Процессы и аппараты химических технологий

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ                                5

1 РАСЧЕТ ДВУХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ                              7

1. Расчет установки               7

1.1.1 Расчет в первом  приближении             7

1.1.2. Расчет во втором приближении        16  1.2 Расчет выпарного аппарата        17

1.3. Расчет барометрического  конденсатора         19

1.4. Выбор вакуум-насоса          21

1.5. Расчет подогревателя  исходного раствора       22

1.6. Подбор емкости  для концентрированного раствора       23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ              24

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ        26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Выпариванием называется процесс концентрирования растворов  твердых нелетучих или малолетучих  веществ путем испарения при  кипении летучего растворителя и  отвода образовавшихся паров. Этот процесс широко используется в химической промышленности. В целлюлозно-бумажной промышленности выпаривание применяется для концентрирования растворов отработанных щелоков при регенерации химикатов, в производстве химических волокон  - для концентрирования мерсеризационной щелочи NaOH - при выработке вискозного волокна, для концентрирования капролактама – при выработке капроамидного волокна, для упаривания раствора радонита натрия при получении волокна «нитрон» и т.д.

Процесс выпаривания  может производиться непрерывно или периодически. Аппараты периодического действия используются в основном в производствах малого масштаба. В крупнотоннажных производствах применяются действующие непрерывно выпарные установки, поверхность нагрева которых достигает 6 000-10 000 м². При таких размерах решающим фактором, который определяет экономичность установки, является расход греющего пара.

Основным методом экономии греющего пара является метод многократного выпаривания, сущность которого заключается в том, что выпаривание протекающего раствора проводится в нескольких последовательно соединенных аппаратах, т.е. в многокорпусных установках. Раствор во всех аппаратах, кроме первого, выпаривается за счет тепла вторичных паров, поступающих из предыдущего корпуса. Этим достигается значительная экономия греющего насыщенного водяного пара.

Многократное выпаривание  можно осуществить при использовании  греющего пара высокого давления, либо при использовании вакуума в выпарной установке.

Давление в корпусах установки должно поддерживаться таким, чтобы температура поступающего в корпус вторичного пара была выше, чем температура кипения раствора в этом корпусе. Оптимальное давление греющего пара в последнем корпусе определяется технико-экономическим расчетом.

Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому требуется греющий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяется для концентрирования термически стойких растворов.

При выпаривании под  избыточным давлением требуется автоматическое регулирование давление пара и плотности упаренного раствора, но установка в целом несколько упрощается, так как отпадает необходимость в постоянно действующем барометрическом конденсаторе.

Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора на прямоточные, противоточные и комбинированные.

Противоточные установки  в основном используются для выпаривания 

растворов, вязкость которых  резко увеличивается с увеличением  концентрации, а также, если возможно выпадение твердого вещества из раствора в последнем корпусе. Для перемещения раствора из корпуса в корпус используются насосы.

Преимуществом прямоточной  схемы является то, что раствор  самотеком перетекает из корпуса  с более высоким давлением в корпус с меньшим давлением. Недостатком прямоточных установок является низкий средний коэффициент теплопередачи, по сравнению с противоточными конструкциями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. РАСЧЕТ ДВУХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

 

 

ЗАДАНИЕ. Рассчитать двухкорпусную прямоточную выпарную установку для выпаривания 2750 кг/ч мерсеризационной щелочи NaOH от начальной концентрации 7 % до 40% (масс). Давление греющего пара в первом корпусе 0,4 МПа. Остаточное давление в конденсаторе 0,02 МПа. Раствор подается в выпарной аппарат при температуре кипения. Выпарные аппараты трубчатые с естественной циркуляцией, тип 1 А по ГОСТ 11987-66.

 

 

1.1 Расчет установки

 

Расчет двухкорпусной  прямоточной установки, схема которой  приведена на рис. 1, производим методом  последовательных приближений. В первом приближении предварительно задаемся неизвестными необходимыми величинами, значения которых уточняются в результате расчета.

 

1.1.1 Расчет в первом приближении

 

1. Количество воды, выпариваемое установкой:

                    

,                  (1.1)

где - количество исходного раствора, кг/ч;

  - начальная и конечная концентрации раствора, масс. %.

