Расчет процесса выпаривания и разработка 3-х корпусной вакуум-выпарной установки

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

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 натр, едкое 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.штучные массивные по объему материалы и изделия (керамика, штучные строительные материалы, изделия из древесины и т.п.); изделия, подвергающиеся сушке после грунтования, окраски, склеивания и других поверхностных работ.

Целью данной курсовой работы является расчет процесса выпаривания и разработка 3-х корпусной вакуум-выпарной установки.

1. Физико-химические основы процесса выпаривания

выпаривание установка вакуум

Выпариванием - называется теплообменный процесс концентрирования растворов нелетучих или практически нелетучих веществ путем удаления части растворителя при его кипении. Кипение растворов осуществляется за счет нагревания паром, который называется греющим или первичным. Пар, образующийся при кипении раствора, называется вторичным. Выпаривание используется для получения концентрированных растворов, удаления части влаги перед сушкой.

При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называется выпариванием.

Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар будем называть испарением.

В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т. д. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является насыщенным водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства.

Количество теплоты, необходимой для выпаривания,

Q = тr	(10.1)

где т -- масса выпаренного растворителя, кг; r--скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как r =f(р).

При этом скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.

Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Однако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Так, например, растворы красящих веществ, содержащиеся в экстрактах, полученных из растительного сырья, разлагаются при нагревании до 50...60 °С. Аскорбиновая кислота и другие витамины и биологически активные вещества, содержащиеся в растворах, при нагревании также разлагаются. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом.

1.1 Классификация, устройство и принцип действия выпариваемых аппаратов

Процесс выпаривания можно рассматривать как двухсторонний состоящий из кипения и выпариваемого раствора (1 стадия) и разделения парожидкостной смеси (2 стадия). Поэтому любой выпарной автомат состоит из калоризатора и сепаратора пароотделителя (сепарационного пространства)

В зависимости от условий кипения выпариваемого раствора выпарные аппараты подразделяются на: циркуляционные; пленочные.

В циркуляционных аппаратах выпариваемый раствор кратко нагревается с многократным разделением парожидкостной смеси. Циркуляция может быть естественной или принудительной.

В пленочных выпариваемый раствор контактирует с греющей поверхностью однократно, причем на греющей поверхности создается пленка раствора, т.е. пленочное кипение. Пленка может быть восходящей, образуется за счет стекания продукта по поверхности греющихся труб и создаваемой механической пленкой в роторно-пленочных аппаратах с мешалкой.

Классификация ВВУ может осуществляться:

1) по периодичности проведения процесса: непрерывного действия, периодического действия;

2) по принципу использования вторичного пара (одно- и многокорпусные): с использованием, без использования;

3) по типу калоризаторов: трубчатыми, пластинчатыми, змеевиковыми, рубашечными.

4) по виду теплоносителя: с нагревом водяным паром, с аммиачным или хладоновым обогревом;

5) по организации движения продукта: с естественной циркуляцией, с принудительной циркуляцией.

Использование вторичных паров позволяет сократить расход острого пара на 40-70 %, а также и в многокорпусных ВВУ, в однокорпусных установках с термокомпрессий существенно сократить потребность в воде на конденсацию вторичных паров, т.к. в конденсатор их поступает немного.

1.1.1Аппараты с естественной циркуляцией с соосногреющей камерой

Калоризатор представляет собой вертикальный кожухотрубный теплообменник, в центре которого расположена циркуляционная труба. Продукт, нагреваясь в теплообменных трубах, поднимается вверх, где сепараторе (сепарационной зоне) разделяется на жидкость и вторичный пар. Вторичный пар выводится из сепаратора, а жидкость по циркуляционной трубе стекает вниз, затем опять нагревается и обеспечивается качественная циркуляция во внутреннем контуре.

Рисунок 10.8 - Аппараты с естественной циркуляцией с соосногреющей камерой: 1 - брызгоуловитель; 2 - сепаратор-пароотделитель; 3 - циркуляционная труба; 4 - патрубок для входа греющего пара;

5 - калоризатор;

6 - патрубок для отвода конденсата;

7 - патрубок для выхода раствора;

8 - греющая труба;

9 - патрубок для отвода воздуха;

10 - патрубок для подачи исходного продукта.

1.1.2 аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

Более высокие кратности циркуляции, соответствующие скоростям движения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 4). 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.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (см. рис. 4.). 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. 5.) является меньшая производственная площадь, необходимая для его размещения.

Рисунок 10.11 - Схема аппарата с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой: 1 - калоризатор; 2 - сепаратор-пароотделитель; 3 - циркуляционная труба; 4 - двигатель (насос).

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.

1.1.3 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. 6) 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.

Рисунок 10.13 - Схема аппарата пленочного типа с падающей пленкой: 1 - сепаратор-пароотделитель;

2 - калоризатор; 3 - распределительное устройство, 4 -тангенциальная соединительная трубка.

