Расчет трехкорпусной выпарной установки для упаривания раствора сульфитного щелока на натриевом основании

выпарка 1.doc

Температурный режим работы установки5
1.Предварительный выбор поверхности нагрева выпарных аппаратов7
2.Предварительное распределение выпариваемой воды по корпусам установки8
3.Расчет концентраций на выходе раствора из корпусов установки10
4.Определение температурного режима работы установки11
4.1. Первое приближение11
4.2. Второе приближение13
4.3. Третье приближение15
4.4. Четвертое приближение16
5.Уточнение распределения выпариваемой воды по корпусам установки17
6.Уточнение температурного режима работы установки20
7.Расчет коэффициентов теплопередачи21
8.Уточненный расчет поверхности теплопередачи и выбор выпарных аппаратов27
Расчет вспомогательного оборудования29
1. Расчет барометрического конденсатора29
2. Расчет вакуум-насоса32
3. Расчет подогревателей раствора33
Технико-экономические показатели работы установки36
Процессы выпаривания получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. Выпарные установки в большинстве случаев размещаются в отдельных зданиях и оснащены многочисленными приборами контроля и средствами автоматизации с весьма сложной схемой регулирования параметров режима работы установки.
В целлюлозно-бумажной промышленности выпаривание применяется для концентрирования щелоков при производстве целлюлозы различными способами в основном с целью возврата химикатов в производство. Выпаривание черных щелоков сульфатного производства содержащих поверхностно-активные вещества приводящие к образованию пены при его выпаривании чаще всего проводится в вертикальных пленочных аппаратах с восходящей пленкой а сульфитных щелоков – в аппаратах с принудительной циркуляцией и как правило с вынесенной зоной кипения.
Современные выпарные установки целлюлозно-бумажной промышленности включают 6-9 аппаратов при пяти или шестиступенчатой схеме выпаривания. Питание корпусов раствором как правило осуществляется по смешанной схеме. При этом в первых корпусах установки может быть применено выпаривание с тепловым насосом а отдельные корпуса могут работать при параллельном питании аппаратов раствором.
Выпариваемый раствор сульфитный щелок на натриевом основании
Производительность по исходному раствору G=38 тч
Концентрация раствора: начальная Хн=13%
Тип выпарного аппарата 21
Число выпарных аппаратов в установке 3
Схема питания установки раствором 2-3-1
Вакуум в последнем корпусе установки В=80 кПа
Начальная температура раствора tн=55°С
Предельно допустимое значение толщины накипи на внутренней поверхности кипятильных труб греющей камеры =14 мм
Теплопроводность накипи λ=08 ВтКм
Рассчитать поверхность выпарных аппаратов и подогревателей раствора барометрический конденсатор и технико-экономические показатели работы установки.
Температурный режим работы установки
На рисунке 1 изображена технологическая схема трехкорпусной выпарной установки. Исходный раствор из бака слабого щелока 11 центробежным насосом 7 подается в циркуляционную трубу корпуса 2 установки нагретым до температуры кипения в этом корпусе в подогревателе 9. Поскольку абсолютное давление в сепараторе корпуса 2 больше чем в сепараторе корпуса 3 то из второго корпуса под действием перепада давления щелок поступает в третий корпус самотеком. При этом за счет более высокой температуры поступающего в аппарат щелока (по отношению к температуре его кипения в третьем корпусе) из щелока без подвода теплоты дополнительно удаляется растворитель (вода) т.е. происходит процесс самоиспарения. Подача такого щелока в циркуляционную трубу недопустима так как образующиеся пары вскипая будут ухудшать условия циркуляции раствора и процесса теплопередачи в аппарате двигаясь навстречу циркулирующему раствору. Поэтому на схеме подача щелока в корпус 3 осуществляется в сепаратор выше уровня раствора в нем. Из корпуса 3 выпариваемый раствор центробежным насосом 8 подается в циркуляционную трубу корпуса 1. на этом противоточном участке выпарной установки раствор нагревается в подогревателе 10 до температуры кипения в первом корпусе из которого раствор направляется на дальнейшую переработку.
Подвод теплоты к раствору для обеспечения процесса выпаривания в корпусе 1 осуществляется свежим греющим паром который называю первичным. Образовавшийся в первом корпусе из раствора соковый пар (вторичный пар) используется в качестве греющего пара во втором соковый пар второго является греющим для третьего а соковый пар третьего корпуса конденсируется в барометрическом конденсаторе 4. смесь конденсата и охлаждающей воды отводится по барометрической трубе а неконденсируемые газы после отделения капель жидкости в ловушке 5 отсасываются вакуум-насосом 6.