Количество упаренного раствора:

                      

.      (1.2)

2. Количества воды, выпариваемое в каждом корпусе, принимаем предварительно одинаковыми, т.е:

                                                           (1.3)

3. Концентрация растворов по корпусам.

Полагая, что в выпарном аппарате происходит идеальное перемешивание раствора, концентрация на выходе из аппарата будет равна средней концентрации в аппарате:

в первом корпусе               (1.4)

во втором корпусе 

4. Общая разность температур:

                               (1.5)

где - температура греющего пара в первом корпусе, ^оС;

- температура вторичного пара  на входе в конденсатор, ^оС.

Температуры определяются по заданным давлениям пара по таблицам для насыщенного водяного пара.

5. Полезная разность температур для всей установки

                       

.                              (1.6)

Депрессионные потери по корпусам определяем по таблицам, зная концентрации растворов в каждом корпусе.

Пересчет депрессионных потерь для давления в аппарате, отличного  от атмосферного, производится по формуле Тищенко:

                              

,                                          (1.7)

где Т – температура кипения растворителя, ^оК;

r  - теплота парообразования при температуре кипения растворителя, кДж/кг (по таблице насыщенного водяного пара);

   - температурная депрессия при атмосферном давлении.

Температурная депрессия в первом корпусе при концентрации NaOH 11,9%  -   .

Температурная депрессия во втором корпусе при концентрации NaOH 40% и при избыточном давлении 0,02 МПа составляет:

                              ,          

где Т = 273 +60 = 333 ^оК.

Общие температурные  депрессии составят

                                        

6. Потери от гидростатического эффекта определяются как

,            (1.8)

где - температура кипения растворителя посередине греющих труб, т.е. при давлении ;

  - температура кипения растворителя при давлении ;

  - давление вторичного пара над раствором, МПа ;

  - гидростатическое давление в растворе у середины греющих труб, равное:

                                       ,           (1.9)

 

.          (1.10)

Здесь: - расстояние от уровня раствора в аппарате до трубной решетки, м ;

- длина греющих труб, м ;

  - плотность парожидкостной  эмульсии в греющих трубах, кг/м³ :

                                       ,         (1.11)

где     - плотность раствора, которую определяем по концентрации раствора.

Принимаем по ГОСТ 11987-66 греющие  трубы размером 38 х 3 мм и длиной 3 000 мм,  а h_изд = 200 мм, тогда

                                           ,         (1.12)

                                  ,      

                              .      

Перепад давления пара в  каждом корпусе предварительно принимаем равным:

                                 ,      (1.13)

где - давление греющего пара в первом корпусе, МПа;

      - давление вторичного пара во втором корпусе, предварительно принимаем равным давлению пара в конденсаторе, МПа.

Давление вторичных  паров:

в первом корпусе:     ,       (1.14)

во втором корпусе:    .          (1.15)

Давление растворов  у середины греющих труб:

в первом корпусе:  ;    (1.16)

во втором корпусе: .      (1.17)

Температуры кипения  растворителя определяем по таблицам насыщенного водяного пара при давлениях и .

 

 

Гидростатические  потери:

в первом корпусе:   ;       (1.18)

во втором корпусе: .       (1.19)

7. Общие потери за счет гидростатического эффекта:

                             .         (1.20)

В выпарных установках гидравлические потери при прохождении пара из парового пространства аппарата в греющую  камеру следующего составляют 1,0 – 1,5 ^оС.

       Тогда общие гидравлические потери составят:

                                     (1.21)

8. Полезная разность температур в двухкорпусной установке:

                     

9. Распределение суммарной полезной  разности температур по корпусам  производим из условия взаимозаменяемости  корпусов, т.е., чтобы  F1=F2.

Предварительно принимаем тепловые нагрузки, равными для всех корпусов: Q1=Q2, и задаемся соотношениями коэффициентов теплопередачи по корпусам:

.         (1.22) Тогда для первого корпуса:

                          ;        (1.23)

для второго корпуса:

                          .                (1.24)

 

         10. Вычислив полезную разность температур в каждом корпусе, можно определить температуры кипения растворов и вторичных паров.

Температура кипения  растворов у верхнего уровня в 1 корпусе:

                   .       (1.25)

Температура вторичного пара в первом корпусе:

                          .       (1.26)

Температура вторичного пара, поступающего во второй корпус:

                              .       (1.27)

Температура кипения  раствора у верхнего уровня во втором корпусе:

                 .      (1.28)

Температура вторичного пара во втором корпусе:

                         .       (1.29)

По температурам паров  находим по таблицам для насыщенного  водяного пара давления и энтальпии  паров, а по концентрациям – теплоемкости растворов. Полученные результаты расчетов - параметры паров и растворов по корпусам - сводим в таблицу 1.

11. Определяем из теплового  баланса расход греющего пара  во втором корпусе – D_i = D₂.

Тепловые потери в  окружающую среду для обоих корпусов принимаем предварительно равными 3 %. Тогда

           (1.30)

 

 

 

 

 

Таблица 1.1  -  Параметры выпарной установки

№ ПП	Наименование параметров	Корпуса
		1	2
1	Концентрация раствора, Х, масс. %	11,9	40
2	Температура греющего пара, t, 0C	142,9	132,92
3	Полезная разность температур, tср, 0C	8,8	12,6
4	Температура кипения  раствора у середины греющих труб, tкс, 0С	131,56	80,15
5	Температура кипения  раствора на уровне греющих труб, tк, 0С	128,12	99,87
6	Гидростатические потери, , 0С	5,98	20,45
7	Температурная депрессия, , 0С	4	38,3
8	Температура вторичного пара, tВП , 0С	138,9	91,07
9	Давление греющего пара, Р, МПа	0,4	0,314
10	Энтальпия греющего пара, i’’, кДж/кг	2 744	2154,04
11	Теплосодержание конденсата, i’, кДж/кг	601,1	471,9
12	Давление вторичного пара, РВП , МПа	0,365	0,083
13	Энтальпия вторичного пара, i’’ВП, кДж/кг	2503,9	2460
14	Теплоемкость раствора, С, кДж/кг 0С	4,4	3,28
15	Интегральная теплота растворения, NaOH, кДж/кг	109,5	530

 

Количество тепла, расходуемое  на выпаривание раствора во втором корпусе:

.     (1.31)

 

 

12. Коэффициент теплопередачи от  конденсирующего насыщенного водяного пара к кипящему раствору определяется по формуле:

                                               (1.32)

где - коэффициент теплоотдачи от конденсирующего насыщенного водяного пара к греющим трубам,  Вт/м^2.0С, кДж/м^2.час^.0С ;

- коэффициент теплоотдачи от  стенок греющих труб к кипящему раствору, Вт/м^2.0С, кДж/м^2.час^.0С ;

-толщина накипи на стенках  греющих труб, м ;

-толщина стенок греющих труб, м ;

-теплопроводность накипи, Вт/м^.0С, кДж/м^.час^.0С ;

-теплопроводность греющих труб, Вт/м^.0С , кДж/м^.час^.0С .

Значения коэффициентов  теплоотдачи от конденсирующегося  насыщенного пара к стенкам труб в греющих камерах выпарных аппаратов изменяются в пределах от 9 000 до 15 000 Вт/м^{2 . 0}С и не оказывают значительного влияния на коэффициент теплопередачи, величина которого определяется коэффициентом теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору и термическими сопротивлениями материала греющих труб и накипи. Принимаем значения коэффициентов теплоотдачи и среднюю толщину накипи = 
= 0,0005 м, коэффициент теплопроводности накипи = 2,32 Вт/м²×⁰С.

Для стальных греющих труб размером 38 х 3,0 мм (сталь марки Ст. 3) коэффициент теплопроводности .

Коэффициент теплоотдачи от стенок греющих труб к кипящему раствору изменяется в пределах 700-15 000 Вт/м^2.ОС в зависимости от концентрации раствора. С увеличением концентрации раствора - снижается. Рекомендуется принимать для растворов концентраций:

 

С_Р = 15-25%      -      = 2 500 – 2 000 Вт/м^2.ОС ,

С_Р = 25-35%      -      = 2 000 – 1 500 Вт/м^2.ОС ,

С_Р > 35%           -       = 1 500 – 700 Вт/м^2.ОС .

Предварительно принимаем коэффициент  равным =1000 Вт/м^2.ОС.

Определяем коэффициент  теплопередачи от конденсирующегося  насыщенного водяного пара к кипящему 40% раствору NaOH:

             .     

Удельная тепловая нагрузка во втором корпусе:

                      .       (1.33)

По уравнению:

                          ,                           (1.34)

проверяем принятый коэффициент  теплоотдачи от стенок греющих труб к кипящему раствору:

                 ,     

который совпадает здесь  с принятым ранее.

Здесь: - коэффициент, зависящий от свойств раствора, определяемый по экспериментальным данным [1].

13. Поверхность нагрева  второго корпуса определяется  из уравнения:

                      ,          (1.35)

где 0,278 – переводной коэффициент, кДж/ч^.Вт.

Количество воды, выпариваемой в 1 корпусе:

.        

Количество раствора, поступающего из первого во второй корпус:

                          .       (1.36)

Расход греющего пара, поступающего в первый корпус, учитывая, что будет равен:

          

Количество тепла, расходуемое  на выпаривание раствора в первом корпусе:

                      .      

Коэффициент теплопередачи  в первом корпусе определяем, исходя из принятого условия, что Q₁ = Q₂  и распределения полезной разности температур по корпусам:

                       .       (1.37)

Поверхность нагрева  первого корпуса в первом приближении:

                                 .        

Количество воды, выпариваемое установкой, по результатам расчета  в первом приближении составит

                          .       (1.38)

Рассчитанное количество выпариваемой воды оказалось меньше, чем следует по заданию, а поверхности нагрева выпарных аппаратов отличаются друг от друга на 23,7%.

14. Для получения более  точных значений поверхностей  нагрева проводим расчет во  втором приближении, принимая  за исходные данные результаты первого приближения.

 

1.1.2. Расчет во втором приближении

 

Для этого делаем перерасчет количеств выпариваемой воды по корпусам, учитывая, что

Тогда количество воды, выпариваемое в первом корпусе:

                          ,        

во втором корпусе:

                          .        

 

В результате расчета  во втором приближении получим поверхности  нагрева:

в первом корпусе: ,

во втором корпусе: ,

которые отличаются друг от друга менее, чем на 3 %.

Средняя поверхность  нагрева:

                               .        

Удельный расход  греющего пара:

                              .         (1.39)

 

 

  1.2 Расчет выпарного аппарата

 

 По рассчитанной  поверхности нагрева и в соответствии  с ГОСТ 11987-66 определяем основные размеры выпарных аппаратов.

1. Количество греющих труб в выпарных аппаратах:

                    ,           (2.1)

где d_СР = 0,035 м – средний диаметр труб;

h_ТР = 3,0 м – длина труб.

Таким образом, в греющей  камере должны быть расположены 227 труб размером 38 х 3 х 3000 мм. Разбивку и размещение трубок выполняем согласно ГОСТ 11987-66 . Располагаем трубы по вершинам правильных шестиугольников. Шаг разбивки t = 48 мм.

 

Количество труб, расположенных  по диагонали наибольшего шестиугольника:

                          .           (2.2)

Диаметр греющей камеры:

                   ,         (2.3)

где d_Н – наружный диаметр греющих труб, м.

Площадь поперечного  сечения греющей камеры:

                                      (2.4)

Площадь поперечного  сечения циркуляционной трубы:

                                          (2.5)

Диаметр циркуляционной трубы:

                                           (2.6)

Выбираем по ГОСТ 11987-66 ближайшие диаметры греющей камеры и циркуляционной трубы к рассчитанным:

                                          D_К = 1000мм ,

                                          D_Ц = 700 мм .

2. Расчет парового пространства сепаратора.

Объем парового пространства:

,          (2.7)

где W_II – количество выпаренной воды во втором корпусе, равное количеству вторичного пара, поступающему в конденсатор, кг/час ;

-  плотность пара при Р_ВТII, кг/м³ ;

   -  напряжение парового  пространства, м³/м³ч.

Напряжение парового пространства определяется в зависимости от давления в аппарате. Причем, с увеличением давления напряжение парового пространства уменьшается.

Исходя из условия  взаимозаменяемости выпарных аппаратов, определяем объем парового пространства во втором корпусе, т.е. при Р_ВТII = 0,018 МПа.

При этом давление = 0,104 кг/м³.