1.1.4 Барботажные выпарные аппaраты

Выпаривание некоторых сильно агрессивных и высококипящих растворов, например растворов серной, соляной, фосфорной кислот, растворов мирабилита,: хлористого магния и других, производят при непосредственном соприкосновении раствора с нагретыми инертными газами. Для таких растворов передача через стенку тепла, необходимого для выпаривания, оказывается практически неосуществимой из-за трудностей, связанных с выбором конструкционного материала, который должен сочетать хорошую теплопроводность с коррозионной и термической стойкостью.

Выпаривание при непосредственном соприкосновении раствора и теплоносителя осуществляют обычно с помощью топочных газов или нагретого воздуха в аппаратах с металлическим кожухом, футерованным изнутри коррозионно-стойкими материалами, например диабазовой и керамической плиткой, кислотоупорным и шамотным кирпичом и т.д. Барботажные трубы, по которым поступают в раствор газы, изготавливаются из термосилида, графита и других коррозионностойких материалов.

1.2Основные технологические схемы

Процесс выпаривания осуществляется либо в аппарате однократного, либо многократного действия. В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается. В промышленных условиях наиболее распространены аппараты многократного действия .

Расход греющего пара на выпаривание растворов в однокорпусных аппаратах весьма велик и в ряде производств составляет значительную долю себестоимости конечного продукта . Для уменьшения расхода греющего пара широко используют многокорпусные выпарные аппараты.

Принцип действия многокорпусных аппаратов заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путём последовательного соединения нескольких одно корпусных аппаратов, позволяющем использовал вторичный пар каждого предыдущего корпуса для обогрева последующего. Для практического осуществления такого многократного использования одного и того же количества тепла требуется, чтобы температура вторичных паров каждого последующего корпуса была выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Это требование легко выполняется путем понижения рабочего давления в корпусах по направлению от первого к последнему. С этой целью устанавливается сравнительно высокая температура кипения в первом корпусе и температура 50-60о С в последнем корпусе выпарной установки под разряжением, который соединяется с конденсатором, снабженным вакуум-насосом.

Если греющий пар и жидкий раствор поступают в первый, «головной», корпус выпарной установки, то последняя называется прямоточной . По такому принципу работает большинство выпарных установок. Если же греющий пар поступает в первый по порядку корпус, а жидкий раствор - в последний и переходит из последнего корпуса к первому, то установка называется противоточной.

Такое встречное движение пара и раствора применяется в случае упаривания растворов с высокой вязкостью и большой температурной депрессией в целях повышения коэффициентов теплопередачи. Однако одновременно усложняется и обслуживание аппарата в связи с тем, что подобная схема требует установки между каждыми двумя корпусами установки насосов для перекачки раствора, движущегося по направлению возрастающих давлений, не говоря уже об дополнительных затратах на расход энергии на насосы.

При выпаривании кристаллизующихся растворов их перегон из корпуса в корпус может сопровождаться закупоркой соединительных трубопроводов и нарушением нормальной работы установки . При этом часто используют аппараты с параллельным питанием корпусов. Здесь раствор выпаривается до конечной концентрации в каждом корпусе, а пар, как и в предыдущих двух схемах, движется последовательно по направлению от первого корпуса к последнему. В этом же направлении снижаются рабочие давления и температуры каления раствора в корпусах.

В химической промышленности применяются в основном непрерывно-действующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а также при выпаривании растворов до высоких конечных концентрации; иногда используют аппараты периодического действия.

При периодической выпарке в аппарат загружают определенное количество раствора начальной концентрации, подогревают его до температуры кипения и выпаривают до заданной концентрации. Затем упаренный раствор удаляют из аппарата, вновь заполняют ею свежим раствором и процесс повторяют. Установки периодического действия обычно выполняются в виде отдельных аппаратов. Осуществить многоступенчатую выпарную установку с выпарными аппаратами периодического действия невозможно, так как не удастся согласовать режимы работы и производительность отдельных аппаратов.

Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разряжением, под избыточным и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Потребляя пар относительно высокого давления и многократно используя его теплосодержание для выпаривания воды из раствора, выпарные аппараты могут использовать почти все количество потребляемого вторичного пара в виде экстра-паров более низких давлений, отбираемых из отдельных корпусов, что происходит в многокорпусных аппаратов без всякого ущерба для основного процесса.

Установки, в которых последняя ступень находится под некоторым избыточным давлением, называются выпарными установками с противодавлением Уменьшение давления вторичного пара последней ступени связано с уменьшением полезною перепада температур на установку, т.е. приводит к уменьшению кратности использования пара, что снижает экономические показатели.

В выпарных установках под разряжением удается получить, возможно, больший перепад температур между паром, греющим первую ступень и вторичным паром последней ступени. Это позволяет применить наибольшую кратность использования пара в установке, но связано с лотерей тепла со вторичным паром последней ступени, который из выпарной установки направляется непосредственно в конденсатор.