Рис. 1. Схема выпарной установки: 123 – выпарные аппараты (тип 2 исп.1); 4 – барометрический конденсатор; 5 – ловушка; 6 – вакуум-насос; 78 – насосы; 910 – подогреватели щелока; 11 – бак слабого щелока; 12 – линия чистого конденсата; 13 – линия грязного конденсата
На схеме нанесены в буквенном обозначении массовые расходы по пару (греющему и соковому) и по раствору на входе и выходе из любого корпуса а также основные теплофизические параметры пара и раствора. При этом первая цифра у любого параметра соответствует номеру корпуса (по ходу пара) а вторая отвечает параметрам на входе в аппарат (цифра 1) или на выходе – (цифра 2).
1.Предварительный выбор поверхности нагрева выпарных аппаратов
Предварительный расчет требуемой поверхности нагрева выпарных аппаратов для обеспечения заданной производительности установки при известной кратности выпаривания производится по рекомендуемым удельным паропроизводительностям корпусов U которая для выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией находится в пределах 13-20 кгм2ч. С увеличением U уменьшается период работы выпарной установки между промывками поверхностей нагрева но уменьшается также и требуемая поверхность нагрева аппаратов при заданной производительности установки. При больших значениях паропроизводительности необходимо иметь большую суммарную полезную разность температур на все корпуса установки.
Для расчета требуемой поверхности нагрева выпарного аппарата необходимо определить общее количество выпариваемой воды W по уравнению материального баланса установки:
Где G0 – производительность установки по начальному раствору кгс; хн и хк – начальная и конечная концентрации раствора % масс.
G0=381033600=1055 кгс
W=1055(1-1352)=792 кгс
Тогда поверхность нагрева выпарного аппарата составит:
Где n – число корпусов в установке4 n=3.
Примем U=15 кгм2ч=41710-3 кгм2с
Из учебного пособия [1] выбираем стандартный аппарат с поверхностью нагрева Fст=630 м2 диаметр труб d=38×2 длина труб l=6000 мм
Для выбранного аппарата определим количество труб nт в греющей камере по уравнению:
2.Предварительное распределение выпариваемой воды по корпусам установки
Количество выпариваемой воды в конкретном корпусе выпарной установки зависит от схемы ее работы и определяется расходом греющего пара в этом корпусе температурой и расходом поступающего в него щелока. Следовательно распределение выпариваемой воды по корпусам можно определить при решении системы уравнений теплового баланса для конкретной схемы работы установки. Однако на данном этапе расчета решение этой системы не представляется возможным из-за отсутствия данных для определения теплофизических параметров пара и щелока по каждому корпусу. Разрывая круг взаимосвязанных между собой физических величин и параметров определяющих работу каждого корпуса установки зададимся условным распределением выпариваемой воды по корпусам исходя из схемы работы установки. При этом будем учитывать что весь соковый пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего в следующем корпусе так как отбор экстра-пара между корпусами отсутствует.
В конкретной установке возможны два случая работы любого корпуса связанные с количеством теплоты поступающим в аппарат с раствором:
раствор поступает в аппарат после подогревателя в котором он нагревается до температуры кипения в этом корпусе или чуть выше ее.
раствор в аппарат поступает из предыдущего корпуса а следовательно его температура будет больше температуры кипения в данном корпусе.
В первом случае вся теплота выделяющаяся при конденсации греющего пара и равная Qконд=Diгriг=W(i-1)riг будет полностью расходоваться (пренебрегая потерями теплоты в окружающую среду) на испарение воды из щелока (Qкип=Wiriс). Следовательно можно записать:
W(i-1)riг=Wiriс или W(i-1):Wi=riс:riг
riг и riс – удельная скрытая теплота изменения агрегатного состояния греющего и сокового пара для i-того корпуса.
Так как удельная скрытая теплота изменения агрегатного состояния увеличивается с уменьшением давления пара а давление греющего пара поступающего в i-тый корпус больше давления сокового пара на выходе из этого корпуса то riсriг и W(i-1)Wi.
На практике riс больше riг примерно на 2%. Следовательно если раствор в i-тый корпус поступает после подогревателя т.е. при температуре кипения в этом корпусе или чуть выше ее то Wi будет на 2% меньше W(i-1) т.е. долевое соотношение между ними можно записать в виде:
Во втором случае раствор поступая в аппарат перегретым охлаждается в нем до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющейся теплоты перегрева равной Qпер=Gрср(tкип(i-1)-tкипi) из раствора происходит самоиспарение воды. Количество образующегося пара при этом равно Wсп=Qперrс. в первом приближении можно принять что на прямоточном участке схемы (между двумя соседними корпусами) количество испаряемой в i-том корпусе воды Wi будет на 7÷9% больше по сравнению с расходом греющего пара в этом корпусе. При этом чем меньше в единицу времени поступает в аппарат раствора тем меньшим значением надо задаваться. Таким образом долевое соотношение между W(i-1) и Wi в этом случае можно записать в виде:
Рассмотрим соотношение между количествами выпариваемой воды в корпусах установки для заданной схемы (2-3-1)
На схеме видно что в корпус 2 щелок поступает после подогревателя. Следовательно приняв W1 равной одной доле имеем W1:W2=1:098. в третий корпус щелок поступает из второго корпуса перегретым (участок прямотока). Количество поступающего раствора достаточно большое – (G0-W2) поэтому можно принять что W3 в долевом соотношении будет больше W2 примерно на 8% т.е. с учетом предыдущего соотношения можно записать W2:W3=098:106.
Таким образом долевое соотношение между расходами выпариваемой воды (сокового пара) в корпусах рассматриваемой установки можно представить следующим образом:
Сумма долей равна 304. Следовательно для рассматриваемой установки W1=W358=792304=260 кгс
В соответствии с распределением находим W2=260098=255 и W3=106260=277
3.Расчет концентраций на выходе раствора из корпусов установки
Так как при выпаривании раствора в аппарате в паровую фазу переходит только растворитель (вода) а твердый компонент остается в растворе и в паровую фазу не переходит то концентрации твердого компонента в щелоке на выходе из любого корпуса установки определяются на основании уравнения материального баланса по твердому компоненту в растворе:
Где j=12 m n – номера по ходу раствора; - сумма расходов испаряемой воды в предыдущих по ходу раствора корпусах и в данном корпусе. Индекс i обозначает номер корпуса (по ходу пара) а индекс 2 означает что концентрация рассчитывается на выходе из корпуса.
Концентрации на выходе из аппаратов:
Концентрации на входе в аппараты:
4.Определение температурного режима работы установки
4.1. Первое приближение
Последовательность расчета температурного режима установки зависит от способа задания исходных данных. В нашем случае задан вакуум в последнем корпусе установки следовательно задаемся величиной температурного напора выпарной установки:
Где ti – разность температур в одном корпусе. Принимается в пределах (12÷15)°С. В первом приближении разности температур принимаются одинаковыми для всех корпусов. Примем ti=14°С. Далее определяются все виды температурных потерь.
Абсолютное давление в сепараторе последнего корпуса:
Р3с=Р-В=1013-80=213 кПа
По таблице свойств насыщенного водяного пара путем линейной интерполяции по значению Р3с находим температуру сокового пара в последнем корпусе установки t3с=612°С.
Составление приблизительного температурного режима работы установки начинаем с последнего корпуса пользуясь для любого i-того корпуса равенствами:
t(i-1)с=tiг+'''(i-1)I
где t t(i-1)с – температура сокового пара предыдущего (i-1) корпуса. Расчет заканчивается когда определена температура греющего пара 1-го корпуса.
Для щелоков целлюлозного производства концентрационная депрессия равная разности между температурами кипения раствора и чистого растворителя при одном и том же давлении в основном зависит от концентрации раствора и практически не зависит от давления а поэтому она может быть приближенно рассчитана по формуле:
Где х – концентрация щелока в массовых % А и В – постоянные зависящие от природы щелока. Для сульфитного щелока на натриевом основании А=060; В=0048.
Расчеты представлены в таблице 1
Приблизительный температурный режим (этап I)
Температура сокового пара tiс
Температура кипения раствора ti2
Температура греющего пара tiг
4.2. Второе приближение
Данные этой таблицы уточняются в дальнейшем с помощью эмпирических уравнений.
С этой целью по концентрации щелока на выходе из корпусов хi2 и его температурам кипения ti2 по эмпирическим формулам для сульфитного щелока находим значение вязкости выпариваемого щелока i2 которые используют для нового распределения tпол по корпусам установки по эмпирическому уравнению:
Где Diг=W(i-1) D1г=102W1
Вязкость сульфитного щелока в концентрации до 30%масс. Вычисляется по формулам:
=b010-6ехр(b108Т-3);
b0=008639+047022(х100)+038097(х100)2-15244(х100)3+
b=061724-036583(х100)+629912(х100)2-244779(х100)3+
В концентрации от 30 до 60 % масс по формулам:
=853310-8ехр(b108Т-3+325(х100));
b=1764-7(х100)+1253(х100)2
х12=52%; t12=104°С=377 К
х22=17%; t22=807°С=3537 К
х32=26%; t32=633°С=3363 К
По уточненным значениям ti составляем новую таблицу (табл.2)
Приблизительный температурный режим (этап II)
4.3. Третье приближение
Используя новые значения температуры уточняем вязкости щелока и распределение температур по корпусам.
х12=52%; t12=959°С=3689 К; b=1512
х22=17%; t22=78°С=351 К; b0=0173; b=0653
х32=26%; t32=633°С=3363 К;b0=0224; b=0715
По уточненным значениям ti составляем новую таблицу (табл.3)
Приблизительный температурный режим (этап III)
4.4. Четвертое приближение
х12=52%; t12=950°С=368 К; b=1512
х22=17%; t22=773°С=3503 К; b0=0173; b=0653
По уточненным значениям ti составляем новую таблицу (табл.4)
Приблизительный температурный режим (этап IV)
Значения ti на четвертом и третьем этапе отличаются не более чем на 01°С следовательно расчет можно считать оконченным.
5.Уточнение распределения выпариваемой воды по корпусам установки
Приблизительный температурный режим работы выпарки установленный на предыдущем этапе расчета дает возможность найти все необходимые параметры для решения системы уравнений теплового баланса с целью уточнения ранее принятых расходов выпариваемой воды по корпусам установки и определения расхода греющего пара в первый корпус.
Система уравнений теплового баланса установки включает в себя уравнения теплового баланса всех корпусов установки и уравнение материального баланса установки по выпариваемой вожже.
Определяя приход и расход теплоты с материальными потоками для любого i-того корпуса составляют уравнения теплового баланса корпусов каждое из которых если пренебречь потерями теплоты в окружающую среду принимает вид:
DiгJiг+Gi1сi1ti1=WiJiс+(Gi1-Wi)сi2ti2+Diксiкtiк
Где D W D G (G J с t сiк и tiк – теплоемкость и температура конденсата.
Таким образом для выпарной установки из трех корпусов получаем систему состоящую из трех уравнений теплового баланса корпусов которую надо дополнить уравнением материального баланса установки по выпариваемой воде:
Для решения полученной системы уравнений в первую очередь необходимо сократить число неизвестных в ней заменив для всех корпусов кроме первого Diк и Diг через W(i-1) ибо соковый пар предыдущего корпуса
W(i-1) согласно схеме работы установки полностью используется в качестве греющего пара Diг в последующем корпусе который конденсируясь в межтрубном пространстве греющей камеры аппарата выводится из него в виде конденсата Diк. Следовательно для первого корпуса D1к=D1г а для остальных корпусов Diк=Diг=W(i-1)
Более точные выражения Gi1 и (Gi1-Wi) определяем по схеме установки. Энтальпии пара (греющего и сокового) определяем с помощью линейной интерполяции по соответствующим значениям температур [3] установленным при расчете приблизительного режима работы установки. Считая что переохлаждение конденсата греющего пара не происходит принимают tiк=tiг и при этой температуре из таблицы физических свойств воды (на линии насыщения) находим теплоемкость конденсата. Температуры раствора на выходе из корпусов ti2 определяем из таблицы приблизительного температурного режима. Теплоемкость раствора на выходе из корпусов сi2 и на входе в установку рассчитывают по приведенными ниже формуле по известным концентрациям хi2 и хн. Температуры ti1 и теплоемкости сi1 раствора на входе в корпуса находим через соответствующие значения ti2 и сi2 или сн в соответствии с изображенной схемой установки.
Для трехкорпусной выпарной установки схема которой представлена на рис.1 система уравнений теплового баланса принимает вид:
D1гJ1г+(G0-W2-W3)с11t11=W1J1с+(G0-W)с12t12+D1кс1кt1к
D2гJ2г+G0с21t21=W2J2с+(G0-W2)с22t22+D2кс2кt2к
D3гJ3г+(G0-W2)с31t31=W3J3с+(G0-W2-W3)с32t32+D3кс3кt3к
При решении этой системы определяют: расход греющего пара в первый корпус D1г и расход выпариваемой воды в каждом i-том корпусе Wi которые будут уточненными величинами ранее принятых значений.
В этой системе уравнений расходы по раствору G0 и (G0-Wi) уточнены для каждого корпуса в соответствии с обозначениями схемы изображенной на рисунке 1.
При решении эта система уравнений дополняется следующими условиями: D1к=D1г; D2к=D2г= D3к=D3г= t11=t12 и t21=t22 (так как перед подачей в эти корпуса раствор проходит через подогреватель нагреваясь в нем до температуры кипения); t31=t22 (так как раствор из второго корпуса подается в третий корпус без охлаждения или подогрева); с11=с32 (так как щелок из корпуса 3 поступает в корпус 1 без изменения концентрации а его теплоемкость в основном зависит от концентрации и практически не зависит от температуры); с31=с22 (по той же причине); с21=сн (так как в этот корпус подается исходный щелок с концентрацией хн)
Для решения составленной системы уравнений теплового баланса занесем в таблицу известные величины.
Данные для решения уравнений теплового баланса выпарки
Наименование величины
Энтальпия греющего пара
Энтальпия сокового пара
Теплоемкость конденсата
Теплоемкость раствора на входе в корпус
Теплоемкость раствора на выходе из корпуса
Температура конденсата
Температура раствора на входе в корпус
Температура раствора на выходе из корпуса
Удельная массовая теплоемкость сульфитного щелока определяется по формуле:
Где с – удельная массовая теплоемкость щелока ДжкгК; х – концентрация в массовых %; А и а – постоянные зависящие от природы раствора: А=4061; а=167
Подставим в систему уравнений теплового баланса все известные значения:
D1г27096+(1055-W2-W3) 3627951=W12654+(1055-792) 3193951+
W12650+10553844774=W22632+(1055-W2) 3777774+ W1419858
W226295+(1055-W2) 3777774=W32609+(1055-W2-W3) 3627633+
После упрощения система принимает вид:
09191D1г-2654W1-344928W2-344928W3=-2840376
90498W1-233966W2=-5471
5669W2-237941W3=-66202
6.Уточнение температурного режима работы установки
Полученные при решении системы уравнений теплового баланса установки значения выпариваемой воды по корпусам (расходы сокового пара) необходимо сравнить со значениями Wi которые были приняты на предыдущем этапе расчета в разделе 1.2.
Наибольшее расхождение составляет 16% следовательно это не может привести к существенным изменениям ранее рассчитанных концентраций концентрационных депрессий и вязкостей раствора на выходе из корпусов поэтому для дальнейших расчетов можно использовать их численные значения и данные последнего этапа приближения температурного режима при новых значениях Wi и Diг.
Рассчитанный температурный режим работы установки требует дальнейшего уточнения. Однако он необходим так как дает возможность рассчитать коэффициенты теплопередачи тепловые нагрузки а также уточнить и дополнительно выбрать поверхности нагрева корпусов выпарной установки.
7.Расчет коэффициентов теплопередачи
Условия работы выпарной установки а следовательно и коэффициенты теплопередачи в аппаратах изменяются во времени так как на внутренней поверхности кипятильных труб греющей камеры образуется накипь тольщина которой возрастает с увеличением времени работы установки и зависит от вида и концентрации выпариваемого раствора в конкретном корпусе и его паропроизводительности.
При достижении в корпусе с наибольшей концентрацией раствора определенной толщины накипи установка должна быть остановлена на очистку труб от накипи.
Расчет ведем для наихудших условий работы а именно на момент времени предшествующий ее остановке. К этому моменту толщины накипи в аппаратах установки будут значительно различаться между собой.
Динамика образования накипи зависит от многих факторов в том числе от природы щелока и от конструкции выпарного аппарата которые трудно учесть в одном уравнении. Поэтому расчет коэффициентов теплопередачи ведется по методике имеющей приближенный характер.
Для расчета коэффициента теплопередачи в выпарном аппарате любой конструкции необходимо знать значения термичесикх сопротивлений стенки трубок (стλст) и накипи (нλн) на данный момент времени а также значения коэффициентов теплоотдачи от греющего пара к стенке трубок (α1=αконд) и от накипи к раствору (α2=αкип).
Коэффициент теплоотдачи α1 при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности вертикальных трубок рассчитывают по формуле:
Где А – коэффициент учитывающий теплофизические свойства конденсата при средней температуре пленки tпл=05(t tс t=(t г – поправочный коэффициент учитывающий содержание неконденсируемого газа (воздуха) в паре.
Сложность расчета состоит в том что неизвестно значение tсl вследствие чего нельзя сразу рассчитать t. Принимая процесс теплоотдачи от конденсирующегося пара к раствору (на данный момент времени) установившимся расчет ведут методом последовательного приближения в основе которого лежит равенства удельных тепловых потоков от конденсирующего пара к стенке qконц через стенку qст накипь qн и от последней к раствору qкип.
qконд.=qст.=qн.=qкип.=q=соnst
На первом этапе приближения произвольно задаются значением t в пределах (1÷3)°С в зависимости от полезной разности температур ti в данном корпусе. Наименьшему значению ti отвечает и меньшее значение t. При принятом значении t и известной температуре греющего пара t1г находится tсl=tiг-t и рассчитывается tпл по значению которой путем линейной интерполяции из справочной таблицы находят численное значение коэффициента А.
t1=3°С;tс tпл=05(1183+1153)=1168°С;А1=1866
t2=1°С; tс tпл=05(858+848)=853С; А2=1714
t3=2°С; tс tпл=05(74+72)=73°С; А3=1634
Численные значения r и г находим по учебному пособию [2]. При определении г зададимся содержанием воздуха в паре ; г=019
t1г=1183; r1=2212 кДжкг
t2г=858; r2=2296 кДжкг
t3г=74; r3=2323 кДжкг
Определяем удельный тепловой поток при конденсации греющего пара
qконд=α1(tiг-tсl)=α1t
qконд1=13543=4062 Втм2
qконд2=16521=1652 Втм2
qконд3=13282=2656 Втм2
для дальнейших расчетов к моменту останова установки необходимо предварительно определить толщину накипи в корпусах для которых ведется расчет коэффициента теплоотдачи:
Где н х и W – толщина слоя накипи концентрация щелока и расход по выпариваемой воде в последнем (по ходу раствора корпусе); н1 хi Wi – соответствующие параметры корпуса для которого ведется расчет.
Тогда с учетом равенства пользуясь уравнением теплопроводности через многослойную стенку можно определить температуру накипи со стороны раствора.
Где ст и λст – толщина и теплопроводность стенки трубок; λн – теплопроводность накипи.
Значение ст определено при выборе выпарных аппаратов: ст=2 мм; λст находим из учебного пособия [2] учитывая что при выпаривании сульфитных щелоков трубки греющей камеры выполнены из нержавеющей стали:
Коэффициент теплоотдачи α2 определяют из критерия Нуссельта:
где Nu=α2dλ – критерий Нуссельта; В=00226 для аппаратов с вынесенной зоной кипения; Rе=d – критерий Рейнольдса; Рr=сλ – критерий Прандтля.