Напряжение парового пространства при давлении 0,01-0,02 МПа при кипении растворов принимается в пределах 16000-10000 м³/м³ч.

Принимаем:

Диаметр сепаратора определим  по допустимой скорости пара в сепараторе:

.                            (2.8)

Тогда диаметр сепаратора определяется по формуле:

  ,                            (2.9)

при W_П = 3,5 м/с,

                                                        (2.10)

По ГОСТ 11987-66 принимаем  диаметр сепаратора D_С =1200 мм.

Высота парового пространства практически принимается в пределах: Н = (1,0-1,25) D_С. Принимаем высоту парового пространства Н = 1000 мм.

 

1.3. Расчет барометрического конденсатора

 

1. Расход охлаждающей  воды:

                                  ,                            (3.1)

где t_ВК, t_ВН – конечная и начальная температуры охлаждающей воды, ⁰С ;

i   -  энтальпия вторичного пара, кДж/кг ;

С_В-  теплоемкость воды, кДж/кг^.0С.

Принимаем, что t_ВК = t_КОНД – 3,0 = 60 – 3,0 = 57 ⁰С , t_ВН  = 20 ⁰С,

                                   

 

2. Диаметр барометрического конденсатора:

                             ,          (3.3)

где     - плотность пара при температуре конденсации t_КОНД ;

W_ПК – скорость пара в конденсаторе, которая принимается W_ПК = 30-50 м/с, = 0,0979кг/м³ – при температуре конденсации t_КОНД= 57 ⁰С.

Тогда

                       .

По таблице  выбираем D_Б = 500 мм.

3. Диаметр барометрической  трубы:

                                 ,                            (3.4)

где W – скорость воды в барометрической трубе, принимаемая  1,0-1,2 м/с.

                          .

По таблице и ГОСТ 8734-58 принимаем трубу Ǿ 125 х 3 мм.

4. Высота барометрической  трубы:

.                            (3.5)

Высота столба в барометрической  трубе:

                            ,                            (3.6)

где В – разряжение в конденсаторе, мм рт.ст.

 

Высота столба воды, создающего динамический напор:

                                 ,           (3.7)

при Re ≤ 10⁵     .

Принимаем = 0,026;  Н_I = h _З + 0,5 м ;

                    

                           Н = 8,78 + 0,24+ 0,5 = 9,52 м.

 

1.4. Выбор вакуум-насоса

 

Количество воздуха, отсасываемого  из конденсатора:

                      ,                            (4.1)

                  .

Объем отсасываемых газов:

                     ,          (4.2)

где t_Г – температура воздуха, отсасываемого из конденсатора.

                         ,                             (4.3)

t_ВК, t_ВН   -  конечная и начальная температуры охлаждающей воды, ^ОС:

                       t_Г = 20 + 0,1(57 – 20) = 23,7 ^ОС;

Р = Р_К – Р_П  - парциальное давление отсасываемого воздуха;         (4.4)

Р_К – давление в конденсаторе, МПа;

Р_П – парциальное давление пара в воздухе, которое принимается равным давлению насыщенного пара при t_Г, МПа.

В нашем случае: Р_П = 0,00309 МПа.

Тогда Р_Г = 0,015 – 0,00309 = 0,0119 МПа.

Объем отсасываемых газов:

                   

Для отсасывания рассчитанного  количества газов устанавливаем  водокольцевой  вакуум-насос  ВВН-0,75  по  ГОСТ  1867-57.

 

1.5. Расчет подогревателя исходного раствора

 

Поверхность нагрева  подогревателя:

                                         ,          (5.1)

где Q – тепло на подогрев раствора до температуры кипения.

            ,         (5.2)

здесь t_Н – начальная температура, равная температуре раствора в хранилище, ⁰С;

 t_Н1 – температура кипения раствора при концентрации Х_Н=7 % масс:

 t_Н1= 102 ⁰С.

Начальную температуру  принимаем t_Н = 20 ⁰С.

Средняя движущая сила

              .         (5.3)

Коэффициент теплопередачи  К от конденсирующегося пара к  раствору принимается в пределах от 800 до 3 500 Вт/м^2.0С. Принимаем К = 1000 Вт/м^2.0С = 3600 кДж/м^2.ч^.0С .

Поверхность нагрева: