Проектирование ТЭЦ

1. Введение 

      Выпарка представляет собой процесс удаления из раствора растворителя путем изменения  его агрегатного состояния, т.е. путем  превращения его в пар и  удаления его в таком виде из аппарата. При выпарке (кипении) раствора из него выделяются пары растворителя в практически чистом виде, а растворимое нелетучее остается в аппарате.

      Выпарные  аппараты широко применяются для  концентрирования растворов в химической, пищевой и других отраслях народного  хозяйства, для термического опреснения соленых вод, для снабжения предприятий греющим паром (за счет отбора вторичных паров), обеспечения котельных установок и других технологических промышленных потребителей горячими конденсационными водами.

      Существуют 3 метода выпаривания растворов:

1. Парообразование на поверхности теплообмена;
2. Адиабатное испарение, при котором концентрирование раствора осуществляется путем испарения перегретой жидкости, подаваемой в камеру, давление в которой ниже давления насыщения, соответствующего температуре поступающего в камеру жидкости.
3. Испарение при контакте с теплоносителем, т.е. без соприкосновения раствора с поверхностью нагрева.

     В химической промышленности наибольшее распространение получили выпарные установки поверхностного типа, которые  по технологическим признакам разделяют  на несколько групп:

     - по числу ступеней;

     - по давлению вторичного пара  в последней ступени;

     - по подводу первичной теплоты;

     - по технологии обработки раствора;

     - по относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора.

     Выпарной  аппарат должен удовлетворять технологическим и общеконструктивным требованиям и обладать оптимальными техническими и технико-экономическими показателями. 
 

2. Описание принципиальной схемы установки 

      Исходный  разбавленный раствор из промежуточной  емкости 13 центробежным насосом 12, подается в теплообменник 14, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем в первый корпус 11 выпарной установки. Предварительный нагрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

      Первый  корпус и теплообменник обогревается насыщенным водяным паром, поступающим из котельной. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 10. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус 7 обогревается вторичным паром второго и в нем проводится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

      Самопроизвольный  переток раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему за счет создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 3, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды из водоотборной системы к отсосам неконденсирующихся паров вакуум-насосом 5. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 4. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор поступает в сборник упаренного раствора, оттуда центробежным насосом 9 подается к потребителю. 

3. Тепловой расчет  выпарной установки 

      Расчет  выполняется с учетом следующих  допущений: температура конденсата, уходящего из корпуса, равна температуре  греющего пара; вторичный пар получается сухой и насыщенный; давление вторичного пара при переходе из корпуса в корпус не изменяется, т.е. пара не уменьшается; отсутствует вскипание раствора при переходе его из аппарата в аппарат; теплота дегидратации столь мала, что ею можно пренебречь; теплота конденсата предыдущей ступени не используется в последующих аппаратах выпарной установки; концентрацию кипящего раствора определяют при конечной концентрации. Конечной задачей теплового расчета является распределение полезной разности температур по корпусам.

      Так как расчет многокорпусной установки довольно сложен, то его выполняют методом последовательных приближений.

      Рассмотрим  первое приближение.

      Общее количество выпарной воды в выпарной установке определяется по формуле

где G_н – количество поступающего раствора, кг/с;

x_н, x_к – начальная и конечная концентрация раствора, %.

3.1. Расчет концентраций  упариваемого раствора  по корпусам 

      Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур Δt_пол необходимо знать распределение выпариваемой воды, концентраций раствора и их температур кипения по корпусам.

      Распределение концентраций раствора по корпусам установки  зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом корпусе. На основании практических данных производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением [5.1].

      Исходя  из этого, количество выпариваемой воды по корпусам будет соответствовать 

В первом корпусе  . 

Во втором корпусе   

В третьем корпусе

Концентрация  растворов, выходящих из каждого  корпуса, определяется по уравнениям: 

для первого  корпуса  

                         ;

для второго  корпуса  

                         ;

для третьего корпуса  

                         ,

что соответствует  заданию. 
 

3.2. Определение температур  кипения раствора  по корпусам

3.2.1. Распределение давлений  по корпусам установки 

Общий перепад давлений в установке

,

где р_гп – давление греющего пара, МПа,

р_бк – давление в барометрическом конденсаторе, МПа. 

Распределим общий перепад давлений по корпусам поровну [5.1, 5.2]:

Тогда абсолютные давления по корпусам будут равны:

что соответствует  заданию.

      По  вычисленным давлениям паров  находим их температуры и энтальпии  [5.5]: 

3.2.2. Определение гидравлической депрессии 

      Гидравлическая  депрессия обусловлена потерей  давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при  переходе из корпуса в корпус через  ловушки в аппарате. На основании  практических рекомендаций принимаем гидравлическую депрессию для каждого корпуса Тогда температура вторичного пара в корпусах равны:

      По  температурам вторичных паров находим  их давления и теплоты парообразования  по корпусам [5.3, 5.5]: 

Сумма гидравлических депрессий    
 
 
 

3.2.3. Определение гидростатической депрессии 

      Гидростатическая  депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора р_{ср i} каждого корпуса определяется по уравнению 

где - оптимальный уровень раствора в трубах;

- плотности раствора (при конечной  концентрации в аппарате) и воды  при температуре кипения, кг/м³;

H=l – высота труб, м. 

      Так как температуры кипения заранее неизвестны, то можно с достаточной степенью точности использовать плотности при температуре вторичного пара в аппарате.

      Для определения плотности раствора при заданной концентрации температуры воспользуемся формулой [5.3]: 

для первого  корпуса:

t_в.п.=150,87^оС, х=12,94%

- при х=12,94% [5.2, 5.3]

- плотность воды при температуре 25^оС [5.3]

[5.3, 5.9] 

. 

для второго  корпуса:

t_в.п.=128,28^оС, х=19,13%

- при х=19,13% [5.2, 5.3]

- плотность воды при температуре 25^оС [5.3]

[5.3, 5.9]

. 

для третьего корпуса:

t_в.п.=70,12С, х=40%

- при х=40% [5.2, 5.3]

- плотность воды при температуре 25^оС [5.3]

[5.3, 5.9]

. 

      Расчет плотностей раствора при температурах вторичных паров необходимо производить ввиду отсутствия опытных данных по теплофизическим свойствам раствора KOH при температуре, отличной от 20^оС.

      Для выбора высоты трубы Н=l необходимо ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_op, выбрать параметры аппарата по ГОСТ 11987-81 [5.1, 5.7, 5.2].

      Площадь поверхности теплопередачи ориентировочно определяется по формуле

где q – удельная тепловая нагрузка.

      При выборе типа выпарного аппарата руководствуемся тем, что заданный раствор КОН при упаривании образует незначительный осадок, удаляемый механическим путем. Выбираем выпарной трубчатый аппарат с естественной циркуляцией: тип 1 исполнение 2 [5.1].

      В связи с тем, что теплоотдача при кипении растворов еще не достаточно изучена, удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией принимаем q=20000..50000 Вт/м². Примем q=50000 Вт/м² [5.1, 5.2].

     Тогда ориентировочные площади по корпусам равны: 

     Принимаем по ГОСТ 11987-81 [5.1] выпарной аппарат с площадью поверхности теплопередачи F=450 м², длиной труб l=5м, диаметром труб 38х2 мм. 

Таким образом, давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны: 

Полученным  давлениям соответствуют следующие  температуры кипения [5.5]: 

Гидростатическая  депрессия по корпусам определяется как  .

. 

Сумма гидростатических депрессий  . 
 

3.2.4. Определение температурной депрессии 

      Температурная депрессия по корпусам при атмосферном  давлении определяется по данным табл. XXXVI 

      Температурная депрессия по корпусам с учетом давления в них определяется по формуле

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

      r – теплота парообразования воды при данном давлении p_ср, Дж/кг;

      - температурная депрессия при  атмосферном давлении. 

      .

     Сумма температурных депрессий

      . 

     Таким образом получается, что температура  кипения растворов по корпусам равна:

      . 

3.2.5 Определение полезной разности температур 

Общая полезная разность температур для всей установки:

. 

Полезная разность температур по корпусам:

. 
 

3.2.6. Определение тепловых нагрузок по корпусам 

      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: 

,

где 1,05; 1,03 –  коэффициенты, учитывающие потери теплоты  по корпусам в окружающую среду.

      Как видно из формул, для расчета необходима теплоемкость раствора, которая определяется по следующей формуле: 

, 

где  4190 кДж/кг – удельная теплоемкость воды;

      х – концентрация растворенного вещества, массовые доли;

С₁ – удельная теплоемкость безводного растворенного вещества, Дж/кг*К. 

      Удельную  теплоемкость химического соединения ориентировочно рассчитываем по уравнению:

где  М – молекулярная масса химического соединения;

      с – его массовая удельная теплоемкость, Дж/кг*К;

      n₁, n₂ – число атомов элементов, входящих в соединение;

      С₁, С₂ – атомные теплоемкости, Дж/кг*атом*К. 

Для удобства расчета  запишем исходные данные для расчета: 

      Температуру исходного раствора в 1-м корпусе  принимаем при условии недогрева  его до температуры кипения в ТОА.

      Решаем  систему уравнений для тепловых нагрузок по корпусам: 
 
 
 

Решение системы  уравнений дает следующие результаты: 

      Так как расхождение между вычисленными значениями нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе и предварительно принятым не превышают 5%, пересчитывать  параметры процесса не будем. 

      Определим тепловые нагрузки по корпусам: 

Полученные величины сводим в табл.1. 

Таблица 1

Параметры растворов по корпусам 

3.2.7 Расчёт коэффициентов  теплопередачи

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

     Примем, что суммарное термическое сопротивление  равно термическому сопротивлению  стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. В качестве материала стенки выбираем сталь марки X17, [5.12]. Получим:

      .

     Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося  пара к стенке равен [5.2]:

где - теплота конденсации греющего пара, ;

- соответственно плотность,  вязкость и теплопроводность  конденсата при средней температуре  плёнки;

, где  - разность температур конденсации пара и стенки;

     Расчёт  ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем .

;

 [5.3];

[5.3];

[5.3];

[5.5].

     Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

где - удельная тепловая нагрузка, ;

- перепад температур на стенке, ;

- разность между температурой  стенки со стороны раствора  и температурой кипения раствора, . 

Рис. 1. Распределение температур в процессе теплопередачи то пара к кипящему раствору через многослойную стенку:

1 – пар; 2 – конденсат; 3 – стенка; 4 – накипь; 5 – кипящий раствор. 

          .

Тогда

      .

     Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора [5.2] равен: