Двухкорпусной выпарной аппарат производительностью 9 т/ч исходного раствора NaОН. Начальная концентрация 10%, конечная 30%. Раствор поступает при температуре кипения. Давление греющего пара 0,25 МПа, давление в БК 0,03 МПа.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

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

      Этот  процесс подучил широкое распространение  в химической промышленности, в связи с тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др. получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

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

      Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении.

      Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых  очень разнообразны, что значительно  усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

      Выпарные  аппараты с паровым обогревом  состоят из двух основных частей:

             - кипятильник (греющая камера) в  котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

             - сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

        В зависимости от характера  движения кипящей жидкости в  выпарном аппарате различают:

            - выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

            - выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

            - выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;  

      - пленочные выпарные: аппараты.

      Выпарные  аппараты с естественной циркуляцией  отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.

      Раствор, находящийся в кипятильных трубках  закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

      Существует  несколько типов аппаратов с  естественной циркуляцией: с центральной; циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т.д.

      Выпарные  аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение  из-за простоты конструкции и легкоти  очистки и ремонта. В тоже время  наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность  циркуляции.

1. Выбор конструкции  аппарата

Так как при  упаривании раствора NaOH возможно выделение незначительного осадка, удаляемого механическим путем, то выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой – тип 1 исполнение 2 ГОСТ 11987 – 81 [3c.182].

2. Выбор конструкционного материала

      Так как водный раствор NaОН при температуре кипения является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632 – 72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 °С.

3. Технологическая схема

Рис. 1 Технологическая  схема двухкорпусной выпарной установки. 

      Исходный  раствор  центробежным насосом Н  подается в кожухотрубный теплообменник ТО, где нагревается до  температуры кипения и поступает в первый корпус выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой ВА1. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации  греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в линию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упаренный раствор из 1-го корпуса поступает во второй корпус ВА2 выпарного аппарата. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар из первого корпуса подается во второй в качестве греющего пара, а вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор БК, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.

4. Материальный расчет

1. Производительность установки по выпариваемой воде:

      W = G_н(1 – х_н/х_к) = 2,50(1 –10/30) = 1,67 кг/с,

 где  G_н = 9000/3600 = 2,50 кг/с – массовый расход исходного раствора.

2. Производительность  установки по упаренному раствору:

      G_к = G_н – W = 2,50 – 1,67 = 0,83 кг/с.

3. Распределение количества выпариваемой воды по корпусам

      Принимаем, что w₁:w₂ = 1:1,1, тогда

      w₁ = 1W/(1+1,1) = 1×1,67/2,1 = 0,79 кг/с

      w₂ = 1,1W/(1+1,1) = 1,1×1,67/2,1 = 0,88 кг/с

4. Концентрация  раствора по корпусам

x₁ = G_нх_н/(G_н – w₁) = 2,50×0,10/(2,50 – 0,79) = 0,15 = 15%

x₂ = G_нх_н/(G_н – w₁ – w₂) = 2,50×0,10/(2,50 – 0,79 – 0,88) = 0,30 = 30%

5. Температура кипения раствора

3. Перепад давлений

Общий перепад  давлений в установке:

DР_об = Р_г1 – Р_вп2 = 0,25 – 0,03 = 0,22 МПа

Принимаем, что  перепад давлений между корпусами  распределен как 1:1, тогда

Р_г1 = 0,25 МПа ® t_г1 = 127,4 °С,

Р_г2 = 0,25 – 0,220×1/2 = 0,140 МПа ® t_г2 = 109,3 °С,

Р_бк2 = 0,030 МПа ® t_бк = 69,1 °С,

4. Гидродинамическая депрессия

Принимаем гидростатическую депрессию D``` = 1°С, тогда температура и давление вторичного пара:

      t_вп1 = t_гп2 + D``` = 109,3 + 1 = 110,3 °С ® Р_вп1 = 0,145 МПа,

      t_вп2 =  t_бк2 +D``` = 69,1+1 = 70,1 °С ® Р_вп1 = 0,031 МПа,

5. Гидростатическая  депрессия

      Оптимальная высота раствора в трубках:

      h_опт = Н[0,26+0,0014(r – r_в);

      где Н = 4 м – высота кипятильных трубок;

             r₁ = 1117 кг/м³ – плотность раствора [2 c. 90];

             r₂ = 1190 кг/м³;

      h_опт1 = 4[0,26+0,0014(1117 – 957)] = 1,94 м.

      h_опт2 = 4[0,26+0,0014(1190 – 977)] = 2,23 м.

      Давление  в среднем слое раствора:

      Р_ср= Р_вп + 0,5h_оптrg

      Р_ср1= 0,145×10⁶ + 0,5×1,94×1117×9,8 = 0,156 МПа,

      Р_ср2= 0,031×10⁶ + 0,5×2,23×1190×9,8 = 0,044 МПа,

Этим  давлениям соответствуют следующие  температуры и теплоты испарения  [1c.550]:

      P_cp1 = 0,156 МПа ® t_cp1 = 112,5 °C,  r_вп1 = 2223 кДж/кг,

      P_cp2 = 0,044 МПа ® t_cp2 =  78,2 °C, r_вп2 = 2313 кДж/кг.

      Гидростатическая  депрессия:

      D₁`` = t_cp1 – t_вп1 = 112,5 – 110,3 = 2,2 °С.

      D₂`` = t_cp2 – t_вп2 = 78,2 – 70,1 = 8,1 °С.

      SDt``= 2,2+8,1 =10,3°С.

6. Температурная депрессия

где D`_ат – температурная депрессия при атмосферном давлении,

      D₁`<sub>ат</sub> = 5,5 °С,                D<sub>2</sub>`_ат =17,0 °С   [1 c.535],

      D₁` = 16,2(273+112,5)²×5,5/2223000 = 6,0 °C.

      D₂` = 16,2(273+ 78,2)²×17/2313000 =14,7 °C.

      SDt`= 6,0+14,7 = 20,7 °С.

7. Температура кипения растворов

      t_к1 = t_г2+D₁``` +D₁``+D₁` = 109,3+1+2,2+6,0 = 118,5 °C,

      t_к2 = t_вп2+D₂``+D₂` = 70,1+8,1+14,7 = 92,9 °C.

8. Полезная  разность температур

      Dt_п1 = t_гп1 – t_к1 = 127,4 – 118,5 = 8,9 °С,

      Dt_п2 = t_гп2 – t_к2 = 109,3 – 92,9 = 16,4 °С,

      SDt_п = Dt_п1 + Dt_п2 = 8,9+16,4 = 25,3 °С.

      Проверяем полезную разность температур

      SDt_п = t_г1 –t_бк – (SDt```+ SDt``+SDt`) =

      127,4 – 69,1 – (20,7+10,3+2) = 25,3 °С.

6. Тепловые  нагрузки корпусов

Составляем  тепловые балансы по корпусам и баланс по воде

Q₁ = D(I_гп1 – i₁) = [w₁(I_вп1 – с_вt_к1)](1+m),

Q₂ = w₁(I_гп2 – i₂) = [(G_н – w₁)c₁(t_к2 – t_к1) + w₂(I_вп2 – с_вt_к2)](1+m),

W = w₁+w₂.

где D – расход греющего пара,

       с₁ = 3,56 кДж/кг×К – теплоемкость раствора после 1-го корпуса,

       Энтальпии пара и жидкости [1c. 550]:

       I_гп1 = 2716 кДж/кг, i₁ = 535 кДж/кг,

       I_гп2 = I_вп1 = 2692 кДж/кг, i₁ = 462 кДж/кг,

       I_вп2 = 2625 кДж/кг.

       с_в = 4,19 кДж/кг×К – теплоемкость воды [1 c. 537],

          m = 3% – коэффициент, учитывающий тепловые потери.  

Q₁ = D(2716-535)=1,03[w₁(2692-4,19×118,5)]

Q₁ = w₁(2692-462)=1,03[(2,50-w₁) 3,56(92,9-118,5)+w₂(2625-4,19×92,9)]

1,67 = w₁+w₂ 

Решая данную систему, получаем:

w₁ = 0,81 кг/с,   Q₁ = 1831 кВт,

w₂ = 0,86 кг/с,   Q₂ = 1806 кВт,

D = 0,84 кг/с

7. Поверхность теплообмена

3. Тепловое  сопротивление стенки

где d_ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

             l_ст=17,5 Вт/м×К – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

             r₁=r₂=1/5800 м×К/Вт– тепловое сопротивление загрязнений[1 .531];

      S(d/l) = 0,002/17,5 + 1/5800 + 1/5800 = 4,6×10^-4 м×К/Вт.

4. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (первый корпус)

      где m₁ = 0,218×10^-3 Па×с – вязкость конденсата [1 c.537];

       l₁ = 0,684 Вт/м×К – теплопроводность конденсата;

             r₁ = 937 кг/м³ – плотность конденсата;

      Dt₁ – разность температуры конденсации пара и температуры стен-

       ки со стороны пара, предварительно принимаем Dt₁ = 1 °C;

      a₁ = 2,04(0,684³×937²×2181000/0,218×10^-3×1×4)^0,25 =10503 Вт/м²×К.

Для установившегося процесса теплопередачи  справедливо уравнение для удельного теплового потока:

      Dt_ст = a₁Dt₁S(d_cт/l_ст) =10503×1×4,6×10^-4 = 4,8 °С,

      Dt₂ = Dt_п  – Dt₁ – Dt_ст = 8,9 – 4,8 – 1 = 3,1 °С.

5. Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору

      a₂ = Aq^0,6

      Теплофизические свойства кипящих растворов NaОН

A = 780×0,731^1,3×1117^0,5×1,236^0,06/[0,082^0,5×2223000^0,6×0,579^0,66×3560^0,3×(0,52×10^-3)^0,3] = 11,4

      a₂ = A(a₁Dt₁)^0,6 = 11,4(10503×1)^0,6 = 2944 Вт/м²×К.

      Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

      q₁ = a₁Dt₁ =10503×1 = 10503 Вт/м²,

      q₂ = a₂Dt₂ = 2944×3,1 = 9127 Вт/м².

      q₁ ¹ q₂  принимаем Dt₁ = 0,9 °С, тогда

      a₁ =10503(1/0,9)^0,25 = 10783 Вт/м²×К.

      Dt_ст = a₁Dt₁S(d_cт/l_ст) =10783×0,9×4,6×10^-4 = 4,5 °С,

      Dt₂ = Dt_п  – Dt₁ – Dt_ст = 8,9 – 4,5 – 0,9 = 3,5 °С.

      a₂ = A(a₁Dt₁)^0,6 = 11,4(10783×0,9)^0,6 = 2812 Вт/м²×К.

      Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

      q₁ = a₁Dt₁ =10783×0,9 = 9705 Вт/м²,

      q₂ = a₂Dt₂ = 2812×3,5 = 9844 Вт/м².

      Условие q₁ » q₂ выполняется.

6. Коэффициент теплопередачи для первого корпуса

      К = 1/(1/10783+ 4,6×10^-4 + 1/2812) = 1100 Вт/м²×К.

7. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (второй корпус)

Принимаем предварительно Dt₁ = 2 °С.

      a₁ = 2,04(0,682³×951²×2231000/0,256×10^-3×2×4)^0,25 = 8577 Вт/м²×К.

      Dt_ст = a₁Dt₁S(d_cт/l_ст) = 8577×2×4,6×10^-4 = 7,9 °С,

      Dt₂ = Dt_п  – Dt₁ – Dt_ст = 16,4 – 7,9 – 2 = 6,5 °С.

8. Коэффициент теплопередачи от стенки к раствору

A = 780×0,732^1,3×1190^0,5×0,199^0,06/[0,095^0,5×2313000^0,6×0,579^0,66×3320^0,3×(1,18×10^-3)^0,3] = 9,81