86292

Рассчитать и спроектировать выпарную установку непрерывного действия для выпаривания водного раствора Nа2SО4

Курсовая

Химия и фармакология

В данной курсовой работе разработана установка для выпаривания водного раствора Nа2SО4. Представлен подробный расчет выпарного аппарата теплообменника для подогрева исходного раствора барометрического конденсатора вакуум-насоса центробежного насоса для подачи исходного раствора.

Русский

2015-04-05

2.17 MB

32 чел.

?

Учреждение образования «Гродненский государственный

аграрный университет»

Факультет инженерно – технологический

Кафедра технической механики и материаловедения

Специальность инженер – технолог

Специализация 1 – 49 01 02 01 – технология хранения животного сырья

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОГО ПРОЕКТА

по дисциплине: Процессы и аппараты пищевых производств 

Тема: Рассчитать и спроектировать выпарную установку непрерывного действия для выпаривания водного раствора Nа2SО4

Исполнитель

студентка ? курса группы ?                                                            Романчук Е. А.

Руководитель                                                                      ?

Курсовой проект защищен с оценкой

Руководитель                                                                                ?

Гродно 2009

Реферат

Пояснительная записка 67 с., 17 рис., 7 табл., 10 источников.

ВЫПАРИВАНИЕ, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, ТЕПЛООБМЕННИК, ВАКУУМ– НАСОС, НАПОР, БАРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР, ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС, ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

В данной курсовой работе разработана установка для выпаривания водного раствора Nа2SО4. Представлен подробный расчет выпарного аппарата, теплообменника для подогрева исходного раствора, барометрического конденсатора, вакуум-насоса, центробежного насоса для подачи исходного раствора.

Графическая часть включает:

– технологическая схема. Установка трехкорпусная выпарная – 1 лист А1;

– аппарат выпарной с выносной нагревательной камерой и выносной циркуляционной трубой. Чертеж общего вида – 1 лист А1.


Содержание

Введение…………………………………………………………………………….

5

1

Литературный обзор…………………………………………………………

6

1.1 Теоретические основы процесса выпаривания………………………..

6

1.2 Равновесие в растворах при выпаривании……………………………..

8

1.3 Кипение жидкостей………………………………………………………

8

1.4 Материальный баланс…………………………………………………..

8

1.5 Тепловой баланс…………………………………………………………

9

1.6 Поверхность нагрева…………………………………………………….

10

1.7 Температурные потери и температура кипения растворов…………..

10

1.8 Основные технологические схемы процесса выпаривания…………..

12

1.8.1 Однокорпусной выпарной аппарат……………………………………

12

1.8.2 Многокорпусные выпарные установки………………………………

13

1.8.3 Основные схемы многокорпусных выпарных установок……………

14

1.9 Выбор числа корпусов…………………………………………………..

18

1.10 Области применения выпарных аппаратов……………………………

19

1.11 Описание выпарных аппаратов………………………………………..

20

2

Обоснование и описание установки………………………………………..

28

2.1 Обоснование выбора технологической схемы…………………………

28

2.2 Принцип действия проектируемой установки …………………….….

28

2.3 Обоснование выбора вспомогательного оборудования ………………

30

3

Расчет выпарной установки…………………………………………………

38

3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов…….

38

3.2 Производительность установки по выпариваемой воде………………

38

3.3 Концентрации упариваемого раствора…………………………………

38

3.4 Определение температуры кипения растворов…………………….….

39

3.5 Полезная разность температур …………………………………………

42

3.6 Определение тепловых нагрузок ………………………………………

42

3.7 Выбор конструкционного материала …………………………….……

43

3.8 Расчет коэффициентов теплопередачи …………………………….….

43

3.9 Распределение полезной разности температур ………………….……

48

3.10 Уточненный расчет поверхности теплопередачи …………………….

50

3.11 Определение толщины тепловой изоляции ……………………….…

52

4

Расчет подогревателя раствора…………………………………………..…

53

5

Расчет вспомогательного оборудования ………………………………..…

58

5.1 Расчет барометрического конденсатора ………………………………

58

5.2 Расчет производительности вакуум-насоса……………………………

60

5.3 Расчет трубопровода ……………………………………………………

61

5.4 Расчет центробежного насоса ………………………………………….

63

Заключение …………………………………………………………………...........

65

Список использованных источников……………………………………………

66


Введение

Выпаривание – процесс концентрирования растворов нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Процесс выпаривания относится к числу широко распространенных. Последнее объясняется тем, что многие вещества, например, едкий калий, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт (для сокращения объемов тары и транспортных расходов) они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространенных технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. На выпаривание растворов расходуется огромное количество тепла, а на создание выпарных установок – большое количество углеродистых и легированных сталей, никеля и других металлов. Поэтому в каждом конкретном случае необходима рациональная организация процесса выпаривания, что позволяет обеспечить максимальную производительность выпарной установки при минимальных затратах тепла и металла.


1 Литературный обзор

1.1 Теоретические основы процесса выпаривания

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температуры кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.

В химической промышленности выпариванию подвергают растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара (некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.).

Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и полученную воду используют для питьевых или технических целей. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в специальных выпарных аппаратах [1].

Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным [2].

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара. Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с

понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара (см. ниже). Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты па устройства для создания вакуума (конденсаторы, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Экономия первичного пара (и соответственно топлива) может быть достигнута также в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового насоса (например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат для выпаривания раствора.

В химической промышленности применяются в основном непрерывно действующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а также при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций иногда используют выпарные аппараты периодического действия. Концентрация раствора в таком аппарате приближается к конечной лишь в конечный период процесса. Поэтому средний коэффициент теплопередачи здесь может быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, где концентрация раствора ближе к конечной в течение всего процесса выпаривания.

Современные выпарные установки имеют очень большие поверхности нагрева (иногда превышающие 2000 м² в каждом корпусе) и являются крупными потребителями тепла [1].

1.2 Равновесие в растворах при выпаривании

Состояние каждой фазы характеризуется двумя термодинамическими параметрами и составом раствора. Может оказаться, что при заданных независимых переменных раствор не является однородным, а распадается на две или более соприкасающихся фаз, находящихся в равновесии друг с другом.

Если пренебречь явлениями на поверхностях раздела двух соприкасающихся фаз, то условия их равновесия записываются в виде:

где μ1, μ2 – химические потенциалы компонентов.

1.3 Кипение жидкостей

При нагреве жидкостей до температуры кипения на мельчайших неровностях стенки, передающей тепло, образуются пузырьки. Размер, форма и число пузырьков зависит от количества проводимого тепла, поверхности нагрева и способности жидкость смачивать эту поверхность.

Достигнув определенного размера, пузырьки поднимаются вверх. Во время подъема их объем увеличивают вследствие испарения жидкости внутри пузырьков.

Очаги образования мелких пузырьков носят название центров парообразования. Интенсивность образования пузырьков возрастает до некоторого предела с увеличением разности температур между стенкой и кипящей жидкостью. С возрастанием ∆t увеличивается плотность теплового потока q, то есть количества тепла.

1.4 Материальный баланс

Согласно рис. 1.1, на выпаривание поступает Gн кг/сек исходного раствора концентрацией хн вес. % и удаляется Gк кг/сек упаренного раствора концентрацией хk вес. %. Если в аппарате выпаривается W кг/сек растворителя (воды), то общий материальный баланс аппарата выражается уравнением:

                                                  ,                                                   (1.1)

где Gн – массовый расход исходного раствора, кг/сек;

 Gк – массовый расход упаренного раствора, кг/сек;

 W – массовый расход вторичных паров, кг/сек.

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, находящемуся в растворе:

,                                                                 (1.2)

где хн – концентрация исходного раствора, %;

хk – требуемая конечная концентрация упаренного раствора, %.

В уравнения (1.1) и (1.2) входят пять переменных, из которых какие-либо три величины должны быть заданы. При практических расчетах наиболее часто бывают заданы: расход исходного раствора Gн, его концентрация хн и требуемая конечная концентрация хk упаренного раствора. Тогда по уравнениям (1.1) и (1.2) определяют производительность аппарата:

– по упаренному раствору

,                                                                  (1.3)

– по выпариваемой воде

                                        (1.4)

1.5 Тепловой баланс

Введем обозначения: D – расход греющего пара; Iг – его энтальпия; I – энтальпия вторичного пара; iн = сн tн – энтальпия исходного раствора; iк = ск tк – энтальпия конечного (упаренного) раствора; i’ = с'θ – энтальпия конденсата греющего пара; сн, ск, с' – средние удельные теплоемкости исходного раствора, конечного раствора и конденсата соответственно (в пределах от 0 °С до температуры жидкости); tн, tк, θ – температуры исходного и конечного растворов и насыщения греющего пара соответственно.

Приход и расход тепла будут:

Приход тепла                                       Расход тепла

С исходным раствором Gн iн.             С упаренным раствором Gк iк

С греющим паром DIг                                С вторичным паром WI

                                                              С паровым конденсатом Di' 

                                                              Теплота концентрирования Qконц 

                                                              Потери тепла в окружающую среду Qп

Соответственно уравнение теплового баланса имеет вид:

                      (1.5)

Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и подлежащей испарению воды и допуская, что теплоемкость сн исходного раствора в пределах температур от tн до tк остается постоянной, запишем тепловой баланс смешения при температуре кипения раствора в аппарате:

где с" – средняя удельная теплоемкость воды (в пределах от 0 ºС до tк ).

Отсюда

,                                          (1.6)

Подставляя значения iн, ik i' в уравнение (1.5.), получим:

Из этого уравнения определим количество тепла, подводимого в единицу времени с теплоносителем или тепловую нагрузку Q выпарного аппарата:

        (1.7)

1.6 Поверхность нагрева

Поверхность нагрева непрерывно действующего выпарного аппарата определяется на основе уравнения теплопередачи:

,                                                  (1.8)

где Q – тепловая нагрузка аппарата, кВт;

 K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К);

tпол – движущая сила процесса (полезная разность температур), град.

