
При выпаривании под вакуумом снижается температура кипения раствора что позволяет использовать для обогрева аппарата греющий пар низкого давления. Способ применим при выпаривании растворов чувствительных к высокой температуре. Кроме того увеличение разности температур греющего пара и кипящего раствора позволяет уменьшить поверхность теплообмена и габаритные размеры аппарата.
Выпаривание при атмосферном давлении является наиболее простым но наименее экономичным способом поскольку вторичный пар обычно не используется и выбрасывается в атмосферу.
Выпаривание под избыточным давлением вызывает повышение температуры кипения раствора что позволяет использовать вторичный пар (экстрапар) для других теплотехнических целей. Однако данный способ применим только для выпаривания термически стойких веществ и осуществим при использовании высокотемпературного греющего пара.
Различают также простое выпаривание проводимое в однокорпусных выпарных установках в которых греющий пар используется однократно.
Для экономии греющего пара применяют многократное выпаривание осуществляемое в многокорпусных установках в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса используется в качестве греющего для последующего корпуса. Первичный пар обогревает в этом случае только первый корпус. Давление в корпусах по ходу движения пара при осуществлении такого способа постоянно снижается.
Экономия первичного пара может быть достигнута в однокорпусной выпарной установке благодаря применению теплового насоса путем повышения теплосодержания вторичного пара в результате его сжатия в турбокомпрессоре или инжекторе с последующим использованием в том же выпарном аппарате.
По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодически действующие и непрерывнодействующие. Периодическое выпаривание применяется для получения растворов высоких
концентраций при небольших производительностях. Непрерывнодействующие выпарные установки имеют значительные производительности более экономичны в тепловом отношении легко автоматизируются и регулируются.. [2]
Конструкции выпарных аппаратов
Выпарной аппарат должен отвечать ряду требований: быть простым компактным надежным в эксплуатации; иметь высокую производительность; допускать возможно бльшие напряжения поверхности нагрева и высокие коэффициенты теплопередачи при минимальной массе и стоимости.
Разнообразие конструкций выпарных аппаратов усложняет их классификацию. Так выпарные аппараты могут подразделяться в зависимости:
от расположения и вида поверхности нагрева;
конфигурации поверхности нагрева;
компоновки поверхности нагрева;
взаимного расположения рабочих сред;
кратности и режима циркуляции.
По методу выпаривания выпарные установки бывают [3]:
поверхностного типа в которых раствор контактирует с поверхностью теплообмена;
контактного типа в которых нагревание осуществляется без разделяющей поверхности теплообмена;
адиабатного испарения.
Рассмотрим наиболее распространенные в промышленности конструкции выпарных аппаратов.
Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой [3](рис.2) имеет нагревательную камеру состоящую из корпуса 7 с кипятильными трубками 2 и центральной циркуляционной трубой 3 большого диаметра закрепленными в трубных решетках. Греющий пар подается в межтрубное пространство конденсируется и отводится из аппарата в виде конденсата. Исходный упариваемый раствор непрерывно подается сверху а упаренный раствор также непрерывно удаляется через штуцер находящийся в днище аппарата или через фонарь 7 который предназначен для поддержания постоянного уровня раствора в аппарате. В нем с помощью трубы 6 поддерживается то же давление что и в сепараторе 5. Парообразование внутри центральной трубы значительно меньше чем в кипятильных трубах так как на единицу объема жидкости в ней приходится меньшая теплопередающая поверхность. Вследствие этого плотность парожидкостной эмульсии (практически жидкости) в центральной трубе больше чем в кипятильных трубах. Это вызывает естественную циркуляцию раствора: гидростатическим давлением столба жидкости в циркуляционной трубе раствор передавливается в кипятильные трубки поднимается по ним вверх
Рисунок - 2. Схема выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой: 1 — корпус; 2 — кипятильные трубки; 3 — циркуляционная труба; 4 — каплеуловитель; 5 — сепаратор; 6 — труба; 7 — фонарь
частично выпаривается и освобожденный вверху от пара возвращается вниз по центральной трубе. Образующийся пар удаляется в верхней части аппарата пройдя предварительно через каплеуловитель 4.
Недостатком данного аппарата является жесткая конструкция греющей камеры не имеющая температурной компенсации. Аппараты могут быть использованы только для упаривания некристаллизующихся растворов так как в противном случае в трубах могут образовываться кристаллические пробки.
Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой (рис.3) состоит из греющей камеры 4 которая свободно подвешивается внутри корпуса 5 опираясь на лапы 6. Греющий пар подается в межтрубное пространство нагревательной камеры по трубе 3 конденсат удаляется по трубе 7. Образующийся вторичный пар проходит сепарационное пространство над греющими трубками и далее инерционный каплеуловитель 1 из которого уловленная жидкость стекает вниз по трубе 2.
Принцип циркуляции здесь тот же: малоэмульгированный раствор из-за большой плотности опускается вниз по кольцевому пространству между корпусом аппарата и нагревательной камерой передавливая вверх постоянно образующуюся в трубках более легкую парожидкостную эмульсию.
Благодаря большему сечению кольцевого канала гидравлическое сопротивление циркуляционного контура здесь меньше следствием чего является увеличение скорости циркуляции раствора. Погружение нагревательной камеры в выпариваемую среду препятствует возникновению температурных напряжений так как в этом случае корпус камеры и трубки находятся в
Рисунок - 3. Схема выпарного аппарата с подвесной греющей камерой:
— каплеуловитель; 2 — труба для стекания уловленной жидкости; 3 — труба для подачи греющего пара; 4 — греющая камера; 5 — корпус; 6 — лапа; 7 — труба для удаления конденсата
одинаковых температурных условиях.
Однако аппараты данного типа обладают несколько большей материалоемкостью чем с центральной циркуляционной трубой. В них также нельзя обрабатывать высоковязкие и кристаллизующиеся растворы.
Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой (рис. 4) состоит из нагре-
вательной камеры (кипятильника) 2 и сепаратора 6 соединенных между собой патрубком 3 и циркуляционной трубой 8. Через эту трубу большая часть концентрированного раствора возвращается обратно в нижнюю часть кипятильника смешиваясь с исходным раствором который подается через патрубок 1. Часть концентрированного раствора отводится из сепаратора в виде готового продукта через патрубок 7. Вторичный пар пройдя брызгоуловитель 5 удаляется из сепаратора через верхний патрубок 4.
Высота трубок в таких аппаратах составляет 5 7 м. Сечение циркуляционной трубы равно или больше площади поперечного сечения всех кипятильных трубок. Следствием большой движущей
Рисунок - 4. Схема выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой: 1 7 — патрубки; 2 — нагревательная камера 3 4 — патрубки; 5 — брызгоуловитель 6 — сепаратор 8 — циркуляционная труба
силы циркуляции (разности давлений столба сплошной некипящей жидкости в циркуляционной трубе 8 и парожидкостной эмульсии внутри кипятильных трубок) при небольшом гидравлическом сопротивлении циркуляционного контура является значительная скорость циркуляции раствора (до 15 мс). В результате повышается коэффициент теплоотдачи и уменьшается опасность отложения пристенных осадков.
Чистка и замена трубок выпарных аппаратов с выносной нагревательной камерой достаточно удобны.
Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения (рис.5) применяют для разделения раствора на растворитель и растворенное вещество. В этих условиях вещество часто выпадает из раствора в виде кристаллов. В таких случаях обычно применяются
Рисунок - 5. Схема выпарного аппарата с вынесенной зоной кипения: 1 — нагревательная камера; 2 — сепаратор 3 — труба; 4 — фонарь
аппараты с выносной нагревательной камерой и вынесенной зоной кипения.
Нагревательная камера 1 соединена с сепаратором 2 трубой 3. Уровень жидкости в сепараторе поддерживается на линии верхнего обреза трубы 3 что достигается отбором суспензии через фонарь 4. В нагревательных трубках раствор испытывает дополнительное давление столба жидкости находящейся в трубе 3. Высота подъемной трубы т.е. гидростатическое давление столба жидкости подбирается таким чтобы в нагревательных трубках происходил только нагрев раствора. Интенсивное парообразование начинается лишь при переходе раствора в подъемную трубу и сепаратор. Разность давлений столба жидкости в сепараторе и парожидкостной эмульсии в подъемной трубе обеспечивает естественную циркуляцию раствора. Чтобы уменьшить сопротивление циркуляционного контура отношение сечения подъемной трубы к сечению греющих трубок принимают (с учетом увеличения объема образующейся парожидкостной эмульсии) равным 15 20.
В зависимости от длины трубок разности температур пара и жидкости а также
давления в сепараторе скорость циркуляции раствора в трубках колеблется в пределах 12 20 мс.
Большая скорость циркуляции вынос зоны кипения из греющих трубок и поддержание постоянного количества кристаллов в циркулирующей суспензии (не менее 5 10%) во многих случаях предотвращают образование накипи и
кристаллов на греющих трубках.
Скорость циркуляции в этих аппаратах ограничена. Для поддержания больших скоростей циркуляции необходима значительная разность температур греющего пара и раствора (до 20 25 °С). Поэтому в них не всегда можно предотвратить образование накипи и кристаллов.
Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора (рис.6) применяют для создания больших скоростей движения упариваемого раствора относительно теплопередающей поверхности. Наиболее часто в этом случае используются аппараты с выносной греющей камерой. Раствор прокачивается через нагревательную камеру 1 сепаратор 2 и обратную трубу 4 насосом 5 (центробежным или осевым). Осевой насос более эффективен так как перекачивает большие массы жидкости при малом противодавлении. Питающий раствор подается
Рисунок - 6. Схема выпарного аппарата с принудительной циркуляцией раствора: 1 — нагревательная камера; 2 — сепаратор 3 — фонарь; 4 — труба; 5 — насос
в обратную трубу и смешивается с большим количеством циркулирующего раствора. Суспензию отводят через фонарь 3.
Сооружение и эксплуатация таких выпарных аппаратов дороже из-за высокой стоимости насоса и большого расхода энергии на перекачку. Оптимальная скорость циркуляции раствора по трубкам — 2 3 мс.
При меньших скоростях возможно отложение соли на теплопередающей поверхности.
Увеличение скорости циркуляции неэкономично из-за резкого возрастания гидравлического сопротивления контура а следовательно и большого расхода энергии на привод насоса. Кроме того при скорости движения раствора выше 30 35 мс становится заметным механическое истирание кристаллов (при упаривании растворов до появления твердой фазы).
Большие скорости циркуляции в этих аппаратах могут быть обеспечены при любой малой разности температур между конденсирующимся паром и циркулирующим раствором. Поэтому в них создаются наиболее благоприятные условия для предупреждения образования пристенных осадков.
Выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (рис.7) состоит из кипятильных труб большой высоты (6 9 м) что позволяет выпаривать раствор от начальной до конечной концентрации за время одноразового прохода его через кипятильные трубы (без циркуляции).
Свежий раствор подогретый до температуры кипения подается в трубки снизу через патрубок 7 в днище аппарата. Закипая в нижней части трубок раствор в виде парожидкостной эмульсии поднимается вверх создавая кольцевой режим кипения почти по всей длине трубок.
Этот кольцевой режим обеспечивает большие значения коэффициента теплоотдачи.
При большой длине трубок достаточно одноразового прохода раствора через аппарат для упаривания его до требуемой концентрации. Концентрированный раствор выбрасывается из трубок в верхней части аппарата в сепаратор 2 и в виде готового продукта отводится через патрубок 3.
Рисунок - 7. Схема выпарного аппарата с поднимающейся пленкой: 13 — патрубки; 2 — сепаратор
Аппарат может работать при меньшей разности температур между греющим паром и раствором чем выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора. Отсутствие циркуляции и большая скорость движения выпариваемого раствора по трубкам обусловливают небольшое время пребывания его в аппарате. Кипение в пленке а не в объеме
поднимающегося раствора предупреждает образование пены. Поэтому применение данных аппаратов особенно целесообразно при выпаривании пенящихся растворов а также растворов не терпящих перегрева и чувствительных к длительному нагреванию.
Недостатком этих аппаратов является то что в них нужно поддерживать постоянный термо- и гидродинамический режимы так как при недостаточной подаче раствора здесь возможно обсыхание стенок что совершенно недопустимо из-за обрастания их слоем кристаллов а при избыточной подаче — уменьшение концентрации упаренного раствора. Эти аппараты непригодны для упаривания кристаллизующихся растворов.
Выпарной аппарат с нисходящей (падающей) пленкой (рис.8) используют обычно для растворов чувствительных к длительному воздействию высоких температур. В этом аппарате
Рисунок - 8. Схема выпарного аппарата с нисходящей пленкой: 1 — трубная решетка; 2 — кипятильная трубка; 3 — сепаратор
раствор подается на верхнюю трубную решетку 1 откуда стекает в виде тонкой пленки по стенкам кипятильных трубок 2.
Для создания тонкой устойчивой пленки в верхней части трубок установлены специальные распределяющие устройства. Упаренный раствор отделяется от вторичного пара в сепараторе 3. В этом аппарате кольцевой режим с высоким значением коэффициента теплоотдачи существует по всей высоте греющих трубок а время пребывания раствора в трубках еще меньше так как пар увлекает за собой раствор способствуя увеличению скорости стекания пленки.
Этот аппарат может работать при еще меньшей разности температур между конденсирующимся паром и раствором чем выпарной аппарат с поднимающейся пленкой. В аппарате можно создать такой режим работы при котором пар будет образовываться не на стенке а на поверхности пленки со стороны парового пространства. В результате
уменьшается опасность образования накипи и кристаллов предупреждается пенообразование облегчается сепарация вторичного пара.
Роторный прямоточный аппарат (рис. 9) применяют для выпаривания нестойких к повышенным температурам вязких и пастообразных растворов. Внутри цилиндрического корпуса 1 аппарата снабженного паровыми рубашками 4 вращается ротор состоящий из вертикального вала 2 (расположенного по оси аппарата) и шарнирно закрепленных на нем скребков 3.
Выпариваемый раствор поступает в аппарат сверху захватывается вращающимися скребками под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам аппарата и перемещается по их внутренней поверхности в виде пленки. Постепенно происходит полное выпаривание пленки и на стенках аппарата образуется тонкий слой порошка или пасты который снимается вращающимися
скребками (зазор между наружной кромкой скребков и стенкой аппарата составляет менее 1 мм). Твердый или пастообразный продукт удаляется через специальный секторный затвор из днища аппарата.
В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен (до 15000 Вт(м2×К)) при небольшом уносе жидкости вторичным паром. В то же время роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации из-за наличия вращающихся частей непригодны для использования в крупнотоннажных производствах.
Барботажный выпарной аппарат применяют для выпаривания сильноагрессивных и высококипящих растворов например растворов серной соляной фосфорной кислот растворов хлористого магния и других при непосредственном соприкосновении раствора с нагретыми инертными газами. Для таких растворов передача через стенку теплоты
Рисунок - 9. Схема роторного прямоточного выпарного аппарата: 1 — корпус; 2 — вал; 3 — скребок; 4 — паровая рубашка
необходимой для выпаривания оказывается практически неосуществимой из-за трудностей
связанных с выбором конструкционного материала который должен сочетать хорошую теплопроводность с коррозионной и термической стойкостью.
Выпаривание при непосредственном соприкосновении раствора и теплоносителя осуществляют обычно с помощью топочных газов или нагретого воздуха в аппаратах с металлическим кожухом футерованным изнутри коррозионно-стойкими материалами например диабазовой и керамической плиткой кислотоупорным и шамотным кирпичом и т.д. Барботажные трубы по которым поступают в раствор газы изготавливаются из термосилида графита и других коррозионностойких материалов.
Барботажный аппарат для концентрирования серной кислоты (рис.10) состоит из выносной топки 7 и горизонтального цилиндрического корпуса 7. Часть аппарата заполняется слабым раствором кислоты подаваемой по трубе 6. Топочные газы поступают по трубам 2 концы которых погружены в раствор. При перемешивании раствора и теплоносителя происходит интенсивное испарение растворителя и частично кислоты. Из камеры III (третьей по ходу кислоты) газы поступают по барботажной трубе 3 в камеру II.
Для повышения температуры парогазовой смеси в эту камеру по барботажной трубе 4 подается дополнительно некоторое количество свежих топочных газов. Из камеры II газы вместе с парами кислоты и воды по барботажной трубе 5 направляются в камеру I где отдают теплоту на подогрев исходного слабого раствора кислоты. Упаренная кислота удаляется по трубе 8 из камеры III.
Рисунок - 10. Схема барботажного выпарного аппарата: 1 — выносная топка; 2 6 8 — трубы; 3 4 5 — барботажные трубы; 7 — корпус; I II III — камеры
Противоток кислоты и газов позволяет лучше использовать теплоту топочных газов но потери теплоты с отходящими газами весьма значительны. Кроме того происходит большой унос газами капель кислоты которые улавливаются в отдельном электрофильтре.
Выпарной аппарат с погружными горелками (рис.11) применяют для более эффективного выпаривания. При барботаже нагретых газов через слой раствора создается значительная межфазовая поверхность и происходит перемешивание жидкости пузырьками газа. В результате достигается интенсивный теплообмен.
В плоской крышке корпуса 1 аппарата расположена одна (или несколько) горелка 2 погруженная в выпариваемый раствор. Уровень раствора в аппарате поддерживается постоянным с помощью переливной трубы 3.
Упаренный раствор отводится из конического днища аппарата а выпадающие здесь кристаллы могут отсасываться посредством эрлифта. Парогазовая смесь отводится из пространства над жидкостью через сепаратор 4.
Рисунок - 11. Схема выпарного аппарата с погружной горелкой: 1 — корпус; 2 — горелка; 3 — переливная труба; 4 — сепаратор
Для таких аппаратов обычно используют специальные горелки беспламенного горения снабженные огнеупорной насадкой которая в накаленном состоянии каталитически ускоряет процесс горения.
В барботажных выпарных аппаратах работающих при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора и греющего агента достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи чем при выпаривании через стенку.
Для изготовления выпарных аппаратов в качестве конструкционных материалов применяются углеродистые кислотостойкие стали и медь.
Выпарные аппараты и отдельные элементы изготавливают из сталей разрешенных к применению Госгортехнадзором: ВСтЗсп ВСтЗГпс 06ХН28МДТ 09Г2С 16ГС1 08Х18Г8Н2Т 08Х22Н6Т 08Х21Н 12Х18Н10Т 10Х17Н13М2Т.
Кроме того применяют двухслойные стали с плакирующим слоем: 08X13 12Х18Н10Т 10Х17Н13М2Т.
Для изготовления оболочек соприкасающихся с морской водой применяют двухслойную сталь СтЗ + 12Х18Н10Т; внутренние устройства аппаратов выполняют из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
Детали аппаратуры соприкасающиеся с паром и конденсатом изготавливают из углеродистой стали.
Для выпаривания высококонцентрированных растворов щелочи применяют чугунные выпарные аппараты с медными теплообменными трубами.
Осуществляется в установках небольшой производительности (когда экономия теплоты не имеет решающего значения) периодическим или непрерывным способом. На рис.12 представлена схема установки простого выпаривания непрерывным методом.
Рисунок - 12. Схема установки для простого выпаривания: 1 – емкость; 2 5 — насосы; 3 — подогреватель; 4 — выпарной аппарат; 6 — сборник готового продукта; 7 — барометрическая труба; 8 — ловушка; 9 — барометрический конденсатор
Раствор из емкости 1 насосом 2 подается через расходомер в подогреватель 3 где нагревается до кипения и поступает в выпарной аппарат 4 на выпаривание. В аппарате 4 раствор воспринимает теплоту греющего пара. В результате чего растворитель испаряется. Образовавшийся вторичный пар и инертные газы освобождаются от брызг жидкости в верхней части выпарного аппарата называемой сепаратором и направляются в барометрический конденсатор 9 где вторичный пар конденси-
руется а газы через ловушку 8 поступают к вакуумнасосу. Конденсат отводится через барометрическую трубу. Упаренный раствор насосом 5 подается в сборник готового продукта 6. [1]
Многократное выпаривание
Осуществляется в нескольких последовательно соединенных аппаратах называемых многокорпусными. С целью экономии греющего пара в качестве греющего пара во всех корпусах кроме первого используется вторичный пар из предыдущего корпуса. Давление в этих аппаратах поддерживается на таком уровне чтобы вторичный пар предыдущего (или последующего) аппарата мог быть использован в качестве греющего в последующем (или предыдущем) аппарате; иначе — чтобы температура поступающего в корпус пара была выше чем температура кипения раствора в этом корпусе.
Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными (греющий [и вторичный в качестве греющего] пар и выпариваемый раствор перемещаются в одном направлении) и противоточными (греющий [и вторичный в качестве греющего] пар и
Рисунок - 13. Схема прямоточной трехкорпусной выпарной установки: 1 2 3 — корпуса; 4 — барометрический конденсатор
выпариваемый раствор перемещаются навстречу друг другу).
Принципиальная схема трехкорпусной установки показана на рис. 13. Свежий греющий пар вводится в корпус 1 а образовавшийся в нем вторичный пар поступает в качестве греющего в корпус 2. Вторичный пар образовавшийся в корпусе 2
является греющим паром для корпуса 3. [1]
Выпаривание с применением теплового насоса
Основано на использовании вторичного пара в качестве греющего в том же выпарном аппарате. Для этого температура вторичного пара должна быть повышена до температуры греющего пара. Подобное повышение температуры вторичного пара достигается сжатием его в компрессоре (обычно — в турбокомпрессоре) или в паровом инжекторе.
Рисунок - 14. Выпарной аппарат (1) с турбокомпрессором (2)
В выпарном аппарате с турбокомпрессором (рис. 14) вторичный пар с давлением рвт и энтальпией h выходящий из выпарного аппарата засасывается в турбокомпрессор в котором сжимается до давления р1. Энтальпия при этом возрастает до hсж. Таким образом за счет сжатия пар приобретает теплоту Dh = hcж – h. Сжатый пар поступает из турбокомпрессора в греющую камеру выпарного аппарата.
Установка удорожается на стоимость турбокомпрессора.
Рисунок - 15 Выпарной аппарат (1) с инжекторным тепловым насосом (2)
В выпарном аппарате с инжекторным тепловым насосом (рис. 15) греющий пар из котельной поступает в паровой инжектор представляющий собой несложное устройство типа сопла Вентури или Лаваля не требующее значительных затрат металла. За счет создания вакуума в инжектор засасывается вторичный пар давлением рвт и энтальпией h из выпарного аппарата. Каждая массовая единица греющего пара засасывает m массовых единиц вторичного пара (m — коэффициент инжекции составляет порядка 05 10). В результате получают греющий пар в количестве D×(1+m) с давлением меньшим чем давление греющего пара но большим чем давление вторичного пара. Часть вторичного пара в количестве (W – m×D) сбрасывается с
установки на побочные нужды. В процессе с инжекторным тепловым насосом расход греющего пара уменьшается в (1 + m) раз по сравнению с процессом простого выпаривания.
Выпарные установки с инжектором применяются для выпаривания растворов с низкой температурной депрессией и высоким давлением вторичного пара. С уменьшением давления вторичного пара увеличивается адиабатический перепад теплоты при сжатии и соответственно уменьшается коэффициент инжекции. При этом расход греющего пара увеличивается и использование выпарных установок с паровым инжектором становится нерациональным. [3]
Способы и методы выпаривания .8
Конструкции выпарных аппаратов .9
Простое выпаривание ..20
Многократное выпаривание 21
Выпаривание с применением теплового насоса ..22
Список литературы .24
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Издание седьмое. М: Химия 1961.-832с.
Дытнерский Ю.И. Брыков В.П. Борисов С.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия 1991. – 496с.
Чернобыльский И. И. Машины и аппараты химических производств. Изд. 3-е.
М.: Машиностроение 1975. – 448 с.

в у.cdw

Аппарат предназначен для упаривания раствора NaCl от начальной
концентрации 5% масс.
Объем номинальный аппарата 45
межтрубного пространства 3м
Производительность 0
кгс (по исходному раствору)
Абсолютное давление в аппарате от 0
Площадь поверхности теплообменa - 250 м .
Максимальная температура в трубном пространстве 115 С
трубном пространстве - 158 С.
Среда в аппарате и трубном пространстве - водный раствор NaCl
в межтрубном пространстве - насыщенный водяной пар.
При изготовлении аппарата руководсьвоваться ОСТ 26-01-112-79
Корпус аппарата и соприкасающиеся с упариваемым раствором де-
тали изготовить из стали 1Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
из стали Ст. 3 сп. ГОСТ 380-71.
Аппарат испытать на прочность и плотность в горизонтальном
положении пробным гидравлическим давлением 0
Аппарат подлежит приемке согласно правилам приемки Гостех-
Сварные соединения контролировать рентгенопросвечиванием в
объеме 100% по ОСТ 26-291-71. Сварные соединения нержавеющих
сталей контролировать на стойкость против межкристалитной
коррозии по ГОСТ 6032-84.
Неуказанный вылет штуцеров - 120 мм.
Действительное расположение штуцеров
Размеры для справок.
Аппарат выпарной с естественной
циркуляцией и соосной двухходовой
Труба циркуляционная
Техническая характеристика
Технические требования.
Выход вторичного пара
Для термометра сопротивления
Длятермометра ртутного
Промывка смотрового окна
Для указателя уровня
Для выравнивания давления
Для манометра или моновакуумметра

РР.doc

Технологический расчёт
1. Определение поверхности теплопередачи выпарный аппаратов
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:
Для определения тепловых нагрузок Q коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.
Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:
GН = 36000 кгч = 10кгс; xК = 445%.
W = 10(1-81445) = 818 кгс
1.1 Концентрация 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 = 10 : 11 : 12
W1 = 10W(10+11+12) = 10W33
W2 = 11W(10+11+12) = 11W33
W3 = 12W(10+11+12) = 12W33
W1 = 1081833 = 248кгс
W2 = 1181833 = 273 кгс
W3 = 1281833 = 297 кгс
Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:
x2 = GHxH(GH-W1-W2-W3)
x1 = 1081(10-248) = 1077%
x2 = 1081(10-248-273) = 1689%
x3 = 1081(10-248-273-297) =445%
Концентрация раствора в последнем корпусе x3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора xk.
1.2. Температуры кипения растворов
PГ1 изб = 154 МПа Р Г1 = 154+01013=16413 МПа
Общий перепад давлений в установке равен:
PОБ = PГ1 – РБК = 16413-00130= 1628 МПа
В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:
РГ2 = 16413 - 16273 = 1099 МПа
РГ3 = 1099 - 16273 = 0556 МПа
Давление в барометрическом конденсаторе:
РБК = 0556 – 16283 = 00133 МПа
что практически соответствует заданному значению Pбк.
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [2]:
При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и следовательно температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.
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 (Δ') гидростатической (Δ'') и гидродинамической (Δ''') депрессий (Δ=Δ' +Δ''+Δ''').
Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают '''=10-15 град на корпус. Примем для каждого корпуса ''' = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С ) равны:
Подставив получим: tВП1 = 18407 + 1 = 18507°С
tВП2 = 15615 + 1 = 15715°С
tВП3 = 5104 + 1 = 5204°С
Сумма гидродинамических депрессий:
''' = 1''' + 2''' + 3'''
По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны сответственно в (Па) [2] :
PВП1 = 11233106 Па РВП2 = 57239105 Па РВП3 = 13631104 Па
Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Pср каждого корпуса определяется по уравнению.
Рср = Рвп + ρgH(1-)2 (2)
где H – высота кипятильных труб в аппарате м; p – плотность кипящего раствора кгм3; – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе) м3м3.
Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000Втм2 аппаратов с принудительной циркуляцией q=40000-50000 Втм2. Примем q=50000 Втм2. Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:
Fop = 24819961103 50000 = 99 м2
где r1 = 19961 – теплота парообразования вторичного пара кДжкг.
По ГОСТ 11987 – 81[3] трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 3 исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 6 м при диаметре dн=38 мм и толщине стенке dст=2 мм.
При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет e=0.4 - 0.6. Примем =0.5. Плотность водных растворов в том числе раствора NaCl [1 приложение 4.3] при соответствующих концентрациях и температурах в корпусах равна:
x1 =1077% x2 = 1689% x3 = 445%
ρ1 = 1071кгм3 ρ2 = 1125 кгм3 ρ3 = 13375 кгм3.
Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:
РСР1 = РВП1 + ρ1gH(1-)2
РСР1 = 11233106 + 10716981(1-05)2 = 11391106 Па
РСР2 = РВП2 + ρ2gН(1-)2
РСР2 = 57239105 + 11256981(1-05)2 = 5889105 Па
РСР3 = РВП3 + ρ3gН(1-)2
РСР3 = 13631106 + 133756981(1-05)2 = 333104 Па
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [2]:
Определим гидростатическую дипрессию по корпусам:
Δ1'' = 18642 - 18507 = 138 0С
Δ2'' = 15793 – 15715 = 078 0С
Δ3'' = 715 – 5204 = 1946 0С
Сумма гидростатических депрессий:
'' = 1'' + 2'' + 3''
'' = 138 + 078 + 1946 = 2162°C
Температурную депрессию Δ' определим по уравнению:
Δ'=162·10-2·Δ'атмТ2rвп (3)
где T- температура паров в среднем слое кипятильных труб К; Δ'атм - температурная депрессия при атмосферном давлении [1 приложение 4.5].
x1 = 1077% АТМ1' = 2131°C
x2 = 1689% АТМ2' = 3967°C
x3 = 445% АТМ3' = 96°C
Находим значение Δ' по корпусам (в °C)
' = 16210-22131(18642 + 273)2 19923 = 366°C
' = 16210-23967(15795 + 273)2 20942 = 57°C
' = 16210-296(715 + 273)2 233115 = 792°C
Сумма температурных депрессий:
Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °C):
tК1 = tГ2 + 1' + 1'''
tК2 = tГ3 + 1' + 1'''
tК3 = tБК + 1' + 1'''
tК1 = 18407 + 366+138 + 1 = 19011
tК2 = 15615+57 + 078 + 1 = 16363
tК3 = 5104 +792 + 1946 + 1 = 7942
1.3. Полезная разность температур:
tП1 = tГ1-(tK1+tПЕР12)
tП1 = 20286 – 19011 = 1275°С
tП2 = tГ2-(tK2+tПЕР22)
tП2 = 18407 - 16363 = 2044°С
tП3 = tГ3-(tK3+tПЕР32)
tП3 = 15615 -7942 = 7673°С
Общая полезная разность температур:
tП = tП1 + tП2 + tП3
tП = 1275 + 2044 + 7673 = 10992°С
Проверим общую разность температур:
tП = tГ1-tБК-(' + '' + ''' )
tП = 20286-5104-(1728 + 2162 + 3) = 10992°С
1.4. 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(IГ1-i1) = 103[GHcH(tK1-tH)+w1(IВП1-cBtK1) +Qконц] (4)
Q2 = w2(IГ2-i2) = 103[(GH-w1)c1(tK2-tK1)+w2(IВП2-cBtK2)+ Qконц2] (5)
Q3 = w2(IГ3-i3) = 103[(GH-w1-w2)c2(tK3-tK2)+w3(IВП3-cBtK3) + Qконц3] (6)
w = w1 + w2 + w3 (7)
где 1.03 - коэффициент учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; сНс1с2 - теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах кДж(кгК) [4]; Qконц Qконц2 Qконц3 - теплоты концентрирования по корпусам кВт; tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; tн=tвп1+'н=18507+15=18657 (где 1н - температурная депрессия для исходного раствора); можно принять:
IВП1 = I г2 =27807 кДжкг i1 = 8653 кДжкг
IВП2 =Iг3 = 27531 кДжкг i2 = 7812 кДжкг
IВП3 = I бк =25931 кДжкг i3 = 6589 кДжкг
Анализ зависимости теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3- го корпуса:
Qконц3 = G сух Δq=G н x н Δq (8)
где G сух – производительность по сухому NaC Δq – разность интегральных теплот растворения при концентрациях х1 и х2 кДжкг [4]. Тогда
Qконц3 = 10·0081·845=685 кВт
Сравним Qконц3 с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q3ор
Q3ор = (GH-w1-w2)c2(tK3-tK2)+w3(IВП3-cВtK3)
Q3ор = (10-248-273) 333(7942-16363)+297(25931-4197942)=536997 кВт
Поскольку Qконц3 составляет значительно меньше 3 % от Q3ор в уравнениях тепловых балансов пренебрегаем этой величиной.
Получим систему уравнений:
Q1=D(27937-8653)=103[1037915(19011-18657)+w1(27807-41919011)]
Q2=w1(27807-7812)=103[(10-w1)37204(16363-19011)+w2(27531-41916363)]
Q3=w2(27531-6589)=103[(10-w1-w2)333(7942-16363)+w3(25931-4197942)]
Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:
D = 2658 кгс; 1= 244 кгс; 2 = 266 кгс; 3 = 308 кгс
Q1= 512569 кВт; Q2 = 487878 кВт; Q3 = 557057 кВт;
Результаты сведены в таблицу 1
Производительность по испаряемой воде w кгс
Концентрация растворов x %
Давление греющих паров Pr МПа
Температура греющих паров tr °C
Температурные потери град
Температура кипения раствора tk °C
Полезная разность температур град
1.5. Выбор конструкционного материала.
Выбираем конструкционный материал стойкий в среде кипящего NaCl в интевале изменения концентраций от 81 до 445% [5]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость корозии ее не менее 01 ммгод Коэффициент теплопроводности :
1.6. Расчет коэффициентов теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
Примем что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки стст и накипи нн. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:
λ = 0002251 + 000052 = 0000287 м2К Вт
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке 1 равен [1]:
где r1- теплота конденсации греющего пара Джкг; - соответственно плотность (кг). теплопроводность Вт() вязкость () конденсата при средней температуре пленки где - разность температур конденсации пара и стенки град.
Расчет - ведут методом последовательных приближений. В первом
приближении примем =2 0С. Тогда
tПЛ = 20286-22 = 20186 °С
r1 = 19284 кДжкг ρЖ = 86514 кгм3
Ж = 000013114 Пас λЖ = 06663 Вт(мК)
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение
где q - удельная тепловая нагрузка Вт; Δtст - перепад температур на стенке град; Δt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора град.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии принудительной циркуляции раствора равен:
Nu = 0023Re08Pr04 (11)
Физические свойства кипящего раствора NaCl сведем в таблицу 2.
Теплопроводность раствора λ Вт(м·К)
Плотность растворов ρ кгм3
Теплоемкость раствора с Дж (кг·К)
Вязкость раствора ·103 Па·с
Подставив численные значения получим:
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
q' = 8279342 = 1655868 Втм2
q'' = 1189996 = 713994 Втм2
Расхождение между тепловыми нагрузками превышает 3%.
Для второго приближения примем =4 0С.
Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 2 градуса рассчитаем α1 по соотношению:
q' = 6961784=2784712 Втм2
q'' = 118999079 =904392 Втм2
Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рис.1) и определяем =35 0С.
q' = 7198135=2519335 Втм2
q'' = 118999202=240378 Втм2
Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3% расчет коэффициентов теплоотдачи на этом заканчиваем.
Находим коэффициент теплопередачи:
К1 = 1 (1α1 + λ + 1α2)
К1 = 1 (171981 + 0000287 + 1118999) = 196094 Вт м2К
В первом приближении примем =4 град. Тогда
tПЛ2 = 18407- 42 = 18207 °С
r1 = 19995 кДжкг ρЖ = 887 кгм3
Ж = 0000153 Пас λЖ = 0675 ВтмК
q' = 6911534 = 5764612 Втм2
q'' = 100026885 = 85022 Втм2
Для второго приближения примем =60С.
q' = 6245286 = 3747168 Втм2
q'' = 1000268369 = 369099 Втм2
К2 = 1 (1α1 + λ + 1α2)
К2 = 1 (1624553 + 0000287 + 11000268) = 182784 Вт м2К
В первом приближении примем =15 град. Тогда
tПЛ3 = 15615-152 = 14865°С
r1 = 20942 кДжкг ρЖ = 911 кгм3
Ж = 00001916 Пас λЖ = 06836 ВтмК
q' = 48594415 = 728916 Втм2
q'' = 8433374081 = 34416582 Втм2
Для второго приближения примем =300С.
Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры рассчитаем α1 по соотношению:
q' = 40862830 = 12258857 Втм2
q'' = 8433371363 = 11495599 Втм2
Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рис.2) и определяем =295 0С.
q' = 410345295=121051775 Втм2
q'' = 8433371249=1193328 Втм2
К3 = 1 (1α1 + λ + 1α2)
К3 = 1 (1410345 + 0000287 + 1843337) = 154018 Вт м2К
1.7. Распределение полезной разности температур
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства из поверхностей теплопередачи:
где - соответственно полезная разность температур тепловая нагрузка коэффициент теплопередачи для j- го корпуса.
tП1=10992512569196094(512569196094+487878182784+557057154018)
tП2=10992487878182784(512569196094+487878182784+557057154018)
tП3=10992557057154018(512569196094+487878182784+557057154018)
Проверим общую полезную разность температур установки:
Сравнение полезных разностей температур tП полученных во 2-м и 1-м приближениях приведено ниже:
tП во 2-м приближении
tП в 1-м приближении
1.8. 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 Δ' Δ'' Δ''' для каждого корпуса как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже в таблице 3
Температура греющего пара в 1-ом корпусе
Температура вторичного пара
tВП = tк - (' + '') °C
Давление вторичного пара РВП МПа
Температура греющего пара tr = tВП - ''' °C
Рассчитаем тепловые нагрузки ( в кВт):
IГ1 = 27937 кДжкг i1 = 8653 кДжкг r1 =19284 кДжкг
IГ2 = 276999 кДжкг i2 = 68393 кДжкг r2 = 207493 кДжкг
IГ3 = 271673 кДжкг i3 = 52152 кДжкг r3 =219637 кДжкг
Iбк = 25931кДжкг iбк = 21366 кДжкг rбк =23795 кДжкг
Q1=103[10 37915 (17058-16704)+244(276999-41917058)]=530352 кВт
Q2=103[(10-244) 37204 (13157-17058)+266(271673-41913157)]=480278 кВт
Q3=103[(10-244-266) 333 (7942-13157)+308 (25931-4197942)]=628348 кВт
Расчет коэффициентов теплопередачи [в Вт(м2·К)]:
приближении примем =35 град. Тогда
tПЛ = 20286-352 = 20111 °С
ρЖ = 86589 кгм3 Ж = 000013189 Пас λЖ = 06666 ВтмК
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии принудительной циркуляции раствора находим из уравнения:
Физические свойства кипящего раствора NaCl сведем в таблицу 4.
q' = 71936935 = 2517792 Втм2
q'' = 1289622155 = 27791311 Втм2
Для второго приближения примем =120С.
Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рис.3) и определяем =108 0С
К1 = 1 (1542766 + 0000287 + 1128962) = 182221 Вт м2К
В первом приближении примем =10 град. Тогда
tПЛ2 = 16454-102 = 15954 °С
ρЖ = 907 кгм3 Ж = 0000174 Пас λЖ = 0683 ВтмК
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии принудительной циркуляции раствора равен:
q' = 72015310 = 720153 Втм2
q'' = 118182923 = 2718207 Втм2
Для второго приближения примем =50С.
q' = 8564115= 4282055 Втм2
q'' = 11818291568 = 18531671 Втм2
Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рис.4) и определяем =88 0С
q' = 7435488= 6543149 Втм2
q'' = 118182954 = 6371434 Втм2
К2 = 1 (174354 + 0000287 + 11181829) = 197587 Вт м2К
tПЛ3 = 12409-152 = 11659 °С
ρЖ = 9478 кгм3 Ж = 0000246 Пас λЖ = 06854 ВтмК
q' = 43938815 = 831322 Втм2
q'' = 84401075 = 9073204 Втм2
Для второго приближения примем =170С.
q' = 42585217= 7239485 Втм2
q'' = 8440719 = 6070619 Втм2
Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рис.5) и определяем =158 0С
q' = 433717158= 7941727 Втм2
q'' = 844095 = 802025 Втм2
К3 = 1 (1433717 + 0000287 + 18440) = 157221 Вт м2К
Распределение полезной разности температур:
tП1 = 3325 град Q1 = 530352 кВт
tП2 = 3064 град Q2 = 480278 кВт
tП3 = 4603 град Q3 = 628348 кВт
Проверка суммарной полезной разности температур:
tП = tП1 + tП2 + tП3
tП = 3325+ 3064+ 4603= 10992 град
Сравнение полезных разностей температур Δtп полученных в 1-ом и 2-м приближении приведено ниже:
Δtп в 1-м приближении град
Δtп во 2-м приближении град
Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышают 5%.
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
F1 = 530352103 1822213325 = 875 м2
F2 = 480278103 1975873064 = 8496 м2
F3 = 628348103 1572214603 = 8683 м2
Выбираем аппарат с поверхностью теплопередачи F = 100 м2
По ГОСТ 11987 – 81[3] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками :
Номинальная поверхность теплообмена F м2
Диаметр греющей камеры dk мм
Диаметр сепаратора dc мм
Диаметр циркуляционной трубы dц мм
Общая высота аппарата Ha мм
Масса аппарата Ma кг
2. Определение толщины тепловой изоляции.
Толщину тепловой изоляции н находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:
где - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду Вт(м2·К) [5]: - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов работающих в закрытом помещении выбирают в интервале 35-15 °С; - температура изоляции со стороны аппарата ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению термическим сопротивлением слоя изоляции принимают равной температуре греющего пара ; - температура окружающей среды (воздуха) °С; - коэффициент теплопроводности изоляционного материала Вт(м·К).
Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:
αВ = 93+005840 = 1162 Вт(м2·К)
В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста) имеющий коэффициент теплопроводности λ=009 Вт (м·К). Тогда получим
Принимаем толщину тепловой изоляции 0063 м и для других корпусов.
Расчёт вспомогательного оборудования
1. Расчет барометрического конденсатора.
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду которая подается в конденсатор чаще при температуре окружающей среды (около 20 °С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуума – насоса откачивают неконденсирующие газы.
Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы производительность вакуума – насоса.
1.1. Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:
где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе Джкг; tн - начальная температура охлаждающей воды °С; tk – конечная температура смеси воды и конденсата °С.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:
tk = t б.к - 30 = 5104 - 3 = 4804 °C.
1.2.Диаметр конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора dбк определяют из уравнения расхода:
где ρ – плотность паров кгм3 v – скорость паров мс
При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров v = 15-25 мс. Тогда
Подбираем конденсатор диаметром равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основые размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром
1.3. Высота барометрической трубы.
В соответствии с нормалями [6] внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 300 мм.
Скорость воды в барометрической трубе
Высота барометрической трубы
где B – вакуум в барометрическом Па; – сумма коэффициентов местных сопротивлений; λ – коэффициентов трения в барометрической трубе; 05 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления м.
где - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.
Коэффциент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:
ρВ = 1000 кгм3 В = 000054Пас
При Re = 51722222 λ = 0013
2. Расчет производительности вакуум – насоса.
Производительность вакуум – насоса определяется количеством газа (воздуха) который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
GВОЗД = 2510-5(w3+GB)+001w3
где 2510-5 – количество газа выделяющегося из 1 кг воды: 001 – количество газа подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.
Объемная производительность вакуум – насоса равна:
где R – универсальнпя газовая постоянная Дж(кмоль К); Мвозд - молекулярная масса воздуха кгмоль; tвозд – температура воздуха °С; Pвозд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению
Давление воздуха равно:
где Pп –давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд = 268°C. Подставив получим:
Зная объёмную производительность Vвозд и остаточное давление по каталогу [1 приложение 46] подбираем вакуум-насос типа ВВН-25 мощностью N=48 кВт.
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия 1976. – 552 с.
Александров Григорьев. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.
ГОСТ 11987 – 81. Аппараты выпарные трубчатые.
Справочник химика. М. – Л.: Химия Т. 3 1962. 1006 с. Т. 5 1966. 974 с.
Воробьева Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств Изд. 2-е. Л.: Химия 1976.328 с.
ОСТ 26716 - 73. Барометрические конденсаторы.
Дытнерский Ю.И. Брыков В.П. Борисов С.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия 1991. – 496с.
Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.2.- Калуга: Издательство Н. Бочкаревой 2002.-1028 с.
Касаткин А.Г. основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия 1973. 750 с.
Зайцев И. Д. Асеев Г. Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. М.: Химия
Чернобыльский И. И. Машины и аппараты химических производств.
Изд. 3-е. М.: Машиностроение 1975. – 448 с.
Овчинников Л.Н. Гусев Е.В. Расчет и проектирование выпарных установок. Учебное пособие. Иваново. 1999.
Способы и методы выпаривания ..7
Конструкции выпарных аппаратов ..8
Простое выпаривание ..19
Многократное выпаривание 20
Выпаривание с применением теплового насоса . ..20
Технологический расчёт .24
1.Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов .24
1.1. Концентрации упариваемого раствора 24
1.2. Температуры кипения растворов .25
1.3. Полезная разность температур .28
1.4. Определение тепловых нагрузок ..29
1.5 Выбор конструкционного материала 30
1.6. Расчёт коэффициентов теплопередачи 31
1.7. Распределение полезной разности температур 37
1.8. Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи 38
2. Определение толщины тепловой изоляции 47
Расчёт вспомогательного оборудования 48
1. Расчёт барометрического конденсатора .48
1.1. Расход охлаждающей воды 48
1.2. Диаметр конденсатора ..48
1.3. Высота барометрической трубы 49
2. Расчёт производительности вакуум-насоса 50
Конструктивный расчет ..51
Список литературы .53
Конструктивный расчет
Число нагревательных трубок диаметром 382 высотой 4 м:
где dcp = 0036 м – средний диаметр трубки.
n = 100p0036×60 = 148 шт.
где D = 08 м – диаметр греющей камеры аппарата;
P = 164 МПа – давление греющего пара;
s = 138 МНм2 – допускаемое напряжение для стали [12 ];
j = 08 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [12];
Cк = 0001 м – поправка на коррозию.
d = 08×1642×138×08 + 0001 = 0007 м.
Согласно рекомендациям [7] принимаем толщину обечайки d = 12 мм
Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0063 МН конструкция которой приводятся на рис.6:
Штуцер для входа исходной смеси:
Принимаем dИСХ = 80 мм.
Штуцер для выхода упаренного раствора:
Принимаем dУП = 80 мм.
Штуцер для выхода вторичного пара:
Принимаем dВТ = 300 мм.
Штуцер для входа греющего пара:
Принимаем dГ = 150 мм.
Штуцер для выхода конденсата:
Принимаем dК = 50 мм.
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80.