Расчет трехкорпусной выпарной установки для выпаривания хлорида кальция

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Литературный обзор

2. Обоснование и описание технологической схемы

3. Расчет основного аппарата

4. Подробный расчет теплообменника

5. Расчет вспомогательного оборудования

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

выпарный установка хлорид кальций

Химическая промышленность - прогрессивная, быстроразвивающаяся отрасль тяжелой индустрии страны. Химия все больше проникает во все сферы народного хозяйства. Химизация хозяйства позволяет решать важные технические и экономические проблемы, создавать новые материалы с наружными свойствами, повышать производительность труда. Крупные потребители продукции отрасли - это машиностроение, текстильная, целлюлозно-бумажная промышленность, транспорт, строительство. Интенсификация сельского хозяйства немыслима без применения минеральных удобрений. Важную роль играет химическая промышленность в увеличении выпуска и расширении ассортимента товаров народного потребления.

Современная химическая технология дает возможность использовать практически неограниченный круг сырья, заменить дорогое сырье дешевым и широко распространенным, перерабатывать отходы других производств. Химическая промышленность открывает широкие возможности для комплексного использования сырья, что устанавливает сложные производственные связи со многими отраслями промышленности. Химическая индустрия комбинируется с черной и цветной металлургией, коксованием угля, переработкой нефти, деревообрабатывающей промышленностью.

Химическая промышленность объединяет около 30 специализированных отраслей, разнородных по сырью и назначению выпускаемой продукции, но сходных по технологии производства. В ее составе выделяют три основные группы отраслей: 1) горно-химическая; 2) основная (неорганическая) химия; 3) промышленность органического синтеза.

1. Литературный обзор

1.1. Теоретические основы процесса выпаривания

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, которым называют греющим или первичным, хотя, конечно, для этой цели, могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоносители.

Таким образом, выпаривание является типичным процессом переноса теплоты от более нагретого теплоносителя - греющего пара - к кипящему раствору. Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключается в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.

Выпаривание проводят при атмосферном давлении, под вакуумом или под давлением, большим атмосферного. Отметим, что образующийся при выпаривании растворов пар, называют вторичным, или соковым.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с атмосферной выпаркой: снижается температура кипения раствора, что дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата; несколько снижаются потери теплоты в окружающую среду (так как снижается температура стенки аппарата); появляется возможность использования теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам выпаривания под вакуумом относятся удорожание установки (так как требуется дополнительное оборудование: конденсатор, вакуум-насос и др.), а также несколько больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раствором происходит увеличение теплоты испарения растворителя).

При выпаривании под повышенным давлением (выше атмосферного) вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента для различных технологических нужд.

В случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат (см. рис. 1.1), такую установку называют однокорпусной. Если же в установке имеются два или более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпусной. В этом случае вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что приводит к существенной экономии свежего греющего пара. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называют экстра-паром. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и т.д.

При больших производительностях (от нескольких кубически метров выпариваемого раствора в час и выше), что характерно для промышленности, выпаривание проводят по непрерывному принципу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условии для интенсивной циркуляции раствора, т. е. в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения. Поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи (так, с повышением концентрации раствора увеличивается его вязкость и, следовательно, снижается коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору).

Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и необходимости упаривания раствора до существенно высоких концентраций.

1.1.1 Однокорпусное (однократное) выпаривание

Процесс однократного выпаривания проводят в одном аппарате. Изобразим схематично выпарной аппарат:

Рис.1.1. Схема устройства однокорпусного выпарного аппарата

Материальный баланс выпарного аппарата для непрерывного процесса записывают при допущении, что отсутствует унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими из кипящего раствора во вторичный пар. Для этих условий материальный баланс по общему количеству продуктов представляют в следующем виде:

(1.1)

по нелетучему продукту:

(1.2)

где , - расходы соответственно исходного и упаренного растворов кг/с, и - концентрации соответственно растворенного продукта в исходном и упаренном растворе, кг продукта на 1 кг раствора; -- выход вторичного пара, кг/с.

Из уравнений (1.1) и (1.2) подлежат определению расходы упаренного раствора и выход растворителя (вторичного пара):

(1.3)

(1.4)

а также конечная концентрация упаренного раствора:

(1.5)

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса, записанного в следующем виде:

(1.6)

где - расход греющего пара, кг/с; , - энтальпии соответственно греющего и вторичного паров, Дж/кг; , , - энтальпии соответственно исходного и упаренного растворов и конденсата греющего пара, Дж/кг; - потери теплоты в окружающую среду, Дж/с.

Выразим энтальпии растворов и пара в уравнении (1.7) следующим образом:

где - теплота парообразования при соответствующем давлении.

Тогда с учетом (1.7) уравнение (1.6) можно представить в виде равенства

(1.8)

где - теплоемкость конденсата греющего пара; - температура конденсации.

Левая часть равенства (1.8) показывает количество теплоты, выделяющейся в выпарном аппарате при конденсации D кг/с греющего пара. Правая часть показывает, на что эта теплота расходуется: первый член - расход теплоты на нагревание исходного раствора от начальной температуры до температуры кипения, второй - расход теплоты на испарение растворителя из раствора при температуре кипения, далее - расход теплоты на компенсацию теплоты концентрирования и потерь теплоты в окружающую среду.

При сравнительно небольшой степени концентрирования раствора и высоком качестве тепловой изоляции величинами и можно пренебречь, учитывая значительное количество теплоты, выделяющейся при конденсации греющего пара. Если же предположить, что раствор поступает на выпаривание при температуре кипения в аппарате, т. е. , то

(1.9)

или

(1.10)

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водяной пар, а упаривают водный раствор, то приблизительно . Это означает, что на испарение 1 кг растворителя затрачивается примерно 1 кг греющего пара, т.е. . В действительности , а если учесть потерю теплоты на компенсацию и , реальное значение .

Уравнение (8) в расчетной практике используют для определения расхода греющего первичного пара D и расхода теплоты для проведения процесса Q. Последняя величина позволяет определить потребную поверхность теплопередачи в выпарном аппарате . Коэффициент теплопередачи К находят по уравнению

определение полезной разности температур () сводится к нахождению температуры кипения раствора .

1.1.2 Многокорпусные выпарные установки

Многократное выпаривание проводят в нескольких последовательно соединенных аппаратах, в которых давление поддерживается таким образом, чтобы вторичный пар предыдущего корпуса можно было использовать в качестве греющего пара в каждом последующем корпусе. Такая организация выпаривания приводит к значительной экономии греющего пара. Если приближенно принять, что 1 кг греющего первичного пара испаряет 1 кг воды с образованием 1 кг вторичного пара, который затем в последующем корпусе уже в качестве греющего испарит также 1 кг воды и т.д., то общий расход свежего греющего пара на процесс уменьшается пропорционально числу корпусов. Практически в реальных установках такое соотношение не выдерживается, оно как правило, ниже.

В зависимости от взаимного направления движения раствора и греющего пара из корпуса в корпус различают прямоточные и противоточные выпарные установки, а также установки с параллельной или со смешанной подачей раствора в аппараты. Наибольшее распространение в промышленных условиях получили прямоточные выпарные установки (рис. 1.2), в которых греющий пар и выпариваемый раствор направляют в первый корпус 1, затем частично упаренный раствор самотеком перетекает во второй корпус 2, и т. д.; вторичный пар первого корпуса направляют в качестве греющего пара во второй корпус, и т.д.

Рис. 1.2 Многокорпусная прямоточная выпарная установка

1-3 - корпуса, 4 - барометрический конденсатор, 5 - вакуум-насос, 6 - подогреватель исходного раствора

Прямоточная выпарная установка по сравнению с другими обладает некоторыми преимуществами: поскольку перетекание раствора из корпуса в корпус благодаря разности давлений идет самотеком, отпадает необходимость в установке насосов для перекачивания кипящих растворов. Температуры кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор в корпуса (кроме 1-го) поступает перегретым. Теплота, которая выделяется при охлаждении раствора до температуры кипения в последующем корпусе, идет на дополнительное испарение растворителя из этого же раствора. Это явление получило название самоиспарения.

Недостатками прямоточной схемы выпарной установки является понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора от первого корпуса к последнему. Это приводит к повышению вязкости раствора и, следовательно, к снижению интенсивности теплоотдачи при кипении, уменьшению коэффициента теплопередачи и, как следствие, к увеличению общей поверхности теплопередачи. Однако, несмотря на увеличение потребной поверхности теплопередачи, достоинства прямоточной схемы имеют превалирующее значение, что определяет их широкое распространение.

Уравнения материальных и тепловых балансов для многокорпусных установок представляют собой системы уравнений, записанных для каждого корпуса в отдельности. Уравнения материального баланса позволяют определить общее количество испаренной воды в установке и концентрацию растворенного компонента по корпусам при условии, что задан закон распределения испаренной воды по корпусам:

(1.11)

(1.12)

(1.13)

где , - расходы соответственно исходного и поступающего в п-й корпус растворов, кг/с; , - общее количество испаренной воды в установке и i-м корпусе, кг/с; , , - концентрации растворов соответственно исходного, упаренного и в (п--1)-м корпусе, кг упаренного раствора на 1 кг исходного раствора.

Концентрацию упаренного раствора определяют по выражению (1.5).

Уравнение теплового баланса для п-го корпуса без учета отбора экстра-пара:

(1.14)

где , - расходы соответственно греющего и вторичного паров в п-м корпусе, кг/с; , - расходы соответственно исходного и упаренного раствора в п-м корпусе, кг/с; , - энтальпии соответственно греющего и вторичного паров в п-м корпусе, Дж/кг; , , - энтальпии соответственно исходного, упаренного растворов и конденсата греющего пара в п-м корпусе, Дж/кг; - потери теплоты в окружающую среду в п-м корпусе.

С помощью уравнений тепловых балансов для всех корпусов (1.14) и уравнения баланса по испаренной жидкости (1.12) определяют расход греющего пара в первом корпусе, расходы упаренной воды в каждом корпусе и их тепловые нагрузки.

Одной из задач расчета многокорпусных выпарных установок является определение потребной поверхности теплопередачи корпусов, для чего необходимо знание полезной разности температур каждого корпуса.

1.2 Основные технологические схемы процесса выпаривания

В современных выпарных установках выпариваются очень большое количество воды. Выше было сказано, что в однокорпусном аппарате для выпаривания 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. 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.

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 давлениям .

Наиболее распространены выпарные установки первой группы. К этой группе относится многокорпусная прямоточная вакуум-установка (рис. 1.3). 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.

Рис. 1.3 Многокорпусная прямоточная вакуум-установка

1-3 - корпуса установки, 4 - подогреватель исходного раствора,

5 - барометрический конденсатор, 6 - ловушка, 7 - вакуум-насос

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.

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 неплотности 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.

Помимо установки, показанной на рис. 1.3, 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. Для отбора экстра-пара трубопроводы, отводящие вторичный пар, имеют ответвления, по которым часть вторичного пара из данного корпуса отводится и используется в других теплообменных устройствах (рис. 1.4). Наряду с этим повышение давления вторичного пара в последнем корпусе уменьшает возможную кратность использования свежего (первичного) пара, греющего первый корпус.

Рис. 1.4 Схема трехкорпусной установки с отбором экстра-пара

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.

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. 1.3), применяются также противоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях (рис. 1.5).

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.

Рис. 1.5 Многокорпусная противоточная выпарная установка

1-3 - корпусы, 4-6 - насосы

Отметим одно существенное достоинство многокорпусных выпарных установок, работающих по противоточной схеме.

В первом корпусе выпарной прямоточной установки (см. рис. 1.3) наименее концентрированный раствор получает необходимое для выпаривания тепло от греющего пара наиболее высоких рабочих параметров, 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 многокорпусных противоточных установках (см. рис. 1.5) 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 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. 1.4) 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.

1.3 Конструкции выпарных аппаратов

Наибольшее распространение в химической и смежных отраслях промышленности получили высокопроизводительные выпарные аппараты непрерывного действия, особенно трубчатые выпарные аппараты различных типов. Нагревательные камеры таких аппаратов могут быть непосредственно соосно соединены с сепараторами в единое устройство. Возможно и устройство, состоящее из двух самостоятельных элементов: нагревательной камеры и сепаратора.

Выпарные аппараты классифицируются по различным признакам. Наиболее существенной является классификация по принципу организации циркуляции кипящего раствора в аппарате. Различают выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора, пленочные и барботажные аппараты.

Хорошая циркуляция раствора в аппарате способствует интенсификации теплообмена, в первую очередь со стороны кипящей жидкости. Как известно, увеличение скорости движения жидкости приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя, снижению его термического сопротивления и повышению коэффициента теплоотдачи. Кроме того, циркуляция раствора предотвращает быстрое отложение на стенках кипятильных труб твердой фазы (накипи). Появляется возможность осуществлять выпаривание кристаллизующихся и высоковязких растворов.

1.3.1 Выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией

Одна из конструкций таких аппаратов-с центральной циркуляционной трубой. Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. Скорость (кратность) циркуляции здесь невелика (скорость движения парожидкостной смеси составляет 0,3-0,8 м/с). Поэтому коэффициенты теплопередачи также относительно низкие. Несмотря на достаточную простоту, аппараты этого типа заменяются на другие - с более интенсивной циркуляцией.

На рис. 1.6 показан выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой 2. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, следовательно раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. Разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильных трубах 1 и раствора в циркуляционной трубе больше, чем в аппаратах с центральной циркуляционной трубой, поэтому кратность циркуляции и коэффициенты теплопередачи несколько выше. Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах уменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться при концентрировании растворов.

Рис. 1.6 Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой: 1- нагревательная камера; 2 - циркуляционная труба; 3 - центробежный брызгоуловитель; 4 - сепарационное (паровое) пространство.

Существенного снижения отложения солей можно достичь при использовании аппаратов с вынесенной зоной кипения (рис. 1.7). В таких аппаратах вследствие увеличенного гидростатического давления столба жидкости кипения в трубах нагревательной камеры 1 не происходит, упариваемый раствор только перегревается. При выходе перегретого раствора из этих труб в трубу вскипания он попадает в зону пониженного гидростатического давления, где и происходит интенсивное его закипание.



Рис. 1.7 Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба

Таким образом, предотвращается возможность отложения накипи на теплообменной поверхности труб и, следовательно, увеличиваются коэффициент теплопередачи и время эксплуатации аппарата между профилактическими ремонтами.

Более высокие кратности циркуляции, соответствующие скоростям движения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 1.8). Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов 4, обладающих высокой производительностью. В связи с более высокими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи -более 2000 Вт/(м² * К), поэтому такие аппараты могут эффективно работать при меньших полезных разностях температур (равных 3-5 °С). В аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успехом концентрировать высоковязкие или кристаллизующиеся растворы.

Рис. 1.8 Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной нагревательной камерой 1-греющая камера; 2-сепаратор; 3-циркуляционная труба; 4 - электронасосный агрегат

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (см. рис. 1.8). В этом случае появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее загрязнении, а иногда к одному сепаратору подсоединять две или три нагревательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющая нагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с соосными греющей камерой и сепаратором (см. рис 1.9) является меньшая производственная площадь, необходимая для его размещения.

Рис. 1.9 Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной циркуляционной трубой: 1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба; 4 - электронасосный агрегат

К общим недостаткам выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует отнести повышенный расход энергии, связанный с необходимостью работы циркуляционного насоса.

Все рассмотренные выше конструкции аппаратов по структуре движения в них жидкости близки к моделям идеального перемешивания, поэтому при сравнительно большом объеме циркулирующего раствора последний находится при повышенных температурах достаточно длительное время (а отдельные частицы жидкости - бесконечно долго). Это существенно затрудняет выпаривание нетермостойких растворов. Для таких растворов можно использовать пленочные выпарные аппараты.

1.3.2 Пленочные выпарные аппараты

Их относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции; процесс выпаривания осуществляется за один проход жидкости по кипятильным трубам, причем раствор движется в них в виде восходящей или нисходящей пленки жидкости. Как правило, эти аппараты работают при прямоточном движении раствора и образующегося вторичного пара, который занимает центральную часть труб. В связи с этим здесь отсутствует гидростатический столб парожидкостной смеси и, следовательно, гидростатическая депрессия. Для обеспечения заданных пределов изменения концентраций упариваемых растворов кипятильные трубы делают длинными (6-10 м).

Выпарной аппарат с восходящей пленкой жидкости (рис. 1.10) работает следующим образом. Снизу заполняют раствором трубы на 1/4 и 1/5 их высоты, подают греющий пар, который вызывает интенсивное кипение. Выделяющийся вторичный пар, поднимаясь по трубам, за счет сил поверхностного трения увлекает за собой раствор. В сепараторе пар и раствор отделяются друг от друга.

Рис. 1.10 Выпарные пленочные аппараты с восходящей пленкой жидкости: 1 - греющая камера; 2 - сепоратор

В выпарном аппарате с нисходящей пленкой жидкости (рис. 1.11) исходный раствор подают в верхнюю часть греющей камеры 1, где обычно расположен распределитель жидкости, из которого последняя по трубам стекает вниз. Образующийся вторичный пар также движется в нижнюю часть нагревательной камеры, откуда вместе с жидкостью попадает в сепаратор 2 для отделения от раствора.

Рис. 1.11 Выпарные пленочные аппараты с нисходящей пленкой жидкости: 1 - греющая камера; 2 - сепаратор

Для снижения температуры кипения раствора процесс, как правило, проводят под вакуумом. В этих аппаратах удается упаривать также растворы, склонные к интенсивному пенообразованию. Вместе с этим пленочным аппаратам свойствен ряд недостатков. Они очень чувствительны к изменениям нагрузок по жидкости, в особенности при малых расходах растворов. Существует определенный минимальный расход раствора, ниже которого не удается достигнуть полного смачивания поверхности теплопередачи. Это может приводить к местным перегревам трубок, выделению твердых осадков, резкому снижению интенсивности теплопередачи. В таких аппаратах не рекомендуется выпаривать кристаллизующиеся растворы. Для них также требуются большие производственные площади.

Всем трубчатым выпарным аппаратам свойствен существенный недостаток: в них затруднительно, а часто и практически невозможно выпаривать агрессивные растворы. Для таких растворов применяют аппараты, в которых отсутствуют теплопередающие поверхности, а процесс теплообмена осуществляют путем непосредственного соприкосновения теплоносителя (нагретых или топочных газов) с упариваемым раствором.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, онцентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и другие). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные аппараты), а также конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке.

В современных выпарных установках выпариваются очень большое количество воды. В однокорпусном аппарате для выпаривания 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. 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.

Для выпаривания раствора CaСl₂ с заданной производительностью наиболее целесообразным будет использование трехкорпусной выпарной установки.

Принципиальная схема выпарной установки показана на листе 1 графической части. Исходный разбавленный раствор с концентрацией 10 % масс. и температурой 21 ⁰С из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом H1 (Н2) марки X90/85 подаётся в теплообменник ТН (ГОСТ 15118-79) где подогревается до температуры 164,8⁰С (близкой к температуре кипения), а затем в выпарную установку АВ (по ГОСТ 11987-81). Предварительный подогрев раствора производится насыщенным водяным паром давлением p=0,981 МПа, r(2)=2077,7 кДж/кг, температура t(2)=179 ⁰С.

Первый корпус выпарной установки обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный перетек раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения БК (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. Образующийся концентрированный раствор в третьем корпусе центробежным насосом НЗ подаётся в промежуточную емкость Е2 упаренного раствора концентрацией 20 масс.. %

Конденсат греющего пара из выпарного аппарата выводится с помощью конденсатоотводчика КО.

Так как процесс выпаривания является высокотемпературным, то применяются соответствующие меры по охране труда, которые определяются типом производства. Охрана здоровья рабочих и служащих и процессе исполнения трудовых обязанностей закреплена в трудовом законодательстве, непосредственно направленном на создание безопасных и здоровых условий труда.

Кроме того, разработаны многочисленные правила, введены средства коллективной и индивидуальной защиты, соблюдение и применение которых обеспечивает безопасность труда.

Важное значение имеет охрана окружающей среды. Поэтому необходимо строгое соблюдение технологии очистки сточных вод, отходящих газов и т.д. Целесообразно применение мер профилактики по предотвращению опасных выбросов.

3. РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F=Q/(K*Дt_п). (3.1)

Для определения тепловой нагрузки Q, коэффициента теплопередачи К и полезной разности температуры ?t(n) необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов и их температуры кипения . Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение:

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W=G_к *(x_k/x_N-1) (3.2)

Подставив, получим:

W=4000/3600(20/10-1)=1,11кг/с (3.3)

G_N=G_k*x_k/3600x_N=4000*20/3600*10=2,22кг/с (3.4)

3.1.1 Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

w₁:w₂:w₃=1,0:1,1:1,2

w₁=1,0w/3,3=1,0*1,11/3,3=0,34кг/с

w₂=1,1w/3,3=1,1*1,11/3,3=0,37кг/с

w₃=1,2w/3,3=1,2*1,11/3,3=0,40кг/с

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

х₁=G_N*х_N/(G_N-w₁)=2,22*0,1/(2,22-0,34)=0,118 или 11,8%

х₂=G_N*х_N/(G_N-w₁-w₂)=2,22*0,1/(2,22-0,34-0,37)=0,147 или 14,7%

x₃=G_N-x_N/(G_N-w₁-w₂-w₃)=2,22*0,1/(2,22-0,34-0,37-0,40)=0,20 или 20%

Концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора x_k

3.1.2 Температура кипения раствора

Принимаем, что обогрев производится греющим паром - насыщенным водяным паром давлением Р_г1=10*9,81*10⁴ПА=0,981 МПа

Общий перепад давлений в установке равен:

ДР_об=Р_г1-Р_бк=0,981-0,03=0,951 МПа.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Р, МПа. t, °C. Н, кДж/кг.

Р_г1=0,981 t_г1=179 Н₁=2784

Р_г2=0,664 t_г2=162,8 Н₂=2768,23

P_г3=0,347 t_г3=138,3 H₃=2736,48

Р_бк=0,03 t_бк=68,7 Н_бк=2631,93

При определении температуры кипения раствора в аппарате исходим из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с принудительной 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 давления столба жидкости, Температуру кипения раствора в корпусе принимаем соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь УД от температурной (Д'), гидростатической (Д") и гидродинамической (Д'") депрессий:

УД=Д'+Д"+Д'"

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Д"'=1,0 -1,5 °С на корпус.

Примем Д'"=1,0 °С.

Тогда температура вторичных паров в корпусах равна:

t_вп1=t_г2+Д'"(1)=162,8+1,0=163,8°С;

t_вп2=t_г3+Д'"(2)=138,3+1,0=139,3°С;

t_вп3=t_бк+?^'"(3)=68,7+1,0=69,7°C

Сумма гидродинамических депрессий

У Д'"=1+1+1=3°С

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно ( в МПа ): Р_вп1=0,685 МПа; Р_вп2=0,355 МПа;P_вп3=0,028МПа

Определяем гидростатическую депрессию. Давление в среднем слое кипящего раствора P_ср равно:

Р_ср=Р_вп+с*g*Н*(1-е)/2, (3.4)

где Н - высота кипятильных труб в аппарате, м;

с- плотность кипящего раствора, кг / м³;

е - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе),м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F(op). При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с принудительной циркуляцией q=40000-80000 Вт/кв.м.

Примем q=40000 Вт/кв.м. Тогда поверхность теплопередачи ориентировочно равна:

F_op=Q/q=w₁*r₁/q=0,34*2077,7*10³/40000=17,7 м².

где r₁- теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг, r₁=2077,7кДж/кг

По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и выносной греющей камерой состоят из кипятильных труб высотой 6м при диаметре dн=38 мм и толщине стенки д(ст)=2 мм.

Примем высоту кипятильных труб Н=6 м. При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет е=0,4-0,6.

Примем е =0,5. Плотность водных растворов, в том числе раствора CuСl₂ при температуре 21°С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

с₁=1101 кг/м³

с₂=1127,65 кг/м³

с₃=1179кг/м³

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 21 °С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения е.

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

Р_1ср=Р_вп1+с₁*g*Н*(1-е)/2=68,5*10⁴+1101*9,81*6*(1-0,5)/2=70,12*10⁴ Па

Р_2ср=Р_вп2+с₂*g*Н*(1-е)/2=35,5*10⁴+1127,65*9,81*6*(1-0,5)/2=37,16*10⁴ Па

P_3ср=P_вп3+с₃*g*H*(1-е)/2=2,8*10⁴+1179*9,81*6*(1-0,5)/2=4,5*10⁴Па

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:

Р, МПа. t, °C. r, кДж/кг.

Р_1ср=0,7012 t_cp1=165,01 r_вп1=2077,7

Р_2ср=0,3716 t_cp2=140,78 r_вп2=2147.3

P_3ср=0,045 t_ср3=78,7 r_вп3=2312,2

В аппаратах с вынесенной греющей камерой с принудительной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой. Кипение в греющих трубах предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания. В греющих трубах происходит перегрев жидкости по сравнению с температурой кипения на верхнем уровне раздела фаз. Поэтому температуру кипения раствора в этих аппаратах определяют без учета гидростатических температурных потерь ?^"

Температурную депрессию Д' определим по уравнению Тищенко:

Д'=1,62*10^-2*Д'(атм)*(Т²)/r_вп, (3.5)

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

Д'(атм) - температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение Д'(атм1)=2,04; Д'(атм2)=2,91; ?'(атм3)=4,5

Д'(1)=1,62*10^-2*Д'(атм1)*(Т₁²)/r_вп1;

Д'(1)=1,62*10^-2*2,04*(165,01+273)²/2077,7=3,05°C

Д'(2)=1,62*10^-2*Д'(атм2)*(Т₂²)/r_вп2;

Д'(2)=1,62*10^-2*2,91*(140,78+273)²/2147,3=3,76°C

?^'(3)=1,62*10^-2*?^'(атм3)*(T₃²)/r_вп3;

?^'(3)=1,62*10^-2*4,5(78,7+273)²/2312,2=3,9°C

Сумма температурных депрессий:

УД'=Д'(1)+Д'(2)+?'(3)=3,05+3,76+3,9=10,71 °С

Температуры кипения растворов равны (в °С):

t_к1=t_г2+Д'(1)+Д'"(1)=162,8+3,05+1=166,85

t_к2= t_г3+Д'(2)+Д'"(2)=138,3+3,76+1=143,06

t_k3=t_бк+?'(3)+?"'(3)=68,7+3,9+1=73,6

3.1.3 Полезная разность температур

Полезную разность температур в каждом корпусе можно рассчитать по уравнению:

Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:

Дt_п1=t_г1-t_k1=179-166,85=12,12

Дt_п2=t_г2-t_k2=162,8-143,06=19,74

?t_п3=t_г3-t_k3=138,3-73,6=64,7

Тогда общая полезная разность температуры равна:

УДt_п= Дt_п1 +Дt_п2 +?t_п3 =12,12+19,74+64,7=96,56 °С

Проверим общую полезную разность температуры:

УДt_п=t_г1-t_бк-УД'+УД'"=179-68,7-10,71-3=96,56°C

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q1=D*(Н_г1-i₁)=1,03*[Gн*Сн*(t_к1-t_н)+w ₁*(Н_вп1-Св* t_к1)+Q_конц1]; (3.6)

Q2= w₁*(Н_г2-i₂)=1,03*[(Gн- w₁)*С₁*(t_к2-t_к1)+w ₂*(I_вп2-Св* t_к2)+Q_конц2]; (3.7)

Q3=w₂*(I_г3-i₃)=1,03[(G_N-w₁-w₂)*C₂*(t_k3-t_k2)+w₃*(I_вп3-С_B*t_k3)+Q_конц3]

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 5% потерь тепла в окружающую среду;

С_н, С₁, С₂-- теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах. кДж/(кг*К);

С_н =3,78 кДж/кг*К;

C₁=3,68 кДж/кг*К

С₂ =3,49 кДж/кг*К

Св- теплоемкость воды, кДж/(кг*К).;

t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в корпусе,⁰С;

D- расход греющего пара, кг/с;

При решении уравнения можно принять:

I_вп1 ? I_г2; I_вп2 ? I_г3;I_вп3?I_бк

Q_конц1,Q_конц2; Q_конц3-теплоты концентрирования по корпусам,кВт

Q1=D*(2784-739,6)=1,03*[2,22*3,78*(166,85-164,8)+w₁*(2784-4,19*166,85)]

Q2=w₁*(2768,23-688,191)=1,03[(2,22-w₁)*3,68*(143,06-166,85)+w₂*(2736,48-4,19*143,06)]

Q3=w₂*(2736,48-581,570)=1,03*[(2,22-w₁-w₂)*3,49*(73,6-143,06)+w₃*(2631,93-4,19*73,6)]

W=w₁+w₂+w₃=0,34+0,37+0,40=1,11

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D=0,35кг/с

w₁=0,33кг/c

w₂=0,384 кг/с;w₃=0,419кг/с

Q1=715,54кВт;Q2=798,73кВт;Q3=827,49кВт

Результаты расчета сведены в таблицу 1.1:

Таблица 1.1

Характеристика процесса выпарки раствора.

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде, щ, кг/с Концентрация растворов х, % Давление греющих паров Рг., МПа Температура греющих паров tг °С Температурные потери У Д, град Температура кипения раствора tк°С Полезная разность температур Дtп град	0,33 11,8 0,981 179 4,05 166,85 12,12	0,384 14,7 0,664 162,8 4,76 143,06 19,74	0,419 20 0,347 138,3 4,9 73,6 64,7

3.1.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора СаСl₂ интервале изменения концентраций от 10 %, до 20 % [6]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности л(ст)=25,1 Вт/(м*К).

3.1.6 Расчет коэффициента теплопередачи

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

К1=(1/б₁+Уд/л+1/б₂)^-1. (3.8)

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки д_ст/л_ст и накипи д_н/л_н

Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Уд/л=д_ст/л_ст+д_н/л_н (3.9)

где д_ст, д_н - толщина стенки, толщина слоя накипи, м.

при д_ст=2 мм=0,002 м.

при д_н=0,5 мм=0,0005 м.

где л_ст, л_н - коэффициент теплопроводности стенки и накипи, Вт/(м*К).

при л_ст=25,1 Вт/(м*К).

при л_н=2 Вт/(м*К).

Уд/л=0,002 /25,1+0,0005/2=2,87 *10^-4 м²*К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке б₁ равен:

б₁=2,04*((r₁*с_ж1²*л_ж1³)/(м_ж1*Н*Дt₁))^1/4. (3.10)

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

р_ж1, л_ж1, м_ж1 - соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность Вт/(м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки:

t_пл=t_г1-Дt₁/2

где Дt₁ - разность температур конденсации пара и стенки, °С.

Расчет б₁ - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем Дt₁=2 °С. Тогда t_пл=179-2/2=178°С.

б₁=2,04*((2784*10³*889²*0,6758³)/(0,155*10^-3*6*2)^1/4=8917,3Вт/(м² *К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q=б₁*Дt₁=Дt_ст/(УДд/л)=б₂*Дt₂, (3.11)

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;Дt_cт - перепад температур на стенке, °С;Дt₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.

Отсюда:

Дt_ст=б₁*Дt₁*(Уд/л)=8917,3*2*2,87*10^-4 =5,1°С.

Тогда

Дt₂=Дt_п1-Дt_ст-Дt₁=12,12-5,1-2=5,02°С.

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии принудительной циркуляции раствора равен:

б₂=(0,023(w_ср1 *d_вн1 /v_ж1 )^0,8*(c_ж1*µ_ж1/ л_ж1)^0,4* л_ж1)/ d_вн1 (3.12)

По справочной литературе определяем:

л_ж1=0,78 Вт/(м*К);

с_п1=902,8 кг/м³;

v_ж1 =5,9*10^-8м²/с;

с_ж1=3780 Дж/кг*К;

м_ж1=0,066*10^-3 Па*с

Подставив эти значения, получим:

б₂=(0,023(0,342 *38*10^-3 /5,9*10^-8 )^0,8*(3780*0,066*10^-3/0,78)^0,4* 0,78)/ 38*10^-3=2840,18 Вт/(м²*К)