,                                            (1.9)

Коэффициент теплопередачи зависит от удельной тепловой нагрузки, температуры и концентрации раствора.

Полезная разность температур в выпарном аппарате ∆tпол представляет собой разность температуры конденсации Т °С греющего пара и температуры кипения tк °С выпариваемого раствора:

.                                               (1.10)

1.7 Температурные потери и температура кипения растворов

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

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

Значение ∆' зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления.

Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения растворителя. Повышение температуры кипения раствора происходит по следующим причинам

Наличие соли – это учитывает температурная депрессия. При атмосферном давлении определяется в справочниках или по формуле:

                                              (1.11)

где Т – температура кипения воды при заданном давлении, К;

 r – удельная теплота парообразования при заданном давлении, Дж/кг.

Гидростатическая депрессия ∆" обусловлена тем, что некоторая часть высоты кипятильных труб выпарного аппарата заполнена жидкостью, над которой находится парожидкостная эмульсия; содержание пара в ней резко возрастает по направлению к верхней кромке труб.

Гидростатическая депрессия вызвана непостоянством давления по высоте столба жидкости:

,                                               (1.12)

где t1 – температура кипения с учетом давления столба жидкости, °C;

 t0 – температура кипения растворителя при заданном давлении, °C.

,                                               (1.13)

где H – высота трубок, м.

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

Гидростатическая депрессия наиболее существенна при работе аппарата под вакуумом.

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

В первом приближении расчет ∆" возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильной трубы.

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

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

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

Сумма всех депрессий составляет:

,                                         (1.14)

а температура кипения раствора определяется по формуле:

,                                         (1.15)

где tнас – температура насыщения сокового пара при абсолютном давлении.

1.8 Основные технологические схемы процесса выпаривания

1.8.1 Однокорпусной выпарной аппарат

Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат (корпус). Принципиальная схема одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора с внутренней центральной циркуляционной трубой приведена на рис.1.1.

Аппарат состоит из теплообменного устройства – нагревательной камеры и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате или камера может быть вынесена и соединена с сепаратором трубами. Камера обогревается обычно водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры.

Поднимаясь по трубам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе 2. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе 4 под нижнюю трубную решетку греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора в трубе 4 и парожидкостной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Сконцентрированный раствор удаляется через штуцер в днище аппарата.

1 – нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – кипятильные трубы;

4 циркуляционная труба.

Рисунок 1.1 – Схема устройства одиночного выпарного аппарата

Имеются конструкции выпарных аппаратов без циркуляционной трубы.

Если выпаривание производится под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом, после чего упаренный раствор удаляется из конического днища выпарного аппарата.

1.8.2 Многокорпусные выпарные установки

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

Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 1.2.

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

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

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

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

1 – 3 корпуса установки; 4 – подогреватель исходного раствора;

5 – барометрический конденсатор; 6 ловушка; 7 – вакуум-насос.

Рисунок 1.2 – Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка

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

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

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

1.8.3 Основные схемы многокорпусных выпарных установок

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

Наиболее распространены выпарные установки первой группы. Помимо установки, показанной на рис. 1.2, в промышленной практике применяют установки аналогичного типа, обладающие повышенной экономичностью за счет использования тепла пара низкого потенциала. Так, например, иногда обогрев первого корпуса производят отработанным паром из паровых турбин, который является в данном случае первичным паром.

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

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

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

В выпарных установках под давлением труднее поддерживать постоянный режим работы, чем в установках под вакуумом, и для этой цели требуется автоматическое регулирование давления пара и плотности упаренного раствора. Для повышения устойчивости режима работы установок под давлением используют различные схемы [1].

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

Многокорпусные выпарные установки различаются также по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора. Кроме наиболее широко распространенных установок с прямоточным движением пара и раствора (см. рис. 1.2), применяются также противоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях (рис. 1.3).

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

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

1 – 3 – корпуса; 4 – 6 – насосы.

Рисунок 1.3 – Многокорпусная противоточная выпарная установка

В многокорпусных противоточных установках (см. рис. 1.3) в первом корпусе наиболее концентрированный раствор выпаривается за счет тепла пара наиболее высоких параметров, в то время как в последнем корпусе исходный раствор самой низкой концентрации получает тепло от вторичного пара, имеющего наиболее низкие давления и температуру.

Поэтому при противотоке коэффициенты теплопередачи значительно меньше изменяются по корпусам, чем при прямотоке.

Однако необходимость перекачивания выпариваемого раствора из корпусов, где давление меньше, в корпуса с более высоким давлением является серьезным недостатком противоточной схемы, так как применение промежуточных насосов (насосы 4 и 5 на рис. 1.3) связано со значительным возрастанием эксплуатационных расходов.

Противоточные выпарные установки используют при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций, когда в последнем корпусе (по ходу раствора) возможно нежелательное выпадение твердого вещества.

Кроме того, по такой схеме выпаривают растворы, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации раствора.

По схеме с параллельным питанием корпусов (рис. 1.4) исходный раствор поступает одновременно во все три корпуса установки. Упаренный раствор, удаляемый из всех корпусов, имеет одинаковую конечную концентрацию.

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

Обычно число корпусов многокорпусных выпарных установок не меньше двух, но не превышает пяти-шести. Наиболее часто многокорпусные установки имеют три, четыре корпуса.

1 – 3 – корпуса установки; 4 – подогреватель исходного раствора; 5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – вакуум-насос.

Рисунок 1.4 – Многокорпусная выпарная установка с параллельным питанием корпусов (1 – 3).

Чем больше число корпусов установки, тем меньшая полезная разность температур приходится на каждый корпус и, следовательно, тем больше, при одной и той же производительности, общая поверхность нагрева выпарной установки. Приближенно общая поверхность нагрева такой установки увеличивается пропорционально числу ее корпусов. Практически вследствие температурных потерь, возрастающих с увеличением числа корпусов, возрастание общей поверхности нагрева установки является еще большим. Таким образом, в многокорпусных установках экономия греющего пара связана с увеличением общей поверхности нагрева установки.

Чем выше концентрация выпариваемого раствора, тем больше температурные потери и тем меньшее число корпусов может быть последовательно соединено в одну установку. Чем интенсивней циркуляция раствора, тем меньше допустимая полезная разность температур в каждом корпусе и тем больше предельное число корпусов.

1.9 Выбор числа корпусов

С увеличением числа корпусов многокорпусной выпарной установки снижается расход греющего пара на каждый килограмм выпариваемой воды. Как было показано, в однокорпусном выпарном аппарате, на выпаривание 1 кг воды приближенно расходуется 1 кг греющего пара.

При переходе от однокорпусной установки к двухкорпусной экономия греющего пара составляет приблизительно 50%, то при переходе от четырехкорпусной к пятикорпусной установке эта экономия уменьшается до 10% и становится еще меньше при дальнейшем возрастании числа корпусов. Снижение экономии греющего пара с увеличением числа корпусов выпарной установки указывает на целесообразность ограничения числа ее корпусов.

Однако основной причиной, определяющей предел числа корпусов выпарной установки, является возрастание температурных потерь с увеличением числа корпусов. Для осуществления теплопередачи необходимо обеспечить в каждом корпусе некоторую полезную разность температур, т. е. разность температур между греющим паром и кипящим раствором, равную обычно не менее 5 – 7 °С для аппаратов с естественной циркуляцией и не менее 3 °С для аппаратов с принудительной циркуляцией.

При увеличении числа корпусов сверх допустимого предела сумма температурных потерь может стать равной или даже больше общей разности температур, которая не зависит от числа корпусов установки. В результате выпаривание раствора станет невозможным.

Обычно число корпусов многокорпусных выпарных установок не меньше двух, но не превышает пяти-шести. Наиболее часто многокорпусные установки имеют три, четыре корпуса. 

Чем больше число корпусов установки, тем меньшая полезная разность температур приходится на каждый корпус и, следовательно, тем больше, при одной и той же производительности, общая поверхность нагрева выпарной установки. Приближенно общая поверхность нагрева выпарной установки увеличивается пропорционально числу ее корпусов. Практически вследствие температурных потерь, возрастающих с увеличением числа корпусов, возрастание общей поверхности нагрева установки является еще большим. Таким образом, в многокорпусных установках экономия греющего пара связана с увеличением общей поверхности нагрева установки.

Чем выше концентрация выпариваемого раствора, тем больше температурные потери и тем меньшее число корпусов может быть последовательно соединено в одну установку. Вместе с тем чем интенсивней, циркуляция раствора, тем меньше допустимая полезная разность температур в каждом корпусе и тем больше предельное число корпусов.

Практически выбор числа корпусов наиболее рационально производить исходя из технико-экономических соображений.

С увеличением числа корпусов достигается все большая экономия греющего пара и снижается общая стоимость расходуемого на выпаривание пара. Одновременно с увеличением числа корпусов возрастают капитальные затраты и амортизационные расходы.

Удельный расход пара снижается сначала быстро, а затем все медленнее с увеличением числа корпусов. Поэтому если нанести на график (см. рисунок 1.5) зависимость стоимости выпаривания 1 кг воды от числа корпусов, то стоимость пара изобразится кривой 1. Амортизационные расходы можно приближенно считать пропорциональными числу корпусов (линия 2, близкая к прямой). Складывая ординаты линий 1 и 2, получают общую стоимость выпаривания 1 кг воды (кривая 3). Точка минимума на этой кривой соответствует наименьшим суммарным расходам на выпаривание и отвечающее ей число корпусов nопт может быть в первом приближении принято в качестве оптимального.

