Расчет и проектирование выпарной установки

ВВЕДЕНИЕ

 

Выпаривание - процесс  концентрирования растворов твердых  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.

Процесс выпаривания  относится к числу широко распространенных. Это объясняется 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.   

В химической технике  используют следующие основные способы  выпаривания: простое выпаривание, многократное выпаривание, осуществляемое только непрерывно, и выпаривание с применением теплового насоса, Два последних способа проведения процесса обеспечивают наибольшую экономию тепла и поэтому имеют преобладающее значение.

При многократном выпаривании  в качестве греющего используют вторичный  пари, следовательно, достигается значительная экономия тепла. Проведение подобного процесса возможно либо при использовании греющего пара высокого давления, либо при применение вакуума.

Сущность процесса многократного  выпаривания состоит в том, что  он проводится в нескольких соединенных последовательно аппаратах, давление в которых поддерживают так, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог, использован как греющий пар в последующем аппарате. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ  СХЕМА УСТАНОВКИ

 

 

Рисунок 1. – Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:

1 – емкость исходного  раствора; 2,10 – насосы; 3 – теплообменник  подогреватель;

4,5,6 – выпарные аппараты; 7 –барометрический конденсатор; 8 –  вакуум насос; 

9 – гидрозатвор; 11 –  емкость упаренного раствора; 12 – конденсатоотводчик.

 

Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем – в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

 Первый корпус обогревается  свежим водяным паром. Вторичный  пар, образующийся при концентрировании  раствора в первом корпусе,  направляется в качестве греющего во второй корпус 5. сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последующего корпуса в барометрическом конденсаторе смещения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум – насосом 8).

 

Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы  с гидрозатвором 9. Образующийся в  третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров  из выпарных аппаратов выводится  с помощью конденсатоотводчиков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.РАСЧЕТ ВЫПАРНОЙ  УСТАНОВКИ

Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов.

                                 ,  -Основное уравнение теплопередачи

        где Q-тепловая нагрузка, К – коэффициент теплопередачи, Δt_п – полезная разность температур.

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

            

1.1. Расчет концентраций  упариваемого раствора.      

В первом приближении  на основании практических данных, принимаем, что производительность по выпариваемой воде распределяются между корпусами в соответствии с соотношением:

Тогда:       

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

Концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_к.        

 

1.2. Определение  температур кипения растворов.       

Общий перепад давлений в установке равен:

где Р_Г1-давление насыщенного водяного пара 0,55 МПа; Р_бк - давление в барометрическом конденсаторе 0,02 МПа.

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

        Давление пара в барометрическом  конденсаторе:

что соответствует заданной величине Р_бк. По полученным величинам находим температуры и энтальпии (табл. 56,[1]). Данные заносятся в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры греющего пара и пара в конденсаторе

Давление, МПа	Температура, сº	Энтальпия, кДж/кг
РГ1=0,55 РГ2=0,373 РГ3=0,196 Рбк=0,019	tГ1=161,92 tГ2=146,80 tГ3=123,91 tбк=57,63	IГ1=2768,63 IГ1=2747,90 IГ1=2716,48 IГ1=2603,26

 Гидродинамическая  депрессия обусловлена потерей  давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах пригимают град на корпус.

        Температуры вторичных паров  в корпусах (в с^º ) равны:

       Сумма  гидродинамических депрессий:

       По  температурам вторичных паров находим их давления:

                      t_вп1 = 147,8с^º         Р_вп1 = 4,580 кгс/см²  = 0, 449 МПа

t_вп2 = 124,91 с^º         Р_вп2 = 2,360 кгс/см²  = 0, 231 МПа

t_вп3 = 57,63 с^º         Р_вп3 = 0,19 кгс/см²  = 0,0186 МПа

Давления в среднем  слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению:                    

 где Н – высота  кипятильных труб в аппарате, м; ρ - плотность кипящего раствора, кг/м³;

Е – паронаполнение ( объемная доля пара в кипящем растворе ), м³/м³.

 Для выбора Н  необходимо оценить поверхность  теплопередачи выпарного аппарата (F_op):

      q – принимаем 40000 Вт/м² (20000 – 50000 Вт/м² )

По ГОСТ 11987 – 81 ( [2], приложение V.2 ) выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2), состоит из кипятильных труб высотой 4 и 6 м при диаметре d_H=38 мм и толщине стенки 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н=4 м.

 При пузырьковом ( ядерном  ) режиме кипения паронаполнение  составляет Е=0,4 – 0,6. Примем Е=0,5.

По [4] находим плотности нашего раствора (MgSO₄) при концентрациях х₁, х₂, х₃:                              Х₁=12,2 %          ρ₁=1128,74 кг/м³

Х₂=16,6 %          ρ₂=1180,22 кг/м³

Х₃=30,0 %          ρ₃=1220 кг/м³ 

 Пренебрегаем изменением ρ с повышением температуры от 15 сº до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения Е.

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

 Находим при наших  давлениях:             

         Р_ср1=0,46 МПа = 4,69 кгс/см²     t_ср1=148,6 сº       r_вп=2124,4 кДж/кг

Р_ср2=0,243 МПа = 2,46 кгс/см²     t_ср2=126,0 сº       r_вп=2190,0 кДж/кг

Р_ср3=0,031 МПа = 0,32 кгс/см²     t_ср3=70