В аппаратах с принудительной циркуляцией при однократном прохождении раствора по трубкам его концентрация изменится незначительно и близка к концентрации раствора на выходе из аппарата. Поэтому все теплофизические параметры раствора а именно его плотность ρ динамическая и кинематическая вязкости теплопроводность λ и теплоемкость с которые входят в определяемый и определяющие критерии уравнений рассчитываются при концентрации раствора и его температуре на выходе из аппарата то есть при хi2 и ti2.
Плотность сульфитных щелоков определяется по уравнению:
При х40%: ρ=А(1+00052х);
При х=(40÷60)%: ρ=А(0928+0007х)
Где А=10028-015545t-00028842t2
t12=633°С; х12=052; А=9814; ρ1=12679 кгм3
t22=807°С; х22=017; А=9715; ρ2=10573 кгм3
t32=104°С; х32=026; А=9554; ρ3=10846 кгм3
Кинематическая вязкость в корпусах была рассчитана ранее:
Кинематическая вязкость является отношением динамической вязкости к плотности жидкости откуда можно найти динамический коэффициент вязкости:
=96110-612679=12210-3 кгмс
=79010-710573=08410-3 кгмс
=14710-610846=15910-3 кгмс
Теплоемкость раствора на выходе из корпусов:
Зависимость теплопроводности сульфитного щелока от его концентрации и температуры определяется уравнением:
λ=04468t0095(1-045(х100)-01667(х100)2)
t12=633°С; х12=052; λ1=0477 ВтмК
t22=807°С; х22=017; λ2=0623 ВтмК
t32=104°С; х32=026; λ3=0605 ВтмК
Определяющим линейным размером в критериях Nu и Рr служит внутренний диаметр d трубок греющей камеры уменьшенный в связи с образованием слоя накипи на их внутренней поверхности.
Скорость движения раствора в трубках греющей камеры аппарата с принудительной циркуляцией принимают равной (2÷3) мс. Примем =25 мс
Критерий Рейнольдса:
Rе1=2529410-396110-6=7648
Rе2=2533910-379010-7=107278
Rе3=2533510-314710-6=56972
Рr1=12210-331931030477=8166
Рr2=08410-337771030623=509
Рr3=15910-336271030605=953
Nu1=002267648088166043=1919
Nu2=0022610727808509043=4813
Nu3=002265697208953043=3799
Коэффициент теплоотдачи α2=Nuλd
α21=1919047729410-3=3113 Втм2К
α22=4813062333910-3=8845 Втм2К
α23=3799060533510-3=6861 Втм2К
Определим удельный тепловой поток при теплопередаче к раствору
qкип1=3113 (719-633)=22752 Втм2
qкип2=7845 (847-807)=2938 Втм2
qкип3=6861(1139-104)=26772 Втм2
Таким образом qконд1 qкип1 qконд2 qкип2 qконд3 qкип3.
Уменьшим t1в 2 раза и увеличим t2 в 2 раза: t1=15°С; t2=2°С
После повторного расчета α11=15885 Втм2К; α12=14096 Втм2К
qконд1=1588515=22827 Втм2
qконд2=140962=28992 Втм2
Различия между qкип и qконд не превышают 3% что допустимо.
Полученные значения α1 и α2 используем для вычисления коэффициента теплопередачи:
8.Уточненный расчет поверхности теплопередачи и выбор выпарных аппаратов
Применяя основное уравнение теплопередачи к каждому i-тому корпусу выпарной установки рассчитываем для него при принятом ранее температурном режиме требуемую поверхность теплообмена.
Где Q К ti – полезная разность температур в i-том корпусе установленная на предыдущих этапах расчета.
Численное значение Qi находим по формуле:
Где D сiк tiк – теплоемкость и температура конденсата принимается что конденсат из аппарата выводится при температуре конденсации т.е. tiк=tiг
Q1=2681(27096-4231183)=59228 кВт
Q2=2612(2650-419858)=59828 кВт
Q3=2582(26295-41974)=59888 кВт
F1=59228(1030232)=154 м2
F2=59828(449884)=158 м2
F3=59888(3390107)=165 м2
Условием подтверждающим правильность распределения полезной разности температур по корпусам установки и следовательно всех выполненных расчетов является равенство поверхностей нагрева корпусов. Это условие можно считать выполненным так как различие между большим и меньшим Fi не превышает в нашем случае 7%.
Ближайшее стандартное значение поверхности нагрева F=160 м2
Расчет вспомогательного оборудования
Все вспомогательное оборудование выпарной установки (барометрический конденсатор вакуум-наос подогреватели раствора и насосы для перекачки выпариваемого раствора) рассчитывают и выбирают по каталогам для наихудших условий работы а именно для момента предшествующего останову установки.
1. Расчет барометрического конденсатора
В выпарных установках для создания вакуума применяют барометрические конденсаторы смешения или пароэжекторные установки. При этом конденсация сокового пара последнего корпуса для уменьшения количества загрязненных сточных вод обычно осуществляется в две ступени: сначала (80-90)% пара конденсируется в поверхностном конденсаторе (трубочном или спиральном) а оставшийся пар конденсируется либо в барометрическом конденсаторе либо в пароэжекторной установке.
При расчете барометрического конденсатора определяют его размеры и расход охлаждающей воды.
Расход вторичного пара поступающего в конденсатор пересчитаем на давление Р=01 ат. по формуле:
Где Wт и ρт – расход (кгс) и плотность (кгм3) пара при давлении Р=01 ат.; Wпс и ρпс – расход и плотность сокового пара выходящего из последнего корпуса установки; С – коэффициент учитывающий долевой расход сокового пара поступающего а барометрический конденсатор (С=01÷02)
ρт=00712 кгм3; ρпс=0233 кгм3
По значениям Wт и ρт уравнения массового расхода определяем диаметр барометрического конденсатора:
Где – скорость пара (принимаем равной 18 мс)
Ближайшее значение диаметра барометрического конденсатора из каталога Dбк=500 мм. Основные размеры выбранного аппарата:
Высота установки Н=4300 мм
Ширина установки Т=1300 мм
Диаметр ловушки D=400 мм
Высота ловушки h=1440 мм
Расстояние между полками: а1=220мм; а2=260 мм; а3=320 мм; а4=360 мм; а5=390 мм.
Условные проходы штуцеров:
Для входа пара dу=300 мм
Для входа воды dу=100 мм
Для входа парогазовой смеси dу=80 мм
Для барометрической трубы dу=125 мм
Высоту барометрической трубы находят из формулы:
Где В – вакуум в барометрическом конденсаторе Па В=80 кПа; ρв – плотность воды кгм3; λ – коэффициент гидравлического трения при движении воды в барометрической трубе; dбт – диаметр барометрической трубы выбранный по ОСТу м dбт=125 мм; – сумма коэффициентов местных сопротивлений; в – скорость воды в барометрической трубе мс; 05 – запас на возможное изменение барометрического давления м.
Расход охлаждающей воды Gв определяем из уравнения теплового баланса барометрического конденсатора
Где (СWпс) – расход сокового пара поступающего в барометрический конденсатор после поверхностного конденсатора кгс; Jпс – энтальпия сокового пара Джкг; tн – начальная температура охлаждающей воды (принимают 15÷20°С); tк – конечная температура смеси воды и конденсата °С (принимают на 3÷5°С ниже температуры конденсации сокового пара); св – теплоемкость воды ДжкгК;
СWпс=0152726=0409 кгс
Тогда скорость движения смеси воды и конденсата в барометрической трубе находят по уравнению массового расхода:
Величина складывается из коэффициентов местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее:
Значение λ для гладких труб зависит от режима течения жидкости определяемым критерием Рейнольдса:
Для гладких труб при Re9105 коэффициент трения l=00185.
2. Расчет вакуум-насоса
Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха) который необходимо удалять из барометрического конденсатора в единицу времени:
Gвозд=2510-5(Wпс+Gв)+001Wпс
Где 2510-5 – массовый расход газа выделяющегося из 1 кг воды; 001 – массовый расход газа подсасывающегося в конденсатор через неплотности на 1 кг пара.
Gв=2510-5(2726+435)+0012726=27410-2 кгс
Эта формула учитывает что весь неконденсируемый газ (воздух) из поверхностного конденсатора отсасывается через барометрический конденсатор.
Объемную производительность вакуум-насоса рассчитывают по формуле:
Где R=8130 ДжкмольК – универсальная газовая постоянная; Мвозд – молекулярная масса воздуха кгкмоль Мвозд=29 кгкмоль; tвозд – температура воздуха °С; Рвозд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе Па.
Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:
tвозд=tн+4+01(tк+tн)
где tн и tк – начальная и конечная температура воды в барометрическом конденсаторе °С.
tвозд=18+4+01(70+18)=308°С
величину парциального давления Рвозд определяют по формуле:
где Рбк – абсолютное давление в барометрическом конденсаторе равное (в первом приближении) абсолютному давлению в сепараторе последнего корпуса Рпс Па Рбк=213кПа; Рп – давление насыщенного водяного пара при температуре tвозд Па Рп=445 кПа
Рвозд=213-445=1685 кПа
Выбор вакуум-насоса производим по объемной производительности Vвозд и степени разрежения от атмосферного давления А=(В1013)100%=(801013)100%=789 кПа.
Выбираем по каталогу вакуум насос ВВН-12 со следующими характеристиками:
Остаточное давление 23 мм рт.ст.;
Производительность 12 м3ми;
Мощность на валу 20 кВт
3. Расчет подогревателей раствора
Поскольку для эффективной работы установки в выпарные аппараты раствор должен поступать при температуре не ниже его температуры кипения в этих аппаратах то схемой установки на линии подачи исходного раствора и на противоточных участках схемы предусмотрена установка подогревателей раствора. Температура раствора на входе в любой подогреватель и на выходе из него определяются расположением в схеме и были приняты ранее при решении системы уравнений теплового баланса выпарки.