Используются и выпарные установки с ухудшенным вакуумом. В этих схемам предусматривается частичное использование вторичного пара последней ступени для покрытия тепловой нагрузки низкого потенциала, остальная часть пара направляется в конденсатор. При выпаривании под вакуумом температура кипения снижается; эго обстоятельство используется при сгущении растворов, для которых. во избежание порчи продукта, нельзя допустить высоких температур кипения.

При выпаривании под атмосферным давлением (проводят в однокорпусных выпарных установках) вторичный пар используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным. Экономия вторичного пара может быть также достигнута 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.

Многокорпусная установка позволяет значительно снизить расход тепла за счет многократного использования пара. Предельно выгодное или оптимальное число корпусов зависит одновременно от расхода пара и его стоимости, от единовременной стоимости выпарной установки, срока ее амортизации и др. На практике число корпусов обычно не превышает 5-6.

1.3Факторы, влияющие на интенсивность выпаривания

Как в любом процессе теплообмена, интенсивность выпаривания зависит от интенсивности теплопередачи

Q = kFt	(10.29)

т. е. в первую очередь от величины движущей силы Дt.

Для однокорпусного аппарата движущая сила Дt определяется как разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора:

	(10.30)

Температура кипения раствора зависит от давления. Но давление внутри кипящей жидкости изменяется по высоте аппарата, т. е. гидростатическое давление жидкости приводит к тому, что температура кипения в нижних слоях жидкости выше, чем в верхних, а образующийся вторичный пар имеет температуру, соответствующую давлению в соковом пространстве, т. е. ниже температуры кипения жидкости в среднем слое tк.cp,

	(10.31)

где -- гидростатическая температурная депрессия.

Давление в среднем слое жидкости, которое определяет температуру , с учетом гидростатического давления

	(10.32)

где h -- высота столба жидкости в аппарате.

Таким образом, движущая сила выпаривания фактически ниже:

	(10.33)

На практике гидростатические температурные потери составляют 1--3 °С в зависимости от конструкции аппарата.

Чтобы уменьшить влияние гидростатической депрессии, на практике стараются изготавливать аппараты с небольшой высотой столба жидкости, т. е. с большим диаметром.

Интенсивность выпаривания уменьшается также из-за физико-химической температурной депрессии  -- разности между температурой кипения раствора и чистого растворителя. Эта разность зависит от давления и концентрации раствора и может достигать значительных величин. Для нормального давления разность температур кипения 60%-го сахарного раствора и воды составляет 3 °С, для 25%-го водного раствора NaCl -- 7 °С, а для 50%-го раствора NaOH -- 42,2 °С.

Таким образом, полезная разность температур для выпарного аппарата

	(10.34)

Или

	(10.35)

Физико-химическая и гидростатическая температурная депрессия наблюдается в каждом выпарном аппарате, в том числе и в аппаратах многокорпусной установки.

Для многокорпусной выпарной установки общая разность температур определяется как разность между температурой греющего пара, поступающего в первый корпус, и температурой кипения в последнем корпусе:

	(10.36)

Полезная разность меньше общей на величину температурных потерь в каждом корпусе и потерь температуры пара при переходе из одного корпуса в другой за счет гидравлических потерь давления:

	(10.37)

Для уменьшения гидравлических температурных потерь уменьшают длину паропроводов, располагая корпуса рядом.

Анализ работы многокорпусной установки показал, что для уменьшения удельного расхода греющего пара целесообразно увеличивать число корпусов установки. С увеличением же числа корпусов пропорционально возрастает и стоимость установки. Однако беспредельное увеличение числа корпусов приводит к уменьшению движущей силы, приходящейся на каждый корпус.

Прежде всего температура кипения в первом корпусе не может быть выше допустимой для данного раствора. Поэтому увеличение давления и температуры греющего пара не ведет к увеличению Д/пол для второго и последующих корпусов. С другой стороны, разрежение в последнем корпусе зависит от режима работы конденсатора и вакуум-насоса и также ограниченно. Поэтому ограниченна сама общая разность температур Дtобщ. А так как с увеличением числа корпусов возрастают потери температуры, то Дtпол еще более ограниченна. Поэтому на практике используют установки из 4--5 корпусов.

Многокорпусные выпарные установки можно компоновать из одинаковых аппаратов с равной поверхностью теплообмена F, но в этом случае полезная разность температур между корпусами распределяется неравномерно. Многокорпусную установку с аппаратами, каждый из которых имеет разную, но наименьшую в данных условиях поверхность нагрева, рассчитывают по другому принципу. В этом случае полезная разность температур для каждого корпуса одинакова.

1.4 Патентный обзор

Этот раздел включает в себя краткое описание патентов на изобретения по теме выпаривание за 1991-2002 годы.

1.4.1 Вертикальный выпарной аппарат(1805571)

Использование: в глиноземном производстве. Сущность изобретения: аппарат состоит из греющей камеры, содержащей, в свою очередь, кожух и пучок греющих труб циркуляционной трубы, установленной внутри трубного пучка, сепаратора, трубных решеток, состыкованных с паровой и конденсатной камерами, а также патрубком для раствора, пара и конденсата. При этом греющая камера установлена внутри сепаратора с зазором относительно верхней трубной решетки, а циркуляционная труба имеет высоту, меньшую, чем греющие трубы.