1 – стоимость пара; 2 – амортизационные расходы; 3 – суммарная стоимость выпаривания 1 кг воды.

Рисунок 1.5 – Определение оптимального числа корпусов многокорпусной выпарной установки:

Оптимальное число корпусов можно определять с помощью расчета на электронно-вычислительных машинах. Методы оптимизации параметров выпарных установок с использованием ЭВМ, а также методы математического моделирования этих установок рассматриваются в специальной литературе.

1.10 Области применения выпарных аппаратов

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при малых объёмах аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора [1]. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~8∙10-3 Па∙с, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными не обогреваемыми циркуляционными трубами.

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка ~ 0.1 Па·с, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

1.11 Описание выпарных аппаратов

Для выпаривания раствора Na2SО4 до концентрации 36 % используется трехкорпусная выпарная установка. Она должна отвечать ряду требований: быть простой, компактной, надежной в эксплуатации, иметь высокую производительность, допускать, возможно, большие напряжения поверхности нагрева и высокие коэффициенты теплоотдачи при минимальном весе и стоимости.

В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

− по расположению поверхности нагрева – на горизонтальные, вертикальные и, реже, наклонные;

− по роду теплоносителя – с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом (чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом);

− по способу подвода теплоносителя – с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);

− по режиму циркуляции – с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;

− по кратности циркуляции – с однократной и многократной циркуляцией;

− по типу поверхности нагрева – с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенные, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

К конструкции выпарных аппаратов должны быть предъявлены следующие требования:

* простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;

* стандартизация узлов и деталей;

В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Для большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют с удлиненными трубками (3 – 3,5 м). Схема выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой 1 приведена на рисунке 1.6.

Для упаривания кристаллизующихся растворов применяют аппараты с коническим днищем с углом наклона больше угла естественного откоса кристаллизующейся массы.

Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой. В нижней части вертикального корпуса находится нагревательная камера 2, состоящая из двух трубных решеток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2 – 4 м) и циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подается греющий пар.

Раствор поступает в аппарат над верхней трубной решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх паро-жидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере ее движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где с помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения парового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется унесенная им влага. После этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

1 – центральная циркуляционная труба; 2 – коническое днище.

Рисунок 1.6 – Схема выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой

Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер конического днища аппарата в качестве промежуточного или конечного продукта.

Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит вследствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и паро-жидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от ее диаметра, а объем жидкости в трубе пропорционален квадрату ее диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.

В аппаратах этой конструкции циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и паро-жидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

Естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор на опускном участке циркуляционного контура будет лучше охлаждаться. Этим увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами [4]. При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры может быть уменьшен, а циркуляционные трубы компактно размещены вокруг нагревательной камеры. Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 м2 поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с центральной циркуляционной трубой [2]. Схематическое изображение простейшего выпарного аппарата с вынесенной циркуляционной трубой приводится на рисунке 1.7.

1 – нагревательная камера; 2 – циркуляционная труба; 3 – центробежный брызгоуловитель; 4 – сепарационное пространство.

Рисунок 1.7 – Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой

Некоторое распространение имеют пленочные аппараты с однократной циркуляцией раствора (рисунок 1.8). Основная особенность этой конструкции заключается в возможности снижения потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. Подаваемый в нижнюю часть трубок 1 аппарата раствор вскипает; при этом образуется много паровых пузырьков, увлекающих за собой раствор.

Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок, ударяется о поверхность сепаратора 2 с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой к периферии, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Таким образом, выпаривание происходит в тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки (более 5 м) возможны разрыв и высыхание пленки жидкости в верхней части трубки с понижением при этом коэффициента теплоотдачи.

1 – трубки; 2 – сепаратор.

Рисунок 1.8 – Схема пленочного выпарного аппарата

Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева (рисунок 1.9) целесообразно применять для пенящихся растворов, так как в основном в нем происходит самоиспарения перегретой в трубах 2 жидкости при поступлении ее в сепаратор 1. При этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при достаточных размерах сепаратора не происходит уноса капелек жидкости и пены с вторичным паром.

1 – сепаратор; 2 – греющая камера.

Рисунок 1.9 – Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева

Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой представляет собой вынесенный кипятильник, соединенный с аппаратом (см. рисунок 1.10). Следствием большой движущей силы циркуляции при небольшом гидравлическом сопротивлении циркуляционного контура является значительная скорость циркуляции раствора (до 1,5 м/c). В результате увеличивается коэффициент теплоотдачи и уменьшается опасность отложения осадков.

1 – корпус греющей камеры; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба; 4 – крышка греющей камеры; 5 – днище; 6 – надставка; 7 – крышка люка; 8 – корпус;

9 – фланец; 10 – брызгоуловитель.

Рисунок 1.10 – Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой

Очистка и замена трубок выпарных аппаратов с вынесенной греющей камерой достаточно удобна.

Недостатками является: громоздкость, аппарат всегда находится выше кипятильника, не менее 2 м.

В некоторых случаях применяют аппараты с принудительной циркуляцией (рисунок 1.11). В этих аппаратах жидкость движется по трубкам с большой скоростью (2 – 3 м/с) под давлением; зона кипения находится у верхнего конца трубок. Благодаря значительной скорости движения раствора в трубках отложения на поверхности теплообмена меньше, чем в обычных вертикальных аппаратах. Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно применять в определенном интервале тепловых нагрузок и, главным образом, при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих условиях достигается более высокий коэффициент теплоотдачи к кипящей жидкости, чем в обычных аппаратах, что позволяет соответствующим образом уменьшить поверхность нагрева аппарата по сравнению с вертикальным аппаратом с естественной циркуляцией раствора. С другой стороны, на привод циркуляционного насоса требуются довольно значительные затраты мощности, поэтому целесообразность применения подобных аппаратов следует обосновать соответствующим технико-экономическим расчетом.

Выпарной аппарат с паровым обогревом состоит из греющей камеры 1, растворного пространства 3, сепарирующих устройств 2.

Греющая камера выпарного аппарата представляет собой трубный пучок, составленный из цельнотянутых труб, развальцованных в двухтрубных досках. Материал (углеродистая сталь легированные стали, латунь, медь, алюминий и др.) выбирается из соображений химической устойчивости в среде выпариваемого раствора.

1 – нагревательная камера: 2 – сепаратор: 3 – циркуляционная труба;

4 – циркуляционный насос.

Рисунок 1.11 – Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

Греющую камеру снабжают штуцерами для подвода пара, отвода конденсата, оттяжки неконденсирующихся газов. Для предотвращения прямого удара струи пара о греющие трубки, что может вызвать эрозию трубок, против парового патрубка устанавливают отбойные щитки или направляющие цилиндрические вставки. Расположение (соосное или рассредоточенное) и конструктивное оформление нагревательной камеры определяют конкретный тип выпарного аппарата.

Широко используются в химической промышленности выпарные аппараты с внутренними вертикальными нагревательными камерами. Аппараты отличаются компактностью и значительно меньшим расходом металла на единицу поверхности, чем аппараты с горизонтальной нагревательной камерой.

Улучшенная по сравнению с рассмотренной выше циркуляция раствора достигается в аппаратах с подвесной нагревательной камерой благодаря большему сечению кольцевого канала и меньшему нагреву раствора в опускном участке циркуляционного контура. Кроме того, свободное размещение греющей камеры в корпусе аппарата исключает нарушение плотности вальцовочных соединений, которые вызываются термическими деформациями. Для того, чтобы полностью исключить обогрев жидкости в опускном участке, целесообразно использование аппаратов с внешними циркуляционными трубами. Являясь более компактными, эти аппараты обеспечивают и более высокую скорость циркуляции, что, в свою очередь приводит к интенсификации процесса теплообмена и уменьшает опасность инкрустации поверхности теплообмена.

Наиболее компактно сосредоточить большую поверхность нагрева в одном аппарате позволяет использование выпарных аппаратов с выносными нагревательными камерами, благодаря удлинению нагревательных труб (до 5 – 7 м).

В этом аппарате обеспечивается быстрое и удобное отделение греющей камеры или отдельных ей секций от остальных элементов конструкции. Выпарные аппараты с выносной греющей камерой могут изготавливаться без циркуляционной трубы. В этом случае они работают как прямоточные, т. е. раствор в греющих трубках проходит только один раз. Подобные плёночные аппараты применяются для выпаривания термостабильных и вспенивающихся растворов.

В данном случае используются аппараты, как с соосным, так и рассредоточенным расположением нагревательной камеры, как с восходящим, так и с нисходящим движением пленки. Внутреннее пространство выпарного аппарата можно представить как состоящее из двух частей: растворной и надрастворной (сепарационной).

Растворным пространством называется пространство выпарного аппарата, заполняемое раствором. Различают выпарные аппараты с большим и малым растворным пространством. Все выпарные аппараты с многократной циркуляцией имеют большое растворное пространство, а пленочные аппараты отличаются: малым растворным пространством. Большое растворное пространство уменьшает также опасность оголения верхних частей поверхности нагрева и их инкрустации, но способствует бурному пенообразованию, заполнению пеной сепарационного пространства и уносу пены вторичным паром. По этой причине при выпаривании вспенивающихся растворов предпочтительны аппараты с небольшим растворным пространством.

Растворное пространство выпарного аппарата снабжается штуцерами для подачи слабого раствора и удаления выпаренного раствора, спускающим штуцером, зрительными стёклами для наблюдения за уровнем раствора, штуцерами для отбора проб и, в отдельных случаях, лазом.

Наиболее распространённым способом подвода раствора в аппарат является подвод сбоку над верхней трубной решеткой, а для аппаратов с подвесной греющей камерой – сбоку кольцевого пространства между корпусом аппарата и обечайкой греющей камеры.

Назначение сепарационного пространства заключается в возможно полном отделении (сепарации) вторичного пара от капель выпариваемого раствора.

Последние загрязняют пар, затрудняя использование его конденсата для питания паровых котлов, а также являются причиной инкрустации обогреваемых им поверхностей и источником безвозвратных потерь самого раствора.

Паровое пространство выпарного аппарата должно иметь такие размеры, которые обеспечивают достаточно полное отделение вторичного пара от выпариваемого раствора. Однако иногда приходится работать с большим паросъемом, чем рекомендовано, или же упаривать жидкости, склонные к брызго- или пенообразованию, В таких случаях понадобились бы слишком большие габариты сепарационного пространства для отделения брызг. Вместо этого предпочитают устанавливать дополнительные сепараторы, встроенные в корпусы выпарных аппаратов или выполненные в виде самостоятельных установок .

Установка брызгоуловителей рассматривается как дополнительная мера для обеспечения сухости вторичного пара, особенно целесообразная в тех случаях, когда выпарные аппараты должны работать с неизбежными колебаниями рабочего давления.

Для сепарации выбрасываемой влаги применяют различные сепарирующие устройства, использующие либо действие силы тяжести, резкое изменение скорости и направления вторичного пара, силы контактного взаимодействия, либо центробежный эффект, отбрасывающий капельки жидкости к периферии, т.е. к стенкам аппарата по которым они стекают. В связи, с чем выделяют сепараторы инерционного, центробежного типа и поверхностные сепараторы или элиминаторы. В большинстве случаев эти способы механического воздействия на парожидкостную эмульсию используются совместно при самом разнообразном сочетании. Необходимым элементом оборудования выпарных установок, работающих под вакуумом, является конденсационное устройство, принцип действия которых заключается в конденсации образующегося вторичного пара.

Конденсация пара может осуществляться либо в поверхностных конденсаторах, либо в конденсаторах смешения. В поверхностных конденсаторах пар конденсируется на охлаждаемой металлической поверхности и получающийся конденсат не смешивается с охлаждающей жидкостью. Такие конденсаторы применяются либо тогда, когда необходимым условием является получение чистого дистиллята, либо тогда, когда в конденсате имеются химически агрессивные или вредные вещества, сброс которых в канализацию или использование для технических нужд представляет опасность.

Анализируя достоинства и недостатки рассмотренных конструкций аппаратов, учитывая условия работы аппарата согласно, заданию считаю целесообразным принять к проектированию выпарной аппарат с вынесенной нагревательной камерой и циркуляционной трубой.


2 Обоснование и описание установки

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения и др.), так и других характеристик. Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно – и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов /3/.

2.1. Обоснование выбора технологической схемы

По заданию курсового проекта необходимо рассчитать трехкорпусную выпарную установку для упаривания водного раствора Nа2SО4 от исходной концентрации 8 % масс. до конечной – 36 % масс. Тип и исполнение выпарного аппарата – с выносной греющей камерой и выносной циркулирующей трубой (по заданию). Так же необходимо рассчитать и подобрать вспомогательное оборудование.

Технологическая схема выпарной установки представляет собой систему выпарных аппаратов, барометрического конденсатора, теплообменника, насосов нагнетательного и питательного, вакуум-насоса, емкостей для исходного и упаренного растворов, конденсатоотводчиков и трубопроводов, участвующих в процессе выпаривания водного раствора Nа2SО4.

Проектируемая установка состоит из трех корпусов и представляет собой установку непрерывного действия (см. рисунок 2.1).

Так как температура поступающего раствора значительно ниже температуры кипения, то целесообразно его предварительно подогреть в отдельном теплообменнике, чтобы выпарной аппарат работал только как испаритель, а не частично как подогреватель, так как в последнем случае коэффициент теплопередачи аппарата несколько снижается.

– подогрев производится в кожухотрубчатом теплообменнике за счет тепла греющего пара. В спроектированной установке применяется один кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью теплообмена

– насос для подачи исходного раствора. Применяется центробежный насос с объемной производительностью  м/с и высотой подъема .

– барометрический конденсатор. Диаметр , высота трубы .

– вакуум-насос. Подобран вакуум – насос ВВН – 1,5.


2.2 Принцип действия проектируемой установки

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки представлена на рисунке 2.1 и на чертеже.

Исходный раствор 17 из сборника исходного раствора Б1 центробежным насосом Н1 и Н2 марки Х20/31 подается в трубное пространство подогревателя раствора АТ1, (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения от 18 °С до 147,4 °С), а затем – в первый корпус АВ1 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате АВ1.

Первый корпус АВ1 обогревается свежим водяным паром с Р = 0,8 МПа и t = 169,6 °С. Вторичный пар с t = 155,6 °С, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе АВ1, направляется в качестве греющего во второй корпус АВ2. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса АВ1. Аналогично третий корпус АВ3 обогревается вторичным паром второго корпуса АВ2 и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса АВ2.

Упаренный раствор из первого корпуса АВ1 подают во второй АВ2, а из второго в третий АВ3, где раствор упаривается до заданной концентрации 36 % масс.

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки

Упаренный раствор из первого корпуса АВ1 подают во второй АВ2, а из второго в третий АВ3, где раствор упаривается до заданной концентрации 36 % масс.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующий корпус возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения АТ2 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом НВ). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором, а образующийся в третьем корпусе АВ3 упаренный до необходимой концентрации раствор 16 направляется в сборник упаренного раствора Б2, откуда насосом Н3 подается на дальнейшую переработку.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков КО1-4.

2.3 Обоснование выбора оборудования

Основным оборудованием, применяемым в процессе выпаривания является: выпарной аппарат, барометрический конденсатор, теплообменник, насосы и др.

Согласно технологической схеме в разрабатываемом процессе используются выпарные аппараты с выносной греющей камерой и выносной циркулирующей трубой (по заданию).

При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб. Аппарат работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту [4].

Предварительный нагрев раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в кожухотрубчатом теплообменнике-подогревателе.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, – в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.

Теплообменник, изображенный на рис. 2.2(а), является одноходовым. При сравнительно небольших расходах жидкости скорость ее движения в трубах таких теплообменников низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно, увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты неудобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообмене (кожух аппарата). Поэтому более рационально увеличивать скорость теплообмена путем применения многоходовых теплообменников.

а – одноходовой теплообменник; б – многоходовой теплообменник;

1 – корпус (обечайка); 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – крышки; 5 – перегородки в крышках; 6 – перегородки в межтрубном пространстве.

Рисунок 2.2 – Кожухотрубные одноходовые (а) и четырехходовые (б)

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам равносторонних треугольников, реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям. В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников. Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель – обеспечить более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

Если средняя разность температур труб и кожуха в теплообменниках жесткой конструкции, т. е. с неподвижными, приваренными к корпусу трубными решетками, становится значительной (приблизительно равной или большей 50° С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково. Это вызывает значительные напряжения в трубных решетках, может нарушить плотность соединения труб с решетками, привести к разрушению сварных швов, недопустимому смешению обменивающихся теплом сред. Поэтому при разностях температур труб и кожуха, больших 50 °С, или при значительной длине труб применяют кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции, допускающей некоторое перемещение труб относительно кожуха аппарата.

Для уменьшения температурных деформаций, обусловленных большой разностью температур труб и кожуха, значительной длиной труб, а также различием материала труб и кожуха, используют кожухотрубчатые теплообменники с линзовым компенсатором.

Для перемещения химически активных и токсичных жидкостей, а также жидкостей, содержащих твердые взвеси, используют поршневые и центробежные насосы специальных конструкций.

Диафрагмовые (мембранные) насосы (рис. 2.3 относятся к поршневым насосам простого действия и применяются для перекачивания суспензий и химически агрессивных жидкостей. Цилиндр 1 и плунжер 2 насоса отделены от перекачиваемой жидкости эластичной перегородкой 3 – диафрагмой (мембраной) из мягкой резины или специальной стали, вследствие чего плунжер не соприкасается с перекачиваемой жидкостью и не подвергается воздействию химически активных сред или эрозии.

При движении плунжера вверх диафрагма под действием разности давлений по обе ее стороны прогибается вправо, и жидкость всасывается в насос через шаровой клапан 4. При движении плунжера вниз диафрагма прогибается влево и жидкость через нагнетательный клапан 5 вытесняется в напорный трубопровод. Все части насоса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью (корпус, клапанные коробки, шаровые клапаны), изготавливают из кислотостойких материалов или защищают кислотостойкими  покрытиями.

1 – цилиндр; 2 – плунжер; 3 – диафрагма (мембрана); 4 – всасывающий клапан.

Рисунок 2.3 – Диафрагмовый (мембранный) насос

Для центробежных насосов большое значение имеет надежная конструкция сальников – уплотнений вала, обеспечивающих устранение утечек перекачиваемой жидкости. Неудовлетворительная работа сальников влечет за собой также повышенный износ вала, длительные и частые простои насоса, резкое увеличение эксплуатационных расходов. Полное устранение утечки перекачиваемой жидкости, неизбежной при эксплуатации насоса с сальниковым уплотнением, достигается в бессальниковом насосе (рис. 2.4). В корпусе 1 помещается рабочее колесо 2. На нем укреплено добавочное колесо 3, снабженное радиальными лопатками, которое откачивает протекшую за колесо жидкость в полость нагнетания насоса, устраняя тем самым утечку перекачиваемой жидкости через зазоры между валом и корпусом при работе насоса. При остановке насоса утечка жидкости предотвращается специальным (стояночным) уплотнением, которое запирает зазор между корпусом и валом в момент выключения насоса.

1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – добавочное колесо; 4 – пружина; 5 – втулка.

Рисунок 2.4 – Бессальниковый насос

Герметичность этого уплотнения достигается с помощью двух конических поверхностей – удлиненной втулки рабочего колеса 2 и втулки 5. Плотное прилегание конических поверхностей этих втулок обеспечивается посредством пружины 4. В момент пуска насоса вал несколько перемещается влево и уплотняющие поверхности отходят друг от друга, размыкая стояночное уплотнение.

Для создания разрежения при выпаривании используется конденсация паров. Пары отводятся из аппарата в конденсатор, охлаждаемый водой или воздухом. Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образовался. В результате в конденсаторе создается разреженное пространство, причем разрежение увеличивается с уменьшением температуры конденсации. Последняя, в свою очередь, тем ниже, чем больше (при прочих равных условиях) расход охлаждающего агента и ниже его конечная температура.

Одновременно с процессом конденсации в рабочем пространстве конденсатора происходит накопление воздуха и других неконденсирующихся газов, которые выделяются из жидкости, а также проникают через неплотности аппаратуры из окружающего воздуха. По мере накопления неконденсирующихся газов и возрастания их парциального давления уменьшается разрежение в аппарате. Поэтому для поддержания вакуума на требуемом уровне необходимо непрерывно отводить из конденсатора неконденсирующиеся газы. Обычно эти газы откачивают с помощью вакуум-насоса. Одновременно вакуум-насос предотвращает колебания давления, обусловленные изменением температуры охлаждающего агента. По способу охлаждения различают конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы.

Поверхностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях, когда сжижение и охлаждение конечного продукта, получаемого, например, в виде перегретого пара, являются завершающей операцией производственного процесса.

Одной из самых распространенных конструкций конденсаторов смешения является сухой полочный барометрический конденсатор (рис. 2.5), работающий при противоточном движении охлаждающей воды и пара.

1 – корпус; 2 сопло; 3 – центробежный насос; 4 – воздушный насос.

Рисунок 2.5 – Сухой прямоточный конденсатор низкого уровня

В цилиндрический корпус 1 с сегментными полками 2 снизу через штуцер 3 поступает пар. Вода подается через штуцер 4, расположенный на высоте 12 – 16 м над уровнем земли, и каскадно перетекает по полкам, имеющим невысокие борта. При соприкосновении с водой пар конденсируется.

Смесь конденсата и воды сливается самотеком через штуцер 5 в барометрическую трубу 6 высотой примерно 10 м и далее – в барометрический ящик 7. Барометрические труба и ящик играют роль гидравлического затвора, препятствующего прониканию наружного воздуха в аппарат. Из барометрического ящика вода удаляется в канализацию через переливной штуцер.

Вместе с паром и охлаждающей водой в конденсатор попадает некоторое количество воздуха; кроме того, воздух подсасывается через не плотности фланцевых соединений.

Остаточное давление в конденсаторе наиболее часто должно поддерживаться в пределах 0,1 – 0,2 aт. Присутствие неконденсируемых газов может вызвать значительное снижение разряжения в конденсаторе. Поэтому неконденсируемые газы отсасывают через штуцер 8 и отделяют от увлеченных брызг воды в брызгоуловителе-ловушке (на рисунке не показана). Отсюда вода также стекает в вертикальную барометрическую трубу и барометрический ящик.

В барометрических конденсаторах иногда вместо сегментных полок применяются полки, представляющие собой чередующиеся круглые диски и кольца (рис. 2.5), а также ситчатые сегментные полки. Через отверстия последних вода стекает каплями, вследствие чего увеличивается поверхность ее соприкосновения с паром, но отверстия ситчатых тарелок могут легко засоряться.

Для установок умеренной производительности применяют прямоточные конденсаторы (рис. 2.6) расположенные на низком уровне.

а – с сегментными полками; б – с кольцевыми полками; 1 – цилиндрический корпус; 2 сегментные полки; 3 – штуцер для подвода пара; 4 – штуцер для подвода воды; 5 – штуцер для отвода воды и конденсата; 6 барометрическая труба; 7 – барометрический ящик; 8 – штуцер для отвода неконденсируемых газов.

Рисунок 2.6 – Барометрический конденсатор

Одним из условий нормальной работы аппаратов с паровым нагревом является непрерывное удаление конденсата греющего пара. Накопление конденсата в нагревательной камере приводит к потере некоторой части активной поверхности нагрева и соответствующему снижению производительности аппарата. Для непрерывного удаления конденсата из нагревательных камер применяют специальные устройства, называемые конденсатоотводчиками. Обеспечивая удаление конденсата, они в то же время не пропускают несконденсировавшийся пар. В данной схеме используются конденсатоотводчики с открытыми поплавками.

Действуя периодически, конденсатоотводчик имеет последовательно полностью открытый и полностью закрытый клапан; время подъема и опускания поплавка очень мало. Это устройство легко контролируется по темпу пульсации, что очень удобно при обслуживании. Также конденсатоотводчики снабжены обводными каналами, позволяющими отдувать накапливающийся инертный газ и пропускать конденсат сквозным потоком при неисправном действии клапана или шибера.

С экологической точки зрения схема практически не представляет опасности для окружающей среды, так как при кипении Nа2SО4 вредных веществ не выделяется.


3 Расчет выпарной установки

3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

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

,                                                (3.1)

где Qтепловые нагрузки, Вт;

 К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К);

 Δtп – полезная разность температур, ºС.

Для определения тепловых нагрузок Q , коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δtп необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов и их температуры кипения по корпусам. Эти величины находятся методом последовательных приближений.

Расчет ведется в соответствии с рекомендациями /3/.

3.2 Производительность установки по выпариваемой воде

Производительность установки по выпариваемой воде определяем из уравнения материального баланса:

,                                                                                         (3.2)

,                                                                                         (3.3)

,                                                (3.4)

где GH – производительность по исходному раствору, кг/с;

хн, хк – концентрация раствора начальная и конечная соответственно.

Подставив значения, получим

кг/с.

3.3 Расчет концентраций 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:

Тогда

кг/с;

кг/с;

кг/с;

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

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

3.4 Определение температур кипения растворов

Значение давления греющего пара Pг1 в первом корпусе выбираем приближенно из стандартного ряда давлений, примем Pг1 = 0,8 МПа /2/ основываясь на том, что температура поступающего на выпарку раствора должна быть выше температуры кипения. Тогда общий перепад давления в установке равен

Pоб = Pг1Pбк,     (3.5)

где Pбк – давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

Pоб = 0,8 – 0,05 = 0,75 МПа.

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

Давление пара в барометрическом конденсаторе равно

Давление в барометрическом конденсаторе соответствует заданию.

Исходя из найденных значений давления, находим температуры и энтальпии греющих паров для каждого корпуса, которые представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Сводная таблица температуры и энтальпии греющих паров

для каждого корпуса

Параметры

Номер корпуса

1

2

3

БК

Давление греющего пара Ргn, МПа

0,8

0,55

0,3

0,05

Температура греющего пара tгп, ºС

169,6

154,6

132,9

80,9

Энтальпия греющего пара Iгп, кДж/кг

2776

2761

2730

2642

Удельная энтальпия жидкости Iж, кДж/кг

717,2

642,5

559,2

338,98

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходим из следующих допущений. Распределение концентраций растворов в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимаем равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяем при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического 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 на сумму температурных потерь ∑ от температурной, гидростатической и гидродинамической депрессий. Обозначим температурную, гидростатическую и гидродинамическую депрессии соответственно через ', '' и '''.

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают ''' = 1,0 – 1,5 °С на корпус. Примем для каждого корпуса ''' = 1 °С. Тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:

tвп1 = tг2 + '''1 = 154,6 + 1 = 155,6 ºС,

tвп2 = tг3 + '''2 = 132,9 + 1 = 133,9 ºС,

tвп3 = tбк + '''3 = 80,9 + 1 = 81,9 ºС.

Сумма гидродинамических депрессий:

''' = '''1 + '''2 + '''3 = 1+1+1 = 3 °С.

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно: Рвп1 = 0,5666 МПа; Рвп2 = 0,3096 МПа; Рвп3 = 0,0524 МПа /4/.

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

Pср = Рвп ,     (3.6)

где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м;

ρ – плотность кипящего раствора, кг/м3;

ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем раствора), м33.

Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор раствора. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 40 000 – 80 000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи корпусов ориентировочно равна:

Fор =,      (3.7)

где r – теплота образования вторичного пара (возьмем численное значение для первого корпуса), Дж/кг.

По ГОСТ 11987 – 81 /3/ выпарные аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой и циркуляцией трубой состоят из кипятильных труб высотой 4 – 5 м при диаметре кипятильных труб dн = 38 мм и толщине стенки σст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 4 м.

При пузырьковом режиме кипения паровое наполнение составляет ε = 0,4 – 0,5. Примем ε = 0,5. Плотность раствора Na2SO4 при температуре 18 град и соответствующих концентрациях в корпусах: ρ1 = 1096 кг/м3, ρ2 = 1138 кг/м3, ρ3 = 1270 кг/м3 /3/.

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем ее изменением с повышением температуры от 18 ºС до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов Pср равны

                                        (3.8)

где – плотность кипящего раствора, кг/м3;

H – высота кипятильных труб в аппарате, м;

g – ускорение свободного падения, м2/с.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя, представленные в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Сводная таблица температуры кипения и теплоты испарения растворителя

Параметры

Номер корпуса

1

2

3

Давление в среднем слое Pср, Мпа

0,58

0,32

0,065

Температура среднего слоя tср, °С

156,2

134,9

87,4

Теплоты испарения растворителя rвп, кДж/кг

2099,4

2165

2291

Определим гидростатическую депрессию по корпусам:

''1 = t1ср – tвп1 = 156,2 – 155,6 = 0,6 °С,

''2 = t2ср – tвп2 = 134,9 – 133,9 = 1,0 °С,

''3 = t3ср – tвп3 = 87,4 – 81,9 = 5,5 °С.

Сумма гидростатических депрессий

Σ'' = ''1 + ''2 + ''3  = 0,6 + 1,0 + 5,5 = 7,1 °С.

Температурная депрессия ' определяется по следующему уравнению

,                                             (3.9)

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

ΔАТМ – температурная депрессия при атмосферном давлении.

В соответствии с /5/ находим

'атм1 = 0,85 °С; 'атм2 = 1,28 °С; 'атм3 = 2,8.

Находим значения ' по корпусам:

Сумма температурных депрессий

Σ' = '1 + '2 + '3 = 1,2 + 1,6 + 2,6 = 5,4 °С.

Тогда температуры кипения раствора в корпусах равны:

tк1 = tг2 + '1 + ''1 + '''1 = 154,6 + 1,2 + 0,6 + 1 = 157,4 °С;

tк2 = tг3 + '2 + ''2 + '''2 = 132,9 + 1,6 + 1,0 + 1 = 136,5 °С;

tк3 = tбк + '3 + ''3 + '''3 = 80,9 + 2,6 + 5,5 + 1 = 90,0 °С.

3.5 Расчет полезной разности температур

Общая полезная разность температур рассчитывается по уравнению [1, c. 89]:

Σtп = tп1 + tп2 + tп3.

Полезные разности температур по корпусам равны:

tп1 = tг1tк1 = 169,6 – 157,4 = 12,2 °С,

tп2 = tг2tк2 = 154,6 – 136,5 = 18,1 °С.

tп3 = tг3tк3 = 132,9 – 90,0 = 42,9 °С.

Тогда общая полезная разность температур

Σtп = 12,2 + 18,1 + 42,9 = 73,2 °С.

Проверим правильность вычислений:

Σtп  = tг1tбк – (Σ' + Σ'' + Σ''') = 169,6 – 80,9 – (5,4 + 7,1 + 3) = 73,2 °С.

3.6 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара, 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 [2, c. 280]:

                  (3.10)

            (3.11)

       (3.12)

                                           (3.13)

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

Iг1 - 3 – энтальпии греющих паров 1 – го, 2 – го и 3 – го выпарного аппарата соответственно, кДж/кг;

D – расход греющего пара в 1-й корпус, кг/с;

св – теплоемкость испаряемой воды;

сн, с1, с2 – теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг·град);

tн – температура кипения исходного раствора при давлении в первом корпусе (tн = tвп1 + ∆н = 155,6 + 1,0 = 156,6 ºC).

Qконц1, Qконц2, Qконц3 – теплоты концентрирования по корпусам, кВт (так как эти величины имеют небольшое значение, то ими пренебрегаем).

При решении уравнений можно принять – Iвп1 ~ Iг2; Iвп2 ~ Iг3; Iвп3 ~ Iбк.

Система уравнений выглядит следующим образом

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты: D = 1,2865 кг/с; ω1 = 1,253 кг/с; ω2 = 1,502 кг/с; ω3 = 1,565 кг/с; Q1 = 2648,6 кВт; Q2 = 2655,25 кВт; Q3 = 3260,74 кВт.

Результаты расчета сведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Сводная таблица результатов расчета

Параметр

Номер корпуса

1

2

3

Производительность по испаряемой воде в 1 – ом приближении w, кг/с

1,31

1,44

1,57

Производительность по испаряемой воде w, кг/с

1,25

1,5

1,57

Концентрация растворов x, %

10,5

15,8

36,0

Давление греющих паров Рг, МПа

0,8

0,55

0,3

Температура греющих паров tг, °С

169,6

154,6

132,9

Температурные потери Σ, °С

2,8

3,6

9,1

Температура кипения раствора tк, °С

157,4

136,5

90,0

Полезная разность температур tп, °С

12,2

18,1

42,9

Отклонения от вычисленных нагрузок по воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышают 5 %.

3.7 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора Н2SO4 в интервале изменения концентраций от хн = 8 % до хк = 36 %. При этом надо учесть, что в сплаве должен содержаться молибден для устойчивости к точечной коррозии. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17H13M3T. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λст= 25,1 Вт/м∙К.

3.8 Расчет коэффициентов теплопередачи

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

;     (3.14)

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

м2∙К/Вт (для всех корпусов).

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке α1 равен

α1 = ,     (3.15)

где r1 – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

ρж, λж, μж – соответственно плотность, кг/м3, теплопроводность Вт/(мК), вязкость Па∙с конденсата при средней температуре пленки tпл = tг1 - Δt1/2,. где Δt1 – разность температур конденсации пара и стенки

tпл = 169,6 – 2/2 = 168,6 ºС.

По справочной литературе /4/ определяем величины:

r1 = 2060,62103 Дж/кг; Ж1 = 898,4 кг/м3; λЖ1 = 0,68 Вт/мК; Ж1 = 0,16810-3 Паc

1 корпус

Расчет α1 ведем методом последовательных приближений. В первом приближении Δt1 = 2 град.

Тогда

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение:

q = α1Δt1 = Δtст/(∑δ/λ) = α2Δt2,   (3.16)

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

Δtст  – перепад температур на стенке, ºС.

Отсюда

Δtст = α1Δt1 (∑δ/λ),

Δtст = 9060,4∙2∙28,6∙10-5 = 5,18 ºС.

Тогда

Δt2 = Δtп1 – Δtст – Δt1 = 12,2 – 5,18 – 2 = 5,02 ºС.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора равен

,    (3.17)

где ρ1_ – плотность раствора при концентрации x1 = 10,5 %, кг/м3;

ρп – плотность греющего пара в первом корпусе, кг/м3;

rв1 – теплота парообразования, Дж/кг;

σ1 – поверхностное натяжение раствора, Н/м;

μ1 – вязкость раствора при температуре tк = 157,4 ºС, Па∙с.

ρ0, ρп – плотности пара при н.у. и при р.у.

Физические свойства растворов Na2SO4 и их паров приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Физические свойства растворов Na2SO4 и их паров

Параметр

Номер корпуса

1

2

3

Плотность раствора ρ, кг/м3

1094

1138

1270

Теплоемкость раствора с, Дж/(кг∙К)

3980

3742

3465

Теплота парообразования rв, Дж/кг

2098000

2160000

2285000

Теплопроводность раствора λ, Вт/(м∙К)

0,571

0,562

0,536

Вязкость раствора μ, Па∙с при tк

0,24∙10-3

0,362∙10-3

0,968∙10-3

Поверхностное натяжение σ, Н/м

0,0752

0,0768

0,0824

Плотность пара ρп, кг/м3

3,112

1,788

0,4229

Подставив численные значения получим

Проверим правильность приближения по равенству удельных тепловых нагрузок

q' = α1∙Δt1 = 9060,4∙2,0 = 18120,8 Вт/м2;

q'' = α2∙Δt2 = 4084,4∙5,02 = 20503,68 Вт/м2.

Как видим, q' и q'' имеют разные значения.

Для второго приближения примем Δt1 = 2,15 ºС.

Получим

                      (3.18)

Как видим, q'  q''.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3,0 %.

Находим К1

2 корпус

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса. Для первого приближения примем Δt1 = 2,0. Для этого найдем:

По справочной литературе /4/ определяем величины:

r1 = 2078103 Дж/кг; Ж1 = 914 кг/м3; λЖ1 = 0,684 Вт/мК; Ж1 = 0,18210-3 Паc

Проверим правильность приближения по равенству удельных тепловых нагрузок

Как видим, q' и q'' имеют разные значения.

Для второго приближения примем Δt1 = 3,65 ºС.

Рассчитаем α1 по соотношению

Как видим, q'  q''.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3,0 %.

Находим К2

3 корпус

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса. Для первого приближения примем Δt1 = 8,0. Для этого найдем:

По справочной литературе /4/ определяем величины: r1 = 2173,68103 Дж/кг; Ж1 = 934 кг/м3; λЖ1 = 0,686 Вт/мК; Ж1 = 0,2110-3 Паc

Как видим, q' и q'' имеют разные значения.

Для второго приближения примем Δt1 = 11,0 ºС.

Рассчитаем α1 по соотношению

Как видим, q'  q''.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3,0 %.

Находим К3

3.9 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия разности поверхностей теплопередачи

Δtпj,     (3.19)

где Δtпi, Qi, Ki – полезная разность температур, тепловая нагрузка и коэффициент теплопередачи для iго корпуса соответственно.

Подставив численные значения, получим:

Δtп1  ºС;

Δtп2  ºС;

Δtп3  ºС.

Проверим общую полезную разность температур установки:

Δtп = Δtп1 + Δtп2 + Δtп3 = 22,2 + 22,3 + 28,7 = 73,2 ºС.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (3.1).

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности теплопередачи Fор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Δtп представлено в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Сравнение поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Δtп

Параметры

Номер корпуса

1

2

3

Предварительно рассчитанные значения Δtп, ºС.

12,2

18,1

42,9

Распределенные в первом приближении Δtп, ºС.

22,2

22,3

28,7

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

3.10 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в первом корпусе (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения Δ, Δ’’, и Δ’’’ для каждого корпуса, как и в первом приближении. Полученные после перераспределения температур параметры растворов и паров по корпусам представлены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 – Параметры растворов и паров по корпусам

Параметры

Номер корпуса

1

2

3

Производительность по испаряемой воде w, кг/с

1,25

1,5

1,57

Продолжение табл. 3.6

Концентрация растворов x, %

10,5

15,8

36,0

Температура греющего пара в 1 – ом корпусе tг1, ºС

169,6

Полезная разность температур Δtп, ºС

22,2

22,3

28,7

Температура кипения раствора tk = tг – Δtп, ºС

147,4

132,3

104,2

Температура вторичного пара, tвп = tk – ( Δ'+ Δ''), ºС

145,6

129,7

96,1

Давление вторичного пара Pвт, МПа

0,4312

0,2732

0,08996

Энтальпия вторичного пара Iвт, кДж/кг

2747,7

2725,5

2672,8

Температура греющего пара tг=tвп – Δ''', ºС

128,7

95,1

Рассчитаем тепловые нагрузки

Q1 = 1,03∙((5,56∙4,12·(147,4 – 145,6) + 1,25∙(2747,7 – 4,19∙147,4)) = 2785,0 кВт;

Q2 = 1,03∙(4,31∙3,98·(132,3 – 147,4) + 1,5∙(2725,5 – 4,19∙132,3)) = 3087,65 кВт.

Q3 = 1,03∙((2,81∙3,76·(96,1 – 132,3) + 1,57∙(2672,8 – 4,19∙96,1)) = 3277,1 кВт.

Рассчитаем коэффициенты теплопередачи, выполняется описанным выше методом.

1 корпус

В первом приближении Δt1 = 4,0 град.

Как видим, q' и q'' имеют разные значения.

Для второго приближения примем Δt1 = 5,35 ºС.

Как видим, q'  q''.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3,0 %.

Находим К1

2 корпус

В первом приближении Δt1 = 4,5 град.

Как видим, q' и q'' имеют разные значения.

Для второго приближения примем Δt1 = 5,05 ºС.

Рассчитаем α1 по соотношению

Как видим, q'  q''.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3,0 %.

Находим К2

3 корпус

В первом приближении Δt1 = 5,5 град.

Как видим, q' и q'' имеют разные значения.

Для второго приближения примем Δt1 = 6,0 ºС.

Рассчитаем α1 по соотношению

Как видим, q'  q''.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3,0 %.

Находим К3

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия разности поверхностей теплопередачи

Δtп1  ºС;

Δtп2  ºС;

Δtп3  ºС.

Проверим общую полезную разность температур установки:

Δtп = Δtп1 + Δtп2 + Δtп3 = 20,4 + 23,8 + 29,0 = 73,2 ºС.

Сравнение полезных разностей температур, полученных во 1 – ом и 2 – м приближении приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 – Сравнение полезных разностей температур

Параметры

Номер корпуса

1

2

3

Распределенные в 1 – ом приближении Δtп, ºС.

22,2

22,3

28,7

Δtп – рассчитанные во 2 – м приближении, ºС.

20,4

23,8

29,0

Как видим, разница между значениями температур не превышает 10 %.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (3.1).

По ГОСТ 11987 – 81 /3/ выбираем выпарные аппараты со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена Fн                   100 м2

Диаметр труб d                                                                  38×2 мм

Высота труб Н (l)                                                               4000 мм

Диаметр греющей камеры dк  (D)                                     1000 мм

Диаметр сепаратора (D1)                                                   1800 мм

Диаметр циркуляционной трубы dц (D2)                          600 мм

Общая высота аппарата На                                              не более 13000мм

Высота парового пространства Н1                                   не более 2500 мм

Масса аппарата Ма                                                            8 500 кг

3.11 Определение толщины тепловой изоляции

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

αв(tстtв) = (λи/ δи)∙( tст1tст2),    (3.20)

где αв = 9,3 + 0,058∙tст2 – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2∙К);

tст2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха) tст2 = 40 ºС, ввиду незначительного сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимают равной температуре tг1;

tв – температура окружающей среды, ºС;

λи – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м2∙К).

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

Выберем в качестве материала для изоляции стекловату марки 35 по ГОСТ 10499 – 67, у которой и = 0,05 Вт/(м∙К).

в = 9,3 + 0,058∙tст = 9,3 + 0,058∙40 = 11,6 Вт/(м2∙К);

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для первого корпуса

и = и ∙(tст1tст2)/( в∙(tст2tв)) = 0,05∙(169,6 – 40)/(11,6∙(40 – 20)) = 0,028 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,03 м и для других корпусов.


4 Расчет подогревателя раствора

Необходимо определить основные размеры вертикального кожухотрубного теплообменника для нагрева раствора Na2SO4 от 18 ºС до 147,4 ºС (см. расчет основного аппарата). Расчет ведется в соответствии с рекомендациями /3/ и /4/.

Температура конденсации греющего пара 169,6 ºС.

Определим среднюю разность температур

,                                               (4.1)

где  – большая и меньшая разности температур, ºС.

ºС;

ºС.

Тогда

 ºС.

Средняя температура раствора Na2SO4

,                                                (4.2)

ºС.

Расход тепла на нагрев раствора:

Q = GcT∙(tktн),                                              (4.3)

где G  – расход раствора, кг/с;

сТ – средняя удельная теплоемкость раствора Na2SO4 при исходной концентрации и , Дж/кг.

Q = 5,56∙3919,84∙(147,4 – 18) = 2820183,8 Вт.

Расход греющего пара с учетом 5 % потерь тепла:

                                                      ,                                                   (4.4)

где r – удельная теплота конденсации пара при tгп, Дж/кг.


Определяем коэффициент теплоотдачи для раствора Na2SO4, который будет проходить по трубам теплообменника. Принимаем Re = 15000 и находим требуемое число труб диаметром 25×2 мм по уравнению

,     (4.5)

где = 0,364∙10-3 Па∙с – динамический коэффициент вязкости раствора Na2SO4, при средней температуре 102,2 ºС.

Подставив значения, получим

Принимаем шестиходовой теплообменник с числом труб в одном ходе n=384/6=64 и с диаметром кожуха 800 мм.

Пересчитываем критерий Рейнольдса:

Re =

Находим при 102,2 ºС критерий Прандтля

,      (4.6)

По номограмме ХII /4/ определяем значение критерия Нуссельта Nu = 76.

Коэффициент теплоотдачи для Na2SO4 будет равен

,                                               (4.7)

где λ = 0,656 Вт/(м∙К) – коэффициент теплопроводности раствора Na2SO4.

Принимаем ориентировочно коэффициент теплопередачи К = 900 Вт/(м2∙К). Тогда площадь поверхности теплообмена будет равна

,                                               (4.8)

У теплообменника, имеющего площадь поверхности 48 м2, длина труб составляет 3,0 м, а у теплообменника, имеющего площадь поверхности 32 м2, длина труб составляет 2,0 м /3/.

Определяем коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара для вертикального теплообменника по формуле

,                                      (4.9)

Термическое сопротивление стальной стенки и загрязнений составляет

 м2∙К/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

,                                     (4.10)

Требуемая площадь поверхности теплообмена:

Принимаем теплообменник с F = 48 м2 по ГОСТ 15118 – 79, у которого длина труб 3,0 м. запас поверхности составляет 12,0 %.

Определим температуру стенки труб. Из уравнений

Находим

Отсюда

Средняя температура стенки  ºС, что отличается от температуры кожуха на 21,9 ºС.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление.

Скорость водного раствора в трубах

,                                         (4.11)

где G – расход раствора, кг/с;

z – число ходов теплообменника;

d – диаметр труб, м;

n – количество труб;

ρ – плотность раствора при средней температуре, кг/м3.

м/с.

Рассчитаем критерий Рейнольдса

,                                           (4.12)

Коэффициент трения определяем по формуле

,                              (4.13)

где е – относительная шероховатость труб.

,

где Δ – высота выступов шероховатостей (принимаем Δ = 0,2 мм).

Подставив известные значения, получим

;

Для шестиходового теплообменника диаметр штуцера dшт = 200 мм.

Скорость водного раствора в штуцерах

,                                         (4.14)

Гидравлическое сопротивление рассчитываем по формуле

           (4.15)

Подставив численные значения, окончательно получим:

Па.


5 Расчет вспомогательного оборудования

5.1 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 всего при температуре окружающей среды (около 21˚С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

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

Расход охлаждающей воды Gв определяем из теплового баланса конденсатора:

    (5.1)

где Iбк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе (Iбк = 2642∙103 Дж/кг);

tн – начальная температура охлаждающей воды (tн = 21 0С);

tк – конечная температура смеси воды и конденсата, 0С;

св – теплоемкость охлаждающей воды (4,19∙103 Дж/кг∙К).

Конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров:

tк = tбк – 4 = 80,9 – 4 = 76,9 0С.

Тогда

Диаметр определяем из уравнения расхода

,     (5.2)

где ρ – плотность паров (ρ = 0,304 кг/м3);

υ – скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па υ =15 – 25 м/с. Примем υ = 20 м/с. Тогда

Подбираем конденсатор диаметром равным  /3/. В соответствии с /3/ для выбранного барометрического конденсатора внутренний диаметр барометрической трубы равен dбт = 150 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

    (5.3)

Высота барометрической трубы:

  (5.4)

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

λ – коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

В = Ратм – Рбк = 9,81∙104 – 5∙104 = 4,81∙104 Па;

Σξ = ξвх + ξвых = 0,5 + 1,0 = 1,5,

где ξвх, ξвых  – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения жидкости в барометрической трубе:

    (5.5)

Для гладких труб при Re = 390780 коэффициент трения λ = 0,014 /3/.

Подставив в (5.4) найденные значения, получим:

.

Отсюда находим Нбт = 5,0 м.

5.2 Расчет производительности вакуум – насоса

Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

                                    (5.6)

где 2,5∙10-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через не плотности, на 1 кг паров.

Тогда:

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

                                              (5.7)

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль∙К);

Mвозд – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

tвозд – температура воздуха, 0С;

      Pвозд – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитываем по уравнению:

tвозд = tн + 4 + 0,1∙(tк – tн),

tвозд = 21 + 4 + 0,1∙(76,9 – 21) = 30,6 0С

Давление воздуха равно

Pвозд = Рбк – Рп,

где Рп – давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд.

Подставив известные величины, получим

Pвозд = 50∙103 – 0,36∙104 = 5,64∙104 Па.

Тогда объемная производительность вакуум-насоса

Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление Рбк, подбираем вакуум-насос типа ВВН – 1,5, имеющий характеристики: остаточное давление – 110 мм рт.ст., объемная производительность – 1,5 м3/мин, мощность на валу – 2,1 кВт.

5.3 Расчет трубопровода

Рассчитаем внутренний диаметр трубопровода:

,      (5.8)

где Q – объемный расход, м3/с;

w – скорость, м/с.

При перекачивании жидкости насосами во всасывающих трубопроводах w = 2 м/с /3/.

     (5.9)

где ρ – плотность раствора Na2SO4, при t = 30,6 ºС и при начальной концентрации xн = 8 % она составляет, ρ = 1068 кг/м3 /3/.

Тогда внутренний диаметр трубопровода составляет:

По табл. /3/ выбираем dn = 76×3,5 мм. Материал труб – нержавеющая сталь.

Потери давления (∆Pп) и напора (hп) на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений в трубопроводе определим по формулам:

;    (5.10)

,                                  (5.11)

где λ – коэффициент трения;

l – длина трубопровода (примем l = 5 м);

dэ – эквивалентный диаметр трубопровода (dэ = 0,05 м, форма сечения – круг);

∑ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

ρ – плотность раствора (ρ = 1068 кг/м3).

Формулы для расчета коэффициента трения λ зависят от режима движения и шероховатости трубопровода.

Рассчитаем коэффициент трения λ по формуле

   (5.12)

где e – относительная шероховатость трубы.

Определяется по формуле

    e = Δ/ dэ,     (5.13)

где Δ – абсолютная шероховатость трубы, мм.

Примем Δ = 0,2 мм.

e = 0,2/65 = 3∙10-3.

Рассчитаем сумму коэффициентов местных сопротивлений /3/:

∑ξ = ξвх + ξвых,     (5.14)

где ξвх – коэффициент местного сопротивления входа в трубу (ξвх = 0,5);

ξвых – коэффициент местного сопротивления выхода из трубы (ξвых = 1).

∑ξ = 0,5 + 1 = 1,5.

Определим потери давления и напора на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений в трубопроводе

 

5.4 Расчет центробежного насоса

Диаметр трубопровода составляет dn = 76×3,5 мм.

Рассчитаем фактическую скорость раствора в трубе по формуле

                                                ,                                                 (5.15)

.

Определим режим течения раствора в трубе по формуле:

,                                              (5.16)

Режим течения турбулентный.

Относительная шероховатость составляет .

Далее получим: 1/е = 250;

                           10/е = 2500;

                           560/е = 140000;

                          2500 < Re < 140000.

В трубопроводе имеет место, смешанное трение.

Коэффициент трения при турбулентном режиме течения для зоны смешанного трения рассчитывается по формуле (5.11):

,

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений (всасывающая линия) /3/:

  1.  вход в трубу (принимаем с острыми краями): ξ1 = 0,5;
  2.  прямоточный вентиль: ξ2 = 0,66.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений

Σξ1 = 0,5 + 0,66 = 1,16.

Рассчитаем потери напора по формуле (5.11)

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений на участке нагнетательной линии /3/:

  1.  выход из трубы: ξ1 = 1;
  2.  нормальный вентиль: ξ2 = 3,84;
  3.  отводы под углом 90°: ξ3 = 0,1.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке II:

Σξ1 = 1 + 2·3,84 + 4·0,1 = 9,08,

Рассчитаем потери напора

Определим общие потери напора

.

Рассчитаем напор насоса по формуле

,    (5.17)

где Нг  – геометрическая высота подъема раствора, м;

р2  – давление в первом корпусе выпарного аппарата, МПа;

р1 – давление в емкости, из которой перекачивается раствор, МПа.

Выбираем центробежный насос марки Х20/31, производительностью Q = 5,5∙10-3, напор насоса Н = 25 м ст. жидк. Насос обеспечен электродвигателем АО2 – 41 – 2 номинальной мощностью Nн = 5,5 кВт.


Заключение

В данном курсовом проекте подробно рассмотрена и рассчитана трехкорпусная выпарная установка непрерывного действия для выпаривания водного раствора Na2SO4 от начальной концентрации 8 % до конечной 36 %. В результате проведенных расчетов был выбран выпарной аппарат и для него определены следующие параметры: номинальная поверхность теплообмена F = 100 м2, высота труб 4,0 м, диаметр греющей камеры dк = 1000 мм, диаметр сепаратора dс = 1800 мм. Был произведен расчет вспомогательного оборудования. Подобраны кожухотрубчатый шестиходовой теплообменник с диаметром кожуха Dк = 800 мм, диаметром труб dт = 25 м, с F = 48 м2 по ГОСТ 15118 – 79, у которого длина труб 3,0 м, барометрический конденсатор с внутренним диаметром конденсатора dк = 600 мм и высотой барометрической трубы Hбт = 5,0 м, центробежный насос Х20/31 производительностью Q = 5,5∙10-3 напором Н = 25 м ст. жид., снабженный электродвигателем АО2 – 41 – 2 номинальной мощностью Nн = 5,5 кВт. Также подобран вакуум-насос типа ВВН – 1,5, имеющий следующие характеристики: остаточное давление – 110 мм рт. ст., объемная производительность – 1,5 м3/мин, мощность на валу – 2,1 кВт.


Список использованных источников

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. –М.: Химия, 1973. – 787 с.

2. Калишук Д.Г., Протасов С.К., Марков В.А. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине для студентов очного и заочного обучения. – Минск: Ротапринт БГТУ, 1992. – 42 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию /Под ред. Ю. И. Дытнерского.– М.: Химия, 1991. – 496с.

4. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1970. – 636 с.

5. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1981 г.

6. Дж. Г. Перри. Справочник инженера-химика. Т.1. – Л.: Химия. 1969. – 587с.

7. Романков П. Г., Фролов В. Ф. и др. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). – СПб: Химия, 1993. – 496 с.

8. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М.: Химия, 1975. – 816 с.

9. Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. М.: Химия,1988. – 416 с.

10. Воздуходувки и компрессоры, изготавливаемые заводами. Материал для проектировщика. – М.: Химия, 1992. – 256с.

6

Листов

Лит.

Расчет

вспомогательного оборудования

тв.

Н.контр.

Конс.

Пров.

Романчук Е. А.

Разраб.

1

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4

Листов

Лит.

Расчет

подогревателя

раствора

Утв.

Н.контр.

Конс.

Пров.

Романчук Е. А.

Разраб.

1

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

9

Листов

Лит.

Обоснование и

описание установки

Утв.

Н.контр.

Конс.

Пров.

Романчук Е. А

Разраб.

1

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

18

Листов

Лит.

Расчет выпарной

установки

Утв.

Н.контр.

Конс.

Пров.

Романчук Е. А.

Разраб.

1

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

22

Листов

Лит.

Литературный

обзор

Утверд.

Н. Контр.

Реценз.

Провер.

Романчук Е. А.

Разраб.

1

59

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

5

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49016. Информатизация образования в школе 2.9 MB
  Не менее важна задача обеспечения психолого-педагогическими и методическими разработками, направленными на выявление оптимальных условий использования новых информационных технологий в целях интенсификации учебного процесса, повышения его эффективности и качества.
49017. Исследование активного RC фильтра 1.45 MB
  Теория электрических цепей Исследование активного RC фильтра. Заданы: схемы и параметры RCфильтра каскадной структуры. Требуется: Найти передаточную функцию фильтра составить и решить соответствующую систему узловых уравнений. Построить графики АЧХ и ФЧХ оценив тип фильтра.
49019. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ 916.5 KB
  Распределение относительной среднеквадратичной ошибки (ОСКО) входных преобразований на четыре составляющих: ОСКО, вызванной ограничением мгновенных значений исходного непрерывного процесса, ОСКО, вызванной временной дискретизацией, ОСКО квантования исходного непрерывного процесса и ОСКО искажений сообщения, вызванных действием помех...
49020. Разработка информационной системы (ИС) «Агентство недвижимости» 635 KB
  Понятие базы данных. Основные термины для работы с базами данных. Создание таблицы в базе данных Описание созданных запросов
49021. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) 1.39 MB
  В отсутствие постоянного магнитного поля Н магнитные моменты неспаренных электронов направлены произвольно, состояние системы таких частиц вырождено по энергии. При наложении поля Н проекции магнитных моментов на направление поля принимают определенные значения и вырождение снимается (эффект Зеемана), т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов E0.
49022. Методы ближнепольной и конфокальной микроскопии. Их аппаратное и метрологическое обеспечение 726.5 KB
  Содержание пояснительной записки курсовой работы проекта: Методы ближнепольной микроскопии Ближнепольный растровый оптический микроскоп БРОМ Аппаратное обеспечение ближнепольной микроскопии Методы конфокальной микроскопии Конфокальный лазерный сканирующий микроскоп Применение конфокального микроскопа...
49023. Режим термической обработки пружин из стали 65Г 267.5 KB
  Основной целью курсовой работы по технологии конструкционных материалов является освоение принципов выбора конструкционных материалов для деталей машин, инструмента, основываясь на знании состава и строения металлических конструкционных материалов и методов придания материалам заданных форм.
49024. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ КОМБИНИРОВАННОЙ ПГУ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 1.29 MB
  Схема КПГУ с дожиганием продуктов сгорания ГТУ в топке парового котла и подводом дополнительного топлива и воздуха КПГУ с утилизацией продуктов сгорания ГТУ в топке парового котла без дожигания топлива: при этом генерация пара в котле – утилизаторе осуществляется только за счет теплоты выхлопных газов...