Считая что в качестве подогревателя раствора установлены одноходовые кожухотрубчатые теплообменники проведем их упрощенный расчет определив требуемую поверхность нагрева и расход греющего пара. Так как схемой установки отбор экстра пара на подогреватели не предусмотрен то в качестве греющего пара в них используется пар таких же параметров как для первого корпуса (см. схему установки).
Поверхность нагрева любого подогревателя находят из основного уравнения теплопередачи:
Где Q – количество теплоты необходимое для нагрева раствора Вт; К – коэффициент теплопередачи в подогревателе Втм2К; t – средняя движущая сила теплопередачи °С.
Тепловой поток Q от греющего пара к раствору в подогревателе определяют по формуле:
Где Gр – расход раствора кгс; Ср – теплоемкость раствора ДжкгК; tвх и tвых – температуры раствора на входе и выходе из теплообменника.
Для подогревателя исходного раствора:
Gр=G0=1055 кгс; Ср= 3844кДжкгК; tвх=55°С; tвых=774°С
Q1=10553844103(774-55)=9075 кВт
Для промежуточного подогревателя перед корпусом 1
Gр=G0-W2-W3=1055-2582-2726=5242 кгс; Ср= 3627 кДжкгК; tвх=633°С; tвых=951°С
Q2=52423627103(951-633)=6046 кВт
При упрощенном расчете подогревателя воспользуемся значениями коэффициентов теплопередачи полученными при расчете выпарных аппаратов. Для подогревателя установленного на противоточном участке схемы коэффициент теплопередачи Кпод принимаем по значению коэффициента теплопередачи Ква в том корпусе из которого раствор поступает в данный подогреватель то есть К3. учитывая возможность ухудшения условий теплообмена в подогревателе по сравнению с выпарным аппаратом уменьшим его численное значение на 20%.
Кпод=08К3=083390=2712
Для подогревателя расположенного на линии подачи исходного раствора в установку значение Кпод примем по значению Ква в том корпусе в который после подогревателя поступает раствор сохраняя предыдущее условие о возможном ухудшении условий теплообмена.
Кпод=08К2=084498=3598
Расчет средней движущей силы в подогревателе проводят по формулам учебного пособия [2]. В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:
Для подогревателя исходной смеси подогреваемый раствор имеет: tвх=55°С; tвых=774°С;
греющий пар имеет t1г=1183°С
Δtср=(633-409)ln(633409)=513ºС
Для подогревателя на противоточном участке схемы перед корпусом 1 раствор имеет tвх=633°С; tвых=951°С. для подогрева также используется греющий пар t1г=1183°С
Δtср=(55-232)ln(55232)=368ºС
Поверхность нагрева подогревателя исходной смеси:
Подбираем по каталогу одноходовой теплообменник с F=49 м2 диаметр D=600 мм; трубы d=20×2 мм площадь поперечного сечения S=7810-2 м2
Поверхность нагрева подогревателя на участке противотока:
Подбираем по каталогу одноходовой теплообменник с F=61 м2 диаметр D=600 мм; трубы d=25×2 мм площадь поперечного сечения S=8910-2 м2
Рассчитываем расход греющего пара в теплообменниках:
Где параметрам пара (J1г) и конденсата (ск1 tк1) соответствуют параметры греющего пара и конденсата первого корпуса выпарной установки.
Для подогревателя исходной смеси:
Для подогревателя на противоточном участке схемы
Технико-экономические показатели работы установки
Теоретическая экономичность выпарной установки:
Где W – расход воды выпаренной во всех корпусах установки кгс; D1 – расход греющего пара в первом корпусе кгс.
Действительная экономичность выпарной установки
Dт 11 – коэффициент учитывающий тепловые потери с поверхностей выпарных и теплообменных аппаратов в окружающую среду.
D=(2681+041+027)11=3697 кгс
Средняя паропроизводительность выпарной установки кгм2ч
Где n – число корпусов в установке; F – поверхность нагрева выпарного аппарата выбранного по ГОСТу
U=3600792(3160)=594 кгм2ч
Удельный расход пара в расчете на 1 кг испаряемой из раствора воды составит:
Бушмелев В.А Волков А.Д. Кокушкин О.А. Расчет выпарной установки: методические указания к выполнению курсового проекта Ч.1-2: СП ГТУ РП Л. 1995.
Павлов К.Ф. и др. примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия 1976.
Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.:Химия1991

выпарка 1.dwg

- выпарные аппараты (тип 2 исп.1) 4 - барометрический конденсатор 5 - ловушка 6 - вакуум-насос 7
- подогреватели щелока 11 - бак слабого щелока 12 - линия чистого конденсата 13 - линия грязного конденсата"