1.4.2 Выпарная установка(2050908)

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано при регенерации воды из отработанных электролитов и концентрировании сточных вод гальванотехники. Установка содержит камеру испарения с нагревателем и камеру конденсации с охладителем. Камеры соединены замкнутым воздуховодом с вентилятором, снабжены подводящими и отводящими штуцерами и выполнены в виде аппаратов, каждый из которых включает установленные в верхней части циклоннопенное, а в нижней-теплообменное устройство. Теплообменное устройство представляет собой вертикальный концентрический пучок труб, расположенный вокруг центральной трубы, причем нижняя трубная доска пучка установлена над штуцером подвода обрабатываемого продукта в аппарат, а верхняя совпадает с нижней границей окна подвода воздуха под слой жидкости циклонно-пенного устройства.



1.4.3 Способ выпаривания алюминатных растворов и установка для его осуществления(2194559)

Изобретение относится к области производства глинозема, конкретно к процессу выпаривания алюминатных растворов в противоточных установках. При упаривании алюминатных растворов, включающем нагрев раствора, последовательное упаривание и самоиспарение, часть раствора подают из второго по ходу пара выпарного аппарата в первый с поддержанием в растворе первого корпуса концентрации каустического оксида натрия в пределах 250-290 г/л и оставшуюся часть раствора второго корпуса и раствор первого корпуса выводят на самоиспарение.



2.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

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

F=Q/ (K?t).

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур ?t необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W=Gн(l-xH/xK).

Подставив, получим:

W= 8,89(1 --6/50) =7,82 кг/с

.

2.1.1. 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.

Тогда

w1 = 1,0 W/(1,0 +1,1 +1,2) = 1,0W/3,3=2,37 кг/с,

w2= 1,1/3,3 = 2,60 кг/с;

w3= 1,2/3,3 = 2,84 кг/с. Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

x1= Gнxн / (Gн - w1) =8,89*0,06 / (8,89 -- 2,37) =0,081, или 8,1%;

x2=Gнxн / (Gн -w1-w2) = 8,89*0,06 / (8,89 - 2,37 - 2,61) =0,135, или 13,6 %;

xз =Gнxн / (Gн - w1 - w2 - w3) = 8,89*0,06 / (8,89 -- 2,37 - 2,61 - 2,84) =0,500,или 50% .

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

4.1.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

?Pоб = Pг1 - Pбк = 1,0116 - 0,016 = 0,9956 МПа.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:

Рг1 = 1,0116;

Рг2 = Pг1 - ?Pоб/3_ =1,0116 - 0,9956/3=0,6798

Pг3=Pг2-?Pоб/3=0,6798-0,9956/3=0,348.

.

Давление пара в барометрическом конденсаторе

Рбк = Pг3 -?Pоб/3= 0,348-0,9956/3=0,016МПа,

что соответствует заданному значению Pбк

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1]:

Р, МПа t С кДж/кг

Pг1=1,0116 tг1 = 179.0 /,=2784

Pг2= 0,6716 tг2= 164,2 /2 = 2769

Pг3=0,3316 tг3= 132,9 /з = 2730

Рбк = 0,016 tбк= 53,9 /6к = 2598

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

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь?? от температурной (?'), гидростатической (?") и гидродинамической (?'") депрессий (?? = ?' + ?" + ?"').

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 град на корпус. Примем для каждого корпуса ?"' = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:

tвп1=tг2+?'"1= 164,2+1=165,2

tвп2= tг3+?'"2= 132,9+1=133,9

tвп3= tбк + ?'"3=53,9+1=54,9

Сумма гидродинамических депрессий

??'"=?'"1+?'"2+?'"3 = 1 +1 +1 = 3 °С.

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно (в МПа): Рвп 1=0,734; Рвп2 =0,318; Рвпз = 0,0156.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Рср каждого корпуса определяется по уравнению

РсР = Pвп+рgH(1-е)/2

где Н -- высота кипятильных труб в аппарате, м; р -- плотность кипящего раствора, кг/м3; е -- пароиаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3/м'\

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата FOB. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20 000-- 50 000 Вт/м2, аппаратов с принудительной циркуляцией q =40 000--80 000 Вт/м2. Примем 9=40 000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

Fор=Q/q=w1*r1/q=2,37*2068*1000/40000=123м2

где r -- теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТ 11987--81 [2] (см. Приложение 4.2) трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре d = 38 мм и толщине стенки дст=2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет е = 0,4--0,6. Примем, е = 0,5. Плотность водных растворов, в том числе раствора КОН [3] (см. Приложение 4.3), при температуре 15 СС и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

р1 = 1050 кг/м3, р2= 1240 кг/м3, р3=1502 кг/м3.

