Расчет вакуум-выпарной установки для выпаривания 10% раствора NaCL

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт

(Технический Университет)

Кафедра процессов и аппаратов Факультет 1

химической технологии Курс 3

Группа 173

Учебная дисциплина: Процессы и аппараты химической технологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Расчет вакуум-выпарной установки для выпаривания 10% раствора NaCL»

Студента:

Петренко Е.Ю.

Руководитель:

Копейкина А.А.

Оценка за курсовой проект _________

2010 г.

Оглавление

Задание на курсовое проектирование

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Однокорпусное выпаривание

1.2 Многокорпусное выпаривание

1.3 Число корпусов многокорпусной выпарной установки

1.4 Конструкции выпарных аппаратов

2. Описание технологической схемы

3. Технологические расчёты

3.1 Материальный баланс выпаривания

3.2 Расчёт выпарного аппарата

3.3 Расчёт барометрического конденсатора

3.4 Расчет вакуум-насоса

3.5 Подробный расчет холодильника упаренного раствора

3.6 Расчет подогревателя исходного раствора ориентировочный и на ЭВМ

Выводы

Приложения

Список использованной литературы

Задание к курсовому проекту

Вариант c

Тема: Расчет однокорпусной вакуум-выпарной установки для выпаривания 10% раствора

Перечень инженерных расчетов:

1) Расчет и выбор по каталогу выпарного аппарата, барометрического конденсатора с барометрической трубой, вакуум - насоса.

2) Подробный тепловой расчет и выбор по каталогу холодильника.

3) Ориентировочный расчет подогревателя.

Перечень работ, выполняемых на ЭВМ:

Расчет холодильника в нескольких вариантах.

Состав и объем графической части:

1) Технологическая схема установки (формат А2)

2) Чертеж теплообменника, трубной решётки, фланца (формат А1)

Основные данные: выпаривание установка раствор nacl

- Gкон. = 10Т/ч

- х н =20 %

- давление в барометрическом конденсаторе 0,6 ат

- t нач. р-ра = 15 С

- tохл.воды = 14С

Срок представления к защите: 21.05.2008

Руководитель проекта: А.А.Копейкина

Введение

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде.

В качестве примера выпаривания с выделением чистого растворителя из раствора можно привести опреснение морской воды, когда образующийся водяной пар конденсируют и полученную воду используют для различных целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м² в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

Высота парового пространства должна обеспечивать сепарацию из пара капелек жидкости, выбрасываемых из кипятильных труб.

Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

В таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом плотность раствора в выносной циркуляционной трубе больше, чем в циркуляционных трубах, размещенных в греющих камерах, что обеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности нагрева.

1. Аналитический обзор

1.1 Однокорпусное выпаривание

Процесс упаривания растворов проводится в выпарных аппаратах (ВА), представляющих собой кожухотрубчатый теплообменник, несколько измененный применительно к специфическим условиям процесса выпаривания. Основных этих условий два. Во-первых, при интенсивном кипении раство ра внутри вертикальных труб 3 капли растворителя не должны уноситься из аппарата 1 вместе с парами растворителя, так как это означало бы потерю части раствора. Поэтому верхняя крышка 2 вертикально располагаемого теплообменного аппарата значительно увеличена и выполняет функцию сепаратора. Для повышения эффективности брызгоулавливания внутри сепаратора дополнительно устанавливаются различного рода механические брызгоуловители 9. Во-вторых, скорость отложения твердого вещества из раствора на внутренних поверхностях кипятильных труб 3 уменьшается, если кипящий раствор непрерывно движется со скоростью 2-3 м/с.

Циркуляция кипящего раствора в наиболее простой конструкции ВА с внутренней циркуляционной трубой 4 происходит только благодаря наличию центральной циркуляционной трубы большего по сравнению с кипятильными трубами диаметра.

Практически вся получаемая кипящим раствором теплота идет на образование паров растворителя внутри труб, поэтому доля вторичного пара в кипящем растворе пропорциональна отношению Q/G ~ 1/d. Следовательно, паросодержание смеси раствор - пар в трубах малого диаметра больше, чем в широкой циркуляционной трубе. Поскольку все трубы сообщаются через нижнюю крышку ВА, то архимедова подъемная сила перемещает в большей степени обогащенную паром и, следовательно, более легкую парожидкостную смесь в узких трубках 3 вверх, что компенсируется нисходящим движением более тяжелой смеси в циркуляционной трубе 4 большего диаметра.

Еще более эффективна для создания естественной циркуляции кипящего раствора вынесенная из зоны обогрева циркуляционная труба, внутри которой паровые пузыри практически отсутствуют.

Схема выпарной установки (ВУ) представлена на рис.1. Исходный раствор с концентрацией растворенного вещества х„ в количестве G_H подается в трубное пространство греющей камеры 1 выпарного аппарата. Выгрузка упаренного раствора с конценрацией х_к производится из нижней или из верхней части трубного пространства. Греющий пар (D) подается в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется на наружной поверхности труб, а образующийся конденсат стекает в нижнюю часть межтрубного пространства, откуда выходит из ВА через конденсатоотводчик 8.

Вторичный (W), т. е. удаленный из кипящего раствора, пар выходит из верхней части сепаратора 2 и поступает в барометрический конденсатор 5, куда также

Рис.1. Схема выпарной установки:

/ - корпус греющей камеры; 2 - сепаратор; 3 - кипятиль ные трубы; 4 - центральная циркуляционная труба; 5 - ба рометрический конденсатор; в - вакуум-насос; 7 - баро метрическая труба; 8 - конденсатоотводчик; 9 - брызгоотделитель.

подается вода (G_B). При непосредственном контакте вторичного пара и более холодной воды происходит конденсация вторив пара с выделением теплоты фазового перехода; образующаяся при этом смесь G_a + W представляет собой горячую воду, кот. по барометрической трубе 7 под действием силы тяжести выводится из выпарной установки.

Из верхней части барометрического конденсатора 5 вакуум-насосом 6 непрерывно или периодически откачивается сравнительно небольшое количество воздуха G_BS. Во-первых, это воздух, кот. был растворен в исходном растворе G_н и в холодной воде G_E и выделяется в массу вторичного пара при нагревании раствора и воды. Во-вторых, это воздух, попадающий в ВУ в результате негерметичности уплотнений, если установка работает под разрежением.

1.2 Многокорпусное выпаривание

В химической и пищевой технологии методом выпаривания чаще всего концентрируют водные растворы, и тогда расход греющего пара (D) на выпаривание в одном ВА превышает количество выпаренного растворителя (вторичного пара, W). При этом значительная энтальпия вторичного пара фактически полезно не используется в пределах однокорпусной установки (см. рис.1), и вторичный пар лишь нагревает воду в барометрическом конденсаторе.

Удельный расход греющего пара d = D/W, т. е. количество греющего пара, затрачиваемого на удаление из раствора одного

Рис. 1.1. Схема трехкорпусной прямоточной вы парной установки

килограмма растворите ля, можно уменьшить, если проводить выпаривание не в одном ВА, а в нескольких. В каждом последующем аппарате в качестве греющего пара используются пары растворителя, полученные в предыдущих аппаратах (корпусах). При этом лишь первый ВА должен обогреваться свежим, т. е. поступающим из котельной, греющим паром, а во все последующие корпуса выпарной установки (ВУ) подаются пары растворителя (вторичные пары), отдающие теплоту конденсации выпариваемому раствору.

Схема прямоточной трехкорпусной выпарной установки, в которой перемещение упариваемого раствора и обогревающего агента происходит в одном направлении, показана на рис. 1.1. В трехкорпусной установке лишь относительно небольшая часть паров растворителя (W_s) отдает теплоту конденсации воде в барометрическом конденсаторе, а теплота основного количества выпариваемого из раствора растворителя (W₁ + W₂) полезно используется на концентрирование раствора во втором и третьем корпусах.

Следует отметить, что в общем случае и теплота вторичного пара, покидающего последний корпус, может быть полезно использована в пределах ВУ, например, для подогрева исходного раствора (G_н) перед его подачей в первый корпус (на рис. 1.1 та кой подогрев не показан).

Удельный расход свежего греющего пара (d) в расчете на общее количество выпариваемого растворителя (W₁ + W₂ + W_s) при организации многокорпусного выпаривания заметно сокращается, но цена экономии греющего пара - повышение металлоемкости выпарной установки и усложнение схемы ее работы по сравнению с относительно простой однокорпусной установкой.

Упариваемый в каждом ВА раствор должен получать теплоту от конденсирующегося в этом аппарате пара, поэтому вторичный пар из предыдущего корпуса при его конденсации в греющей камере последующего аппарата должен непременно иметь температуру выше, чем температура кипения раствора в данном корпусе. Для обеспечения превышения температуры греющего агента над температурой кипения раствора в каждом корпусе необходимо, чтобы давления, при которых кипят растворы в корпусах, были меньше давлений в предыдущем ВА. По этой причине в многокорпусных выпарных установках (МВУ) давление в аппаратах (корпусах) должно уменьшаться по направлению движения теплоносителя, т. е. необходимо обеспечить соблюдение неравенства Р₀₁ > Р₀₂ > Роз>Р б. к-

В прямоточной МВУ упариваемый раствор перемещается из одного корпуса в другой под действием отмеченного уменьшающегося давления, что делает ненужными перекачивающие раствор насосы между корпусами (см. схему противоточной МВУ на рис. 1.2). Обычно в прямоточной схеме необходим лишь один откачивающий насос после последнего корпуса, поскольку в этом корпусе давление, как правило, меньше атмосферного.

Потери теплоты при прохождении раствора по соединительным трубопроводам между ВА в большинстве случаев относительно невелики, поэтому считается, что в каждый последующий корпус раствор поступает при температуре его кипения в предыдущем корпусе, т. е. перегретым по отношению к температуре кипения раствора в данном корпусе. Следовательно, прежде чем принять температуру кипения в данном корпусе, перегретый раствор должен отдать теплоту своего перегрева, которая воспринимается самим кипящим раствором и за счет которой происходит дополнительное испарение относительно небольшой части растворителя. Этот присущий прямоточной выпарной установке эффект называют самоиспарением.

В промышленной практике наиболее распространена прямоточная схема МВУ. Она не требует промежуточных насосов и обеспечивает большие производительности по испаряемой из растворов жидкости. Единственным недостатком прямоточной МВУ является подчас значительное увеличение вязкости раствора в последнем корпусе, препятствующее интенсивному циркуляционному движению раствора по кипятильным трубам и при водящее к быстрому отложению накипи на внутренней поверхности трубок. Действительно, вязкость раствора возрастает с повышением концентрации растворенного вещества и с уменьшением температуры раствора. Оба эти фактора в прямоточной установке совпадают по своему влиянию на вязкость упариваемого раствора, которая может достичь нежелательно высоких значений в последнем корпусе, где концентрация раствора максимальная, а температура его кипения - самая низкая.

Рис. 1.2. Схема трехкорпусной противоточной вы парной установки

Выпаривание растворов, вязкость которых сильно зависит от концентрации твердого вещества и от его температуры, проводится в противоточной МВУ (рис. 1.2), где упариваемый раствор и обогревающий агент перемещаются из корпуса в корпус в противоположных направлениях.

Исходный раствор G_н поступает в последний по ходу обогревающего пара корпус и по мере повышения концентрации в нем перемещается к первому корпусу, обогреваемому свежим греющим паром D, где температура кипения раствора максимальна. Таким образом, влияние изменяющихся значений концентрации и температуры раствора на его вязкость в противоточной МВУ взаимно компенсируются, что позволяет избежать преждевременной кристаллизации растворенного вещества на внутренних стенках кипятильных труб.

В противоточной МВУ также должно соблюдаться правило уменьшения давления в направлении перемещения греющего теплоносителя - вторичного пара: Р₀₁ > Р₀₂ ^> Роз ^> -Рб.к-

Уменьшение давления в каждом последующем корпусе вызывается необходимостью иметь в каждом ВА положительную разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и температурой кипения раствора в данном корпусе.

Противоточная схема МВУ имеет и значительный недостаток по сравнению с прямоточной - это необходимость перемещения упариваемого раствора в направлении увеличивающегося давления с помощью насосов. Условия работы таких насосов мри температурах кипения растворов весьма неблагоприятны - низкие значения коэффициентов подачи и значительное отложение растворенного вещества на элементах конструкции насоса.

Для концентрирования изначально вязких растворов, которые затруднительно перекачивать по последовательным корпусам МВУ, применяется схема параллельного питания (рис. 1.3). Многокорпусная выпарная установка с параллельным питанием всех корпусов используется для вязких растворов в тех случаях, когда не требуется испарять значительных количеств раствори теля.

Рис. 1.3. Схема трехкорпусной выпарной установки с параллельной по дачей раствора

1.3 Число корпусов МВУ

Переход от однокорпусной ВУ к двухкорпусной уменьшает удельный расход греющего пара (d = D/W) почти в два раза, -поскольку второй корпус обогревается вторичным паром первого корпуса, т. е. вторичными энергоресурсами самой установки. Однако добавление третьего корпуса к двухкорпусной установке экономит внешний греющий пар в меньшей степени, а добавление, например, пятого корпуса к четырехкорпусной установке уменьшает удельный расход греющего пара приблизительно лишь на 10 % . Добавление каждого дополнительного корпуса требует увеличения материальных затрат, увеличивает суммарные тепловые потери и т. п., поэтому число корпусов МВУ ограничено экономическими соображениями. Кроме того, обычно МВУ располагает ограниченной общей разностью температур, значение которой определяется давлением имеющегося греющего пара (высший температурный потенциал t_г.п. и температурой конденсации вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе (t_6.к.). Эта разность температур не зависит от числа корпусов и должна быть распределена на все корпуса. С увеличением числа корпусов на долю каждого из них придется меньшая полезная разность температур, что увеличивает необходимую теплопередающую поверхность каждого БА. Помимо этого каждый выпарной аппарат имеет свою суммарную потерю разности температур, вычитаемую совместно с аналогичными потерями всех корпусов из фиксированного значения общей разности температур и уменьшающую полезную разность, достающуюся каждому корпусу.

Уменьшение полезной разности температур в выпарных аппаратах приводит к необходимости увеличения теплопередающей поверхности, а это увеличивает стоимость ВА и ведет к возрастанию тепловых потерь в окружающую среду с большей наружной поверхности аппарата.

Выбор оптимального числа корпусов МВУ, помимо перечисленного, зависит еще от ряда дополнительных факторов. Так, с увеличением концентрации раствора и высоты уровня раствора в кипятильных трубах греющих камер возрастают значения температурных и гидродинамических депрессий. Повышение интенсивности циркуляции раствора в ВА позволяет обеспечить достаточно высокие коэффициенты теплоотдачи к раствору и передавать нужные количества теплоты при малых значениях полезных разностей температур.

Качественный анализ факторов, влияющих на выбор числа корпусов МВУ, иллюстрирует рис. 1.4, где кривая К показывает капитальные затраты на оборудование МВУ (стоимость вы парных аппаратов, их доставки, монтажа и т. п.), отнесенные к нормативному времени , окупаемости этих затрат и пропорциональные числу корпусов и их размерам; Э - эксплуатационные расходы, уменьшающиеся по мере сокращения расхода свежего греющего пара; верхняя кривая соответствует суммарным (приведенным ПЗ) затратам, которые обычно имеют минимальное значение при некотором числе корпусов МВУ. Это число n_опт. и является оптимальным для приведенных затрат на МВУ.

Рис. 1.4. К вопросу об определении оптимального числа корпусов многокорпусной выпарной установки:

К - капитальные затраты; Э - эксплуатационные расходы; ПЗ - приведенные затраты; Т_н - нормативное время окупаемости затрат

К сожалению, величина n_oпm зависит от очень большого числа факторов и потому не может быть определена сразу для всех возможных процессов выпаривания; в каждом конкретном случае значение оптимального числа корпусов приходится определять индивидуально, пользуясь технико-экономическими данными о стоимости энергии, металла, оборудования и пр.

На практике обычно используются 3-5 корпусов, иногда до восьми ВА, что приблизительно соответствует значению n_опт.

1.4 Конструкции выпарных аппаратов

При конструировании выпарных аппаратов стремятся обеспечить интенсивную теплопередачу к кипящему раствору и уменьшить скорость отложения растворенных веществ на теплообменных поверхностях. На оба эти процесса положительно влияет увеличение скорости движения раствора по кипятильным трубам. Скорость циркуляционного движения может быть увеличена, если на опускном участке циркуляционного контура раствор не будет получать теплоту; для этого циркуляционная труба, по которой раствор опускается вниз, выносится из объема греющей камеры (рис. 1.5-

1.7). В выпарном аппарате с вынесенной циркуляционной трубой 2 и выносной греющей камерой (рис. 1.5) раствор внутри трубы не содержит пара, и поэтому разность плотностей раствора и парожидкостной смеси в кипятильных трубах 3 здесь больше, чем в ВА с внутренней циркуляционной трубой (см. рис.1). Соответственно и скорость циркуляции раствора может увеличиваться до 1,5-2 м/с.

Рис. 1.5. Схема выпарной установки с вынесенной греющей камерой:

1 - греющая камера; 2 - циркуляционная труба; 3 -кипятильные трубы; 4 - сепаратор

Выносная греющая камера 1 находится не на одной оси с сепаратором 4. Это позволяет несколько сократить общую высоту выпарной установки и, кроме того, подключать к одному сепаратору две греющие камеры, одна из которых может на ходиться в режиме очистки от накипи, тогда как другая в это время обеспечивает непрерывную работу всей выпарной установки.

Для еще большего снижения скорости образования нежелательных отложений на внутренних поверхностях кипятильных труб используются ВА с зоной кипения, вынесенной за пределы кипятильных труб в специальную трубу 6 большего диаметра (см. рис. 1.6), устанавливаемую над греющими трубками. Температурные и гидродинамические условия восходящего движения раствора в тонких трубках подбираются здесь таким образом, чтобы в них самих раствор не кипел, оставаясь перегретым относительно температуры его кипения в сепараторе. При этом по выходе из греющих трубок перегретый раствор интенсивно вскипает внутри трубы вскипания 6. Таким образом, отложение твердого вещества из раствора на внутренних поверхностях многочисленных трубок малого диаметра значительно сокращается, а промывка или механическая очистка (в зависимости от адгезионных свойств отлагающегося вещества) от отложений или даже замена трубы вскипания не представляют особых трудностей по сравнению с ситуацией, когда отложения образуются внутри большого числа тонких трубок.

Область применения таких аппаратов - выпаривание кристаллизующихся растворов умеренной вязкости. Следует, однако, от метить, что поддержание нужного режима работы ВА с вынесен ной зоной кипения в реальных производственных условиях не всегда оказывается простой эксплуатационной задачей.

Естественная циркуляция раствора может обеспечить необходимую для малого накипеобразования скорость движения по греющим трубам раствора лишь при значительных полезных разностях температур, создать которые в МВУ удается не всегда. Поэтому интенсивное выпаривание растворов, склонных к отложению инкрустаций, проводят в ВА с принудительной циркуляцией (рис. 1.7), которая обеспечивается насосом 5 достаточной

Рис. 1.6. Схема выпарной установки с вынесенными зоной кипения и циркуляционной трубой:

1 - корпус греющей камеры; 2 - циркуляционная труба; 3 - кипятильные тру бы; 4 - сепаратор; 5 - брызгоотделитель; 6 - вынесенная зона кипения

Рис. 1.7. Схема выпарной установки с принудительной циркуляцией раствора:

1 - корпус греющей камеры; 2 - циркуляционная труба; 3 - кипятильные тру бы; 4 - сепаратор; 5 - циркуляционный насос; 6 - труба вскипания

производительности. Скорость движения раствора при его принудительной циркуляции составляет 2-2,5 м/с. Насос (обычно пропеллерного типа) создает некоторое избыточное давление, которое совместно с гидростатическим давлением в нижней части кипятильных труб дает возможность поддерживать раствор на значительной длине греющих труб в некипящем состоянии, т. е. пере гретым относительно температуры его кипения в сепараторе. Ки пение раствора происходит на верхних участках труб и в трубе вскипания 6.

Выпаривание термочувствительных растворов, которые мо гут ухудшать свои качественные показатели при значительном времени пребывания в ВА, производится в прямоточных аппаратах с поднимающейся кипящей пленкой раствора. При этом упариваемый раствор проходит через греющую камеру только один раз. Раствор подается в нижнюю часть греющих труб значительной высоты (до 9 м) и малого диаметра (обычно 25 мм).

Обогрев кипятильных труб, как и в других аппаратах, осуществляется снаружи конденсирующимся греющим паром. Образующийся внутри трубок вторичный пар поднимается по централь ной зоне каждой кипятильной трубки, увлекая своим динамическим воздействием пленку раствора.

За счет парового обогрева раствор в восходящей пленке кипит, и к моменту его выхода из верхней части трубок концентрация раствора должна достигнуть заданной величины. Наличие вторичного пара в центральной части кипятильных трубок практически по всей их высоте приводит к уменьшению потерь разности температур за счет гидростатического эффекта, что и позволяет увеличивать время выпаривания раствора за счёт большой высоты кипятильных труб. Область применения пленочных ВА - выпаривание маловязких, пенящихся, термически нестабильных растворов, не склонных к значительному образованию инкрустаций на внутренних теплоотдающих поверхностях.

Выпаривание химически агрессивных растворов при высокой температуре их кипения не допускает использования ВА, в которых развитая теплопередающая поверхность выполнена из высокотеплопроводной конструкционной стали. В таких условиях применяется сосуд простой конфигурации (рис. 1.8) со стойкой защитой внутренней поверхности (например, за счет ее эмалирования), а теплота, необходимая для испарения растворителя, подводится с горячими газами непосредственно в массу кипящего раствора. Если раствор по своим химическим свойствам допускает контакт с продуктами сгорания органических топлив, используются ВА с беспламенными газовыми горелками, погруженными непосредственно в кипящий раствор. Продукты сгорания газообразного (реже жидкого) топлива выходят из отверстий барботажной трубы 3, интенсивно перемешивают кипящий раствор и тем самым обеспечивают хорошую теплоотдачу от топочных газов к раствору. Интенсивное испарение раствора с развитой поверхности многочисленных пузырьков значительно повышает производительность ВА с погружными горелками на единицу их рабочего объема.

Рис.1.8. Выпарной аппарат с погружной горелкой:

1 - емкость для упариваемого раствора; 2 - горелка; 3 - барботажная труба

Выпарные аппараты с электрическим нагреванием раствора для промышленной практики оказываются недостаточно экономичными из-за относительно высокой стоимости электроэнергии.

3. Технологические расчеты

3.1 Материальный баланс выпаривания

Основные уравнения материального баланса:

где - массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

- массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W - массовый расход выпариваемой воды, кг/с:

Из уравнения (2):

Количество выпариваемой воды рассчитывается по формуле:

Таб.3.1.

поток	обозначение	Числен.значение т/ч	Концентрация массовая. доля
Исходный раствор		20	0.1
Упаренный раствор		10	0.2
Вторичный пар	W	10	-

3.2 Расчет выпарного аппарата

Температура вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата определяется, как температура насыщения при давлении Р_0. см. t₀=86⁰С.

T₁= t₀+? t_г.с.=0.5-1.5 К

Температуру насыщенного водяного пара вычислим по формуле

где Дt_гс = 1°С - потери температуры на гидравлическое сопротивление в трубах.

P₀=0.6 атм

P₀-давление в барометрическом конденсаторе.

Давление в сепараторе выберем в зависимости от температуры в таблице стр. 548

0,590

0,715

87 0,64

Найдем конечную температуру:

где Р - давление, Па; Р= 0.64• 9.81• 10⁴=6.278*10^4Па

а = -0,472 b = -0,654 - коэффициенты.

х - концентрация.

Величина температурной депрессии



Для определения средней температуры кипения в трубах, необходимо знать высоту труб, поэтому сначала составим тепловой баланс, рассчитаем приблизительную поверхность теплообменника и ориентировочно выберем выпарной аппарат.

Уравнение теплового баланса.

Q = Q_нагр+ Q_исп+ Q_пот

Q_нагр=G_н •С_н. •(t_кон.-t?_н.)

Зададим t?_н в выпарном аппарате 70⁰С

где Cp0 - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг•К) ;

B1 = - 5087,59, B2 = 3829,86 B3 = 5,61, B4 = - 1,789•10-2 - коэффициенты.

Q_нагр= 5,55 •3757 •(91.4-70)=446.2 kВт

Q_исп=W (i_втЅ-С_в• t_кон)

W=10/3.6=2,77 кг/с

i_втЅ при t?_н=70⁰С смотрим таб. 1стр 469

i_втЅ=2626.3 кДж/кг•к

Q_исп.=2,77•(2626.3-4.2065•91.4)=6210 кВт

Q_пот. Принимают как 5% от суммы Q_нагр + Q_исп

Q_пот.=0.05•(446.2.+6210)=332.81 кВт

Q=332.81+6210+446.2=6989 кВт

где Q- количество теплоты, Вт;

К=1000 Вт/м2· К - коэффициент теплопередачи;

tпол =20-25- полезная разность температур, оС.

Для данной поверхности теплопередачи подходит аппарат ГОСТ 11987-81, тип 3, исполнение 1, с F=315 м2 и длиной труб 6метров .

Определим плотность раствора:

Для этого необходимо определить плотность воды при температуре t=20⁰С по формуле:

Тогда плотность раствора:

где а₀ = 0,2112689, а₁ = 5,8731•10^-4, а₂ = -3,1905•10^-6 - коэффициенты,

х - концентрация.

Отсюда:

Давление раствора в средней части выпаривателя определяется давлением, под которым раствор подается и гидростатическим давлением самого раствора:

Hур={0.26+0.0014(1026-997.34)}*6=1.801

где Р₁ - давление, под которым раствор подается в выпариватель, Па.

Отсюда находим температуру кипения при Р_ср :

где Р - давление, Па;

а = -0,472, b = -0,654 - коэффициенты.

х - конечная концентрация.

Рассчитаем гидростатическую депрессию по формуле:

t_г.п.= t_пол+ t_кип.=95+25=120⁰С

Таб.3.2

Условные точки технологич. схемы	температура	давление
	обозначение	значение	обозначение	значение
Барометрический конденсатор	t0	86	Р0	0.6
Паровое пространство сепаратора	t1	87	Р1	0.64
Выход кипящего раствора в сепаратор	tкон	91.4	Р1	0.64
Трубное пространство	tкип.	95	Рср.	0.862
Межтрубное пространство греющ. камеры	tг.п.	119.6	Рг.п.	2.0
Вход исходного раствора в выпарной аппарат	t?н	70	-	-

Рассчитаем точную поверхность теплообменника и выберем выпарной аппарат.

Найдем коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося греющего водяного пара:

Рассчитаем параметры при t =119.6:

Рассчитаем параметры при t =95:

1)

где а₀ = 0,112689, а₁ = 5,8731•10^-4, а₂ = -3,1905•10^-6 - коэффициенты,

х - концентрация

2)

где м0- вязкость воды, Па•с;

d0= -0,2028, d1=8,311•10-3, d2=-9,104•10-7 - коэффициенты;

3)

Где в=0.24588-коэффициент

Найдем коэффициент теплоотдачи для кипящего раствора:

у=65.3•10^-3 Н/м

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений

Коэффициент теплопередачи:

Удельная тепловая нагрузка:



Коэффициент теплопередачи:

Для данной поверхности теплопередачи подходит аппарат ГОСТ 11987-81, тип 3, исполнение 1 , с F=315 м2 и длиной труб 6 метров (остальные параметры аппарата приведены в выводах).

3.3 Расчет барометрического конденсатора

В данном разделе необходимо рассчитать расход охлаждающей воды а так же основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и высоту барометрической трубы.

Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:

где W - количество выпариваемой воды;

iЅв.т.=2646.7 кДж/кг - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе при 83с

tнач - начальная температура охлаждающей воды (см. задание);

tкон - конечная температура смеси воды и конденсата, рассчитанная по формуле:

Cp0 - удельная теплоемкость воды при температуре воды tкон=83, Дж/(кг•К):

Диаметр барометрического конденсатора определяется из уравнения расхода:

где W - количество выпариваемой воды, кг/с;

- плотность паров в барометрическом конденсаторе при 83с

х=20 м/с - скорость паров в барометрическом конденсаторе.

Подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Выбираем барометрический конденсатор диаметром d=1000 мм Основные размеры указаны в выводах.

Высота барометрической трубы:

Н=Н0+Нг.с.+0.5

В=760-р0=318.5 мм.рт.ст.

- скорость жидкости в барометрической трубе.

G=Gводы+W=22.14+2,77=24.91 кг/с

d=200 мм

_{0 =} - плотность воды при по температуре t0=83, рассчитанная формуле:

л-коэффициент трения в барометрической трубе

Е- относительная шероховатость

Рассчитаем режим течения воды в барометрической трубе:

где - скорость воды в барометрической трубе, м/с;

dб.т = 200 мм - внутренний диаметр барометрический трубы

- плотность воды, кг/м3;

м - коэффициент динамической вязкости, рассчитанный при t0=83, по формуле:

Нг.с.=0.0825 +0.0033Н

Н=4,32+0.0825+0.0033Н+0.5

Н=4.9м

3.4 Расчет вакуум-насоса

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

где G - расход воды,кг/с;

W - количество выпариваемой воды, кг/с;

0.000025 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 - количество газа подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

Объемная производительность вакуум-насос равна:



где R - универсальная газовая постоянная, Дж/кмоль·К ;

Мвозд - молекулярная масса воздуха кг/моль, ;

Gвозд - количество газа (воздуха), которое необходимо удалить из барометрического конденсатора, кг/с;

Температура воздуха рассчитывается по формуле:

где tнач - начальная температура охлаждающей воды (см. задание), С;

tкон - конечная температура смеси воды и конденсата,С

Рп - давление сухого насыщенного пара при tвозд.=250С,

Рп=0.0323 атм=0.0323•9.81•104=3168 Па

П=760 мм.рт.ст.=101308 Па

Давление воздуха рассчитывается по формуле:

Зная объемную производительность V и Р по каталогу выбираем ваккум-насос типа ВВН1-1.5 производительностью 3.9 м3/мин. Абсолютное давление всасывания 0.06 мПа и мощностью 2.7 кВт.

3.5 Подробный расчет холодильника упаренного раствора

Температурная схема процесса.

Рис.1 Характер изменения температур t₁ и t₂ теплоносителей вдоль поверхности F теплопередачи (t₁ -вода, t₂ - растворNaCl)

Значение усредненной по всей теплообменной поверхности разности температур теплоносителей рассчитывается по формуле:

где t_б и t_м. - большая и меньшая разности температур на концах теплообменника при противотоке с теми же начальными и конечными температурами теплоносителей;

t_м.=35-14=21

t_б=91.4-30=61.4

- изменение температуры холодного теплоносителя;

- изменение температуры горячего теплоносителя.

Определим среднюю арифмитическую температуру того теплоносителя, для которого значения начальной температуры различаются меньше. В данном случае это вода.

С

Средняя температура раствора КNO₃ :

t₁ = t₂ + t_ср =22+37.655=59.655С

Запишем уравнение теплового баланса:

Q=G1•c1•(t1н.-t1к.)= Gк.•c1•(tкон.-35.)

c1 рассчитываем при t1=59.65

Q= 2.77.•3380•(91.4-35.)=528.1 кВт

Ориентировочно определяем минимальную величину площади поверхности теплообмена:

где K = 300 Вт/(м2•К) - минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от горячего теплоносителя к холодному.

Рассчитаем параметры при t1=59.650С

1)

где а₀ = 0,112689, а₁ = 5,8731•10^-4, а₂ = -3,1905•10^-6 - коэффициенты,

х - концентрация

2)

где м0- вязкость воды, Па•с;

d0= -0,2028, d1=8,311•10-3, d2=•-9.104*10-7 - коэффициенты;

3)

Где в=0.24588 -коэффициент

4)

где Cp0 - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг•К) ;

B1 = - 5087.59, B2 = 3829,86, B3 = 5.61, B4 = - 1.789•10-2 - коэффициенты.

Рассчитаем параметры при t2=220С

Число труб 20x2 мм, обеспечивающих объемный расход раствора NaCl при Re=10000:

Из каталога выбираем одноходовой холодильник с F=11.5 м2, l= 3 м, D=273 мм, n= 61

1 приближение.

?t1=t1-tст.=0

=

=0.021*(16810)^0.8*(3.23)^0.43=83.489

=

=(83.489*0.643)|0.033576=1598

=(7.881*0.033576)/(1.2*10^(-2)*9.5*10^(-4)=23210

=4188*9.5*10^(-4)/0.603=6.598

=0.021*(23210)^0.8*6.598^0.43=146.929

=146.929*0.603/0.033576=2639

Считаем м при t_{ст. 1},

=0.021*(16810)^0.8*(3.23)^0.43*(0/0005534/5.846)^0.25=82.352

=82.352*0.643/0.033

576=1577

Приравниваем этот тепловой поток к тепловому потоку через стенку.

q_ст.=q_1, тогда

=0.021*(23210)^0.8*(6.598)^0.43*(5.534/7.901)^0.25=134.41

Считаем м при t_{ст. 2},

Сравним тепловые потоки

Рассчитаем массу холодильника.

М= Мс•n=735•3=2205 кг

Мс-масса секции выбираем из каталога

n-количество секций

Число труб 25x2 мм, обеспечивающих объемный расход раствора NaCl при Re=10000:

Из каталога выбираем одноходовой холодильник с F=9 м2, l= 3 м, D=273 мм, n= 37

1 приближение.

?t1=t1-tст.=0

3.23

Считаем м при t_{ст. 1},

Приравниваем этот тепловой поток к тепловому потоку через стенку.

q_ст.=q_1, тогда

Считаем м при t_{ст. 2},

T2=t2ct-t2=33.29-21=12.29

Сравним тепловые потоки

Рассчитаем массу холодильника.

М= Мс•n=2860•1=2860,кг

Мс-масса секции выбираем из каталога

n-количество секций

3.6 Расчет подогревателя исходного раствора ориентировочный и на ЭВМ

Рис. 1 Температурная схема

где t'_нач - начальная температура исходного раствора в выпарном аппарате t_б, t_м - большая и меньшая разность температур соответственно, С; t_нач - температура исходного раствора после подогревателя, С ;

t_б = t_{конд.гр.п} - t_нач t_б = 119.6-65 = 54.6С

t_м = t_{конд.гр.п} - t'_нач t_м = 60 -15= 45С

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:

t1=tг.п.=119.60С

Расход теплоты

C2 рассчитываем при t2=37.50С

Расход греющего пара G_гр.п. найдём по формуле:

Где r - удельная теплота парообразования, Дж/кг;

- степень сухости пара; =0.95

Удельная теплота парообразования при температуре t_{конд.гр.п.} см. таб. «Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от температуры» стр. 465 П.Г. Романков, В.Ф.Флисюк.

r=2264000 Дж/кг

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена:

где K = 600 Вт/(м2•К) - значение коэффициента теплопередачи

Ориентировочно из каталога выбираем одноходовой теплообменный аппарат с F= м2, l= м, D= мм, n=

Дальнейший расчет производился на ЭВМ на кафедре процессов и аппаратов химической технологии, данные расчета смотри в приложении.

Выводы

В результате проведенной работы, сделаны расчеты основных элементов однокорпусной выпарной установки (выпарного аппарата, холодильника концентрированного раствора, барометрического конденсатора, подогревателя и вакуум-насоса).

Для выпаривания 5%-ного NaCL необходимо использовать выпарной аппарат пленочный с восходящей пленкой по ГОСТу 11987-81 с номинальной поверхностью теплообмена 800 м2, длинной труб 6 м, Для охлаждения конечного раствора технически предпочтительнее использовать одноходовой холодильник ХК (ГОСТ 15120-79) с трубами 25Ч2 мм и внутренним диаметром кожуха 273 мм., т.к. он имеет явное преимущество перед одноходовым холодильником, с диаметром кожуха 325 мм, который так же был рассмотрен, как вариант применения. Основные характеристики:

число труб - 61;

поверхность теплообмена - 11.5 м2;

длина труб - 6 м;

проходные сечения:

трубное - 1.2·10-2 м2;

межтрубное - 1.1·10-2 м2.

число рядов труб - 9

расстояние между перегородками в межтрубном пространстве -180мм.

Для конденсации вторичного пара необходимо использовать барометрический конденсатор ГОСТ 15121-79 с внутренним диаметром 1000 мм. Основные размеры барометрического конденсатора:

толщина стенки аппарата S - 6 мм.;

расстояние от верхней полки до крышки аппарата б - 1300 мм;

расстояние от верхней полки до днища аппарата r - 1200 мм;

ширина полки b - 650 мм;

расстояние между осями конденсатора и ловушки:

К1 - 1100 мм;

К2 - 935мм;

высота установки H - 5680 мм;

ширина установки T - 2600 мм;

диаметр ловушки D - 500 мм;

высота ловушки h -1900мм;

диаметр ловушки D1 - 500 мм;

высота ловушки h1 - 1350 мм;

расстояние между полками:

а1 -250мм;

а2 - 320 мм;

а3 - 400 мм;

а4 - 475 мм;

а5 - 550 мм.

условные проходы штуцеров:

1. для входа пара (А) - 400 мм;

2. для входа воды (Б) - 200 мм;

3. для выхода парогазовой смеси (В) -150мм;

4. для барометрической трубы (Г) - 200 мм;

5. воздушник (С) - 25 мм;

6. для входа парогазовой смеси (И) - 150 мм;

7. для выхода парогазовой смеси (Ж) - 100 мм;

8. для барометрической трубы (Е) - 70 мм.

Для вытяжки неконденсирующихся газов использовать вакуум-насос типа ВВН2-150 с производительностью 110 м3/мин. и номинальной мощностью на валу 315 кВт.

Все аппараты, работающие под давлением, должны удовлетворять правилам Госгортехнадзора. Также все аппараты должны быть снабжены средствами автоматизации.

Список использованных источников

1. РоманковП.Г., Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов./, В.Ф.Фролов, О.М. Флисюк, - М.: ООО ТИД “Альянс”, 2006. -491с.

2. Фролов, В.Ф. Лекции по курсу “Процессы и аппараты химической технологии”./ В.Ф. Фролов, - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2008. - 608 с.

3. Дытнерский, Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию./ Ю.И. Дытнерский, Г.С. Борисов, В.П. Брыков. Под ред. Ю.И. Дытневского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 2009. - 496с.

Размещено на Allbest.ru