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 15°С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения е. Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

Р1сР = Pвп1+р1gH(1-е)/2= 73*104+ 1050*9,8*4*(1-0,5)/2=75,1*104

Р2сР = Pвп2+р2gH(1-е)/2=3,18*104+1240*9,8*4*(1-0,5)/2=43,8*104

Р3сР = Pвп3+р3gH(1-е)/2= 1,56*104+1502*9,8*4(1-0,5)/2=2,25*104

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1]:

Р, МПа t, С r, кДж/кг

P1cP=0,751 t1ср=167,6 r = 2062

Р2сР=0,438 t2ср= 145,7 г = 2124

Р3ср=0,0225 tзср= 60,1 r=2345



Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °С):

?"1= t1ср -- tвп1=167,6-165,2=2,4

?"2=t2ср-tвп2=145,7-133,9=11,8

?"3=t3ср-tвп3=60,1-54,9=5,2

Сумма гидростатических депрессий

??"=?"1+?"2+?"3=2,4+11,8+5,2=19,4

Температурную депрессию ?' определим по уравнению

?'=1,62*10-2?'атмT2/rвп

где Т -- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; ?'атм-- температурная депрессия при-атмосферном давлении [3] (см. Приложение 4.4). Находим значение ?' по корпусам (в °С):

?'1=1,62*10-2*(167,6+273)2*1,7/2062=2,59

?'2= 1,62*10-2(145,7+273)2*9,5/2124=12,7

?'3= 1,62*10-2(60,1+273)2 *45/2345=34,49

Сумма температурных депрессий

??'=?'1+?'2+?'3=2,59+12,7+34,49=49,78

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °С):

tк1=tг2+?'"1+?"1+?'1=164,2+2,59+2,4+1=170,19

tк2=tг3+?'"2+?"2+?'2=132,9+12,7+11,8+1=158,4

tк3=tгбк+?'"3+?"3+?'3=53,9+34,49+5,2+1=94,59

4.1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

??tп=?tп1+?tп2+?tп3

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

?tп1=tг1-tк1=179,0-170,19=8,81

?tп2=tг2-tк2=164,2-158,4=5,8

?tп3=tг3-tк3=132,9-94,59=38,31

Тогда общая полезная разность температур

??tп= 8,81+5,8+38,31=52,92°С.

Проверим общую полезную разность температур:

??tп=tг1-tбк-(??'+??"+??'")=179,0-53,9-(49,78+19,4+3)=52,92°С

4.1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q1=D(Ir1 -- j1)=1,03(Gнcн(tк1 -- tн)+w1(Iвп1-cвtк1)+Q1конц) (1)

Q2=w1(Ir2 -- j2)=1,03((Gн-w1)c1(tк2-tк1)+w2(Iвп2-cвtк2)+Q2конц) (2)

Q3=w2(Ir3 -- j3)=1,03((Gн-w1- w2)c2(tк3-tк2)+w3(Iвп3-cвtк3)+Q3конц) (3)

W= w1+ w2+ w3 (4)

где 1,03 -- коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; с1, с2, сз -- теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах, кДж/(кг*К) [3];Q1конц , Q2конц, Q3конц -- теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tн-температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; tн=tвп1+?'н= 165,2+1,0=166,2 °С (где ?'н -- температурная депрессия для исходного раствора); при решении уравнений (1) -- (4) можно принять

Iвп1? Ir2 ; Iвп2? Ir3 ; Iвп3? Iбк

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры [5] показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса:

Q3конц=Gсух*?q= Gнxн*?q

где Gсух-- производительность аппаратов по сухому КОН, кг/с; ?q-- разность интегральных теплот растворения при концентрациях x2 и х3, кДж/кг [3]. Тогда

Q3конц= 8,89*0,06 (975,3-841,5)=71,4 кВт

Сравним Q3конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q3ор

Q3ор=(Gн-w1- w2)+c2(tк3-tк2)+w3(Iвп3-cвtк3)=( 8,89-2,37-2,60)+3,56(94,59-158,4)+2,84(2598-4,19*94,59)=6029 кВт



Поскольку Q3конц составляет значительно меньше 3 % от Q3ор. в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Qконц-Получим систему уравнений:

Q1=D(2784-759,6)=1,03( 8,89*3,9(170,19- 166,2)+w1(2769-4,19*170,19))

Q2 =w1(2769-694,3)=1,03(8,89-w1)3,77(158,4-170,19)+w2(2730-4,19*158,4))

Q3=w2(2730-558,9)=1,03( 8,89-w1-w2)3,56(94,59-158,4)+w3(2598-4,19*94,59))

W=w1 + w2 +w 3 = 7,82

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты: w1 = 2,364кг/с; w2 =2,518кг/с; w 3 = 2,937 кг/с; D=2,471 кг/с; Q, =5002 кВт; Q2=4904 кВт; Q3=5466 кВт. Результаты расчета сведены в таблицу:

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	2,364	2,518	2,937
Концентрация растворов х, %	8,1	13,6	50,0
Давление греющих паров Рг. МПа	1,0116	0,6716	0,3316
Температура греющих паров tг, °С	179,0	164,2	132,9
Температурные потери У?, град	5,99	25,5	40,69
Температура кипения раствора tк С	170,19	158,4	94,59
Полезная разность температур ?tп град	8,81	5,8	38,31

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (w1= 2,37 кг/с, w2= 2,60 кг/с, w3= 2,84 кг/с) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.



4.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

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

K1=

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки дст/лст и накипи дн/лн. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

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

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке б1 равен:

б1=2,04 4v(r1 сж12 лж13)/( сж1H?t1)

где r1 --теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; сж1, лж1, µ1 -- соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность Вт/(м-К), вязкость (Па-с) конденсата при средней температуре пленки tпл = tг1 - ?t1/2, где ?t1, -- разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет б1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем ?t1=2,0 град. Тогда

б1=2,04 4v(2009* 103* 8862* 0.6843) /(0,09 * 10-3 *4 *2) = 10 500 Вт/ (м2* К). Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q=б1?t1=?tcn/(У д/л)= б2?t2

где q -- удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; ?tcn -- перепад температур на стенке, град; ?t2 -- разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град. Отсюда

?tcn = б1?t1/У д/л=10500*2*2,87*10-4=6,03 град.

?t2=?tп1 - ?tcn - ?t = 8,81- 6,03-2=0,78 град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора [7] равен

б2=Aq0,6 = 780*q0,6* л11,3*с10,5*сп10,06/у10,5*rв10,6*с00,66*с10,3*µ10,3

Подставив численные значения, получим:

б2=780*q0,6*0,611,3*10500,5*3,830,06/0,0580,5*(2062*103)0,6*0,5790,06*37730,3* (0,1*10-3)0,3= 13,49( б1?t1)0,6=13,49(10500*2)0,6=5288 Вт/(м2 *К).

Физические свойства кипящих растворов КОН и их паров

приведены ниже:

Параметр	Корпус	Литература
	1	2	3
Теплопроводность раствора л Вт/(м-К)	0,61	0,62	0,70	+++++
Плотность раствора р, кг/м3	1050	1240	1502	+++++
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг-К)	3773	3562	2761	+++
Вязкость раствора,,µ Па-с	0,1*10 -3	0,23*10-3	0,78*10-3	++++++
Поверхностное натяжение у Н/м	0,058	0,070	0,110	+++++
Теплота парообразования гв, Дж/кг	2062-1О3	2124-10я	2366-1О3	+-+-+-
Плотность пара р кг/м3	3,83	2,15	0,110	++++

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q'= б1?t1=10500*2=21000 Вт/м2

q"= б2?t2=5288*0,78=4124 Вт/м2

Как видим, q'? q"

Для второго приближения примем ?t1 = 1,2 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1 град., рассчитаем б1 по соотношению:

б1=10500 4v(2/1,2)=11930 Вт/(м2*К)

Получим:

?tcn=11930 *1,2* 2,87 * 10-4=4,1 град.

?t2=8,8-4,1-1,2=3,5 град.

б2=13,49(11930*1,2)0,6=4202 Вт/(м2*К)

q'=11930*1,2=14316 Вт/м2

q"=4202*3,5=14707 Вт/м2

Как видим, q' ? q".

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3 %, расчет Коэффициентов q' и q" на этом заканчивают. Находим К1:

К1=1/(1/11930+2,87*10-4+1/4202)=1644 Вт/(м2*К)



Далее расчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2 и К3 :

К2=1553 Вт/(м2*К)

К3=1497 Вт/(м2*К)

4.1.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

?tпj=У?tп

где ?tПj , Qj, Kj -- соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса. Подставив численные значения, получим:

?tп1=0,3*52,92=15,8 град.

?tп2=52,92*(3,15/9,84)=16,93 град.

?tп3=52,92*(3,65/9,84)=19,64 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

??tп=15,8+16,94+19,64=52,92 град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (4.1):

F1=(5002*103)/(1644*15,8)=186,9

F2=(4904*103)/(1553*16,94)=186,4

F3=(5466*103)/(1497*19,62)=186,1

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности Fop. 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 ?tп представлено ниже:

Корпус

1 2 3

Распределенные в 1-м приближении значения ?tп град. 15,8 16,94 19,62

Предварительно рассчитанные значения ?tп град. 8,81 5,8 3 8,31

Второе приближение

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

4.1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения Д', Д" и Д'" для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:



Параметры Производительность по испаряемой воде w, кг/с Концентрация растворов х % Температура греющего пара в 1-м корпусе tг, °С Полезная разность температур ?tпград Температура кипения раствора tк=tг- ?tп град. Температура вторичного пара tвп=tк-( ?'+?") град Давление вторичного пара Pвп Мпа Температура греющего пара tг=tвп-?'"	Корпус
	1 2,364 8,1 179,0 16,34 162,66 157,67 0,5871	2 2,518 13,6 - 16,94 147,26 122,76 0,2007 156,67	3 2,937 50,0 - 19,62 113,28 73,59 0,0174 121,76

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q1=1,03(8,89*3,92(162,66-157,67)+2,364(2769-4,19*162,66))=5113

Q2=1,03(6,53*3,84(147,26-122,76)+2,518(2730-4,19*147,26))=5953

Q3=1,03(4,02*3,52(113,28-73,59)+2,937(2598-4,19*113,28))=6814

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам в Вт/(м2-К):

К1 = 1621, К2 = 1598, К3 = 1527

Распределение полезной разности температур:

?tп1=52,92*3,154/(3,154+3,725+4,462)=15,7 град.

?tп2=52,92*3,725/11,341=17,384 град.

?tп3=52,92*4,462/11,341=20,127 град.

Проверка суммарной полезной разности температур:

??tп=15,7+17,284+20,127=52,92 град.



Сравнение полезных разностей температур ?tп полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено ниже:

Корпус

1 2 3

?tп во 2-м приближении, град 15,7 17,28 20,1

?tп в 1-м приближении, град 15,8 16,94 19,62

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях не превышают 5 %.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F1=5002000/(1644*15,7)=182,1

F1=4904000/(1553*17,2)=182,5

F1=5466000/(1497*20,1)=181,9

По ГОСТ 11987--81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками (см. Приложение 4.2):

Номинальная поверхность теплообмена Fн 200 м 2

Диаметр труб d 38X2 мм

Высота труб Н 4000 мм

Диаметр греющей камеры dK 1200 мм

Диаметр сепаратора dc 2800 мм

Диаметр циркуляционной трубы d4 800 мм

Общая высота аппарата Hs 14 500 мм

Масса аппарата Мв 14 800 кг

4.2 Определение толщины тепловой изоляции

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

бв(tст2-tв)= (лн/дн)( tст1- tст2)

где бв= 9,3 + 0,058tст2-- коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2-К); tст2 -- температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, tст2 выбирают в интервале 35--45 °С, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время -- в интервале 0--10 °С; tст1 -- температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимают равной температуре греющего пара tг1, tв-- температура окружающей среды (воздуха), °С; лн-- коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м-К). Рассчитаем толщину тепловой'изоляции для 1-го корпуса:

бв=9,3+0,058*40=11,6Вт/(м2-К).

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85 % магнезии + 15% асбеста) [11], имеющий коэффициент теплопроводности лн = 0,09 Вт/(м-К). Тогда получим:

дн=0,09(179,0-40,00)/11,6(40,00-20,00)=0,053м

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,055 м и для других корпусов.

4.3 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 20 °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.

4.3.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды Gв определяют из теплового баланса конденсатора:

Gв=w3(lбк-свtк)/св(tк-tн)

где lбк -- энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tH--начальная температура охлаждающей воды, °С; tK -- конечная температура смеси воды и конденсата, °С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3--5 град. Поэтому конечную температуру воды tK на выходе нз конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

tк=tбк-3=53,9-3=50,9 град.

Тогда

Gв=2,937(2598000 - 4,19*103 *50,9)/4,19*103 (50,9-20)=54 кг/с



4.3.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d6K определяют из уравнения расхода

dбк=v4w3/(?с3,14)

где с-- плотность паров, кг/м3; v -- скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров v = = 15--25 м/с. Тогда

dбк=v4*2,937/(20*3,14*0,110)=1,3 м

По нормалям НИИХИММАШа [12] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром dбк=1600 мм (см. Приложение 4.5).

4.3.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [12], внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе

v=4(Gв+w3)/3,14сdбт2=4(54+2,937)/3,14*1000*0,32=0,805 м/с

Высота барометрической трубы

Нбт=В/св9,81+(1+Уо+ л*Нбт/dбт)v2в2/9,81+0,5

где В -- вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; Уо-- сумма коэффициентов местных сопротивлений; л -- коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5 -- запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

В =Pатм - Pбк = 9,8*104--1,6*104=8,2*104 Па

Уо=овх + овых = 0,5 + 1,0 = 1,5,

где овх , овых -- коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

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

Re=vвсвdбт/µв=0,805*0,3*1000/0,54*10-3=447000

Для гладких труб при Re = 447 000 коэффициент трения л= 0,013 получим:

Нбт= 8,2*104/1000*9,8+(1+1,5+0,013*Нбт/0,3) 0,8052/2*9,8+0,5

Нбт=9,7м



4. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА

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

Gвозд= 2,5*10-5 (w3 + GB) + 0,01w3

где 2,5*10-5 -- количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 -- количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда Gвозд= 2,5*10-5(2,937+ 54) +0,01*2,937 =30,7*10-3 кг/с.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Vвозд=R(273+tвозд)Gвозд/(МвоздРвозд)

где R -- универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К); Мвозд-- молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; tвозд -- температура воздуха, °С; Рвозд -- парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па. Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

tвозд=tн+4+0,1(tк-tн)=20+4+01(50,9-20)=27 град.

Давление воздуха равно:

Рвозд = Рбк - Рп,

где Рп -- давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд = 27 °С. Подставив, получим: Рвозд = 0,16*9,8*104 - 0,039*9,8*104= 1,18*104 Па.

Тогда:



Vвозд=8310(273+27)30,7*10-3/29*1,18*104 = 0,22 м3/с =13,4 м3/мин

Зная объемную производительность Vвозд и остаточное давление Рбк по каталогу [13] подбираем вакуум-насос типа ВВН-25 мощностью на валу N = 48 кВт (см. Приложение 4.6).

4.5 Расчет оптимального числа корпусов многокорпусной установки

В качестве критерия оптимальности могут быть приняты различные технико-экономические показатели, например стоимость единицы выпускаемой продукции, приведенный доход, приведенные затраты и другие. В частности, экономически оптимальное число корпусов многокорпусной выпарной установки можно найтн по минимуму приведенных затрат, которые определяют по формуле

П=К/ТН + Э, (4.27)

где К -- капитальные затраты, тыс. руб.; Э -- эксплуатационные затраты, тыс. руб/год; Тн -- нормативный срок окупаемости, который можно принять равным 5 годам.

Капитальные затраты, зависящие от числа корпусов п, складываются из стоимости всех корпусов -- пЦк, подогревателя исходного раствора -- Цп, вакуум-насоса -- Цвн, арматуры, трубопроводов, КИП и вспомогательного оборудования (например, конденсатоотводчиков) -- Ца а также затрат на доставку и монтаж оборудования, устройство площадки, фундамент, здание и пр.-- Цм.

С увеличением п наиболее существенно возрастает стоимость самих корпусов Цк вследствие роста температурных потерь во всей установке и непропорционального уменьшения полезной разности температур, приходящейся на один корпус. Растут также затраты на арматуру, трубопроводы, КИП и вспомогательное оборудование, а также затраты на доставку и монтаж оборудования. Эти затраты принято определять в долях стоимости основного оборудования. Для многокорпусной выпарной установки их можно приближенно принять равными 60--80 % от стоимости корпусов: Ц а+Ц м= = 0,7nЦк.

Другие слагаемые капитальных затрат изменяются с ростом числа корпусов менее значительно и при минимизации приведенных затрат их можно не учитывать. (В частности, стоимости подогревателя и насоса увеличиваются, так как с увеличением п растут температура и давление в первом крпусе. Стоимости же барометрического конденсатора и вакуум-насоса уменьшаются, так как уменьшается количество вторичного пара в последнем корпусе. В установках с принудительной циркуляцией раствора в стоимость установок должна быть включена стоимость осевых циркуляционных насосов. Однако она составляет незначительную долю от стоимости самих корпусов, и ее также можно не учитывать.

Таким образом, капитальные затраты, существенные для решения задачи выбора оптимального числа корпусов, определяются по уравнению

К = 1,7nЦк,.

Эксплуатационные расходы Э включают годовые амортизационные отчисления и затраты на ремонт, определяемые в долях от капитальных затрат коэффициентами Ка и КР, а также затраты на пар и электроэнергию:

Э = (Ка + КР) К + [ (D + Dп) Цd+ (nNцн + Nн + Nвн) Цэ] ф.

Для приближенных расчетов можно принять Ка = 0,1 год-1, КР=0,05 год-', число часов работы в год непрерывно действующего оборудования ф равным 8000 ч/год. В уравнении (4.29) Dн Dп -- расходы (в т/ч) пара, подаваемого в первый корпус установки и в предварительный подогреватель; Nцн, Nн и Nвн-- расходы электроэнергий (кВт), затрачиваемой циркуляционными насосами (см. Приложение 4.7), насосом подачи исходного раствора и вакуум-насосом; Цd и Цэ -- стоимости 1 т пара и 1 кВт-ч электроэнергии (тыс. руб.).

Наибольшие затраты приходятся на греющий пар D, подаваемый в первый корпус установки и в подогреватель Dп, причем с увеличением п достигается существенная экономия лишь пара на выпаривание, а расход пара на подогрев исходного раствора до температуры кипения даже несколько возрастает за счет увеличения давления в первом корпусе.

Расходы на электроэнергию в установках с принудительной циркуляцией раствора в корпусах возрастают пропорционально числу корпусов: nNцн, В установках с естественной циркуляцией они незначительны (только на подачу раствора в первый корпус и поддержание вакуума), мало зависят от числа корпусов и в расчетах приведенных затрат с целью оптимизации могут не учитываться.

Стоимость одного корпуса выпарной установки Цк определяется как произведение цены единицы массы аппарата на его массу. Цена единицы массы выпарного аппарата в рублях за 1 т определяется в соответствии с Прейскурантом № 23-03, 1981 г. (см. Приложение 4.8). Масса аппаратов (см. Приложение 4.2) зависит от их номинальной поверхности теплопередачи; ее принимают ближайшей к большей, полученной в результате технологического расчета. Массу труб Мтр в греющих камерах можно приближенно определить по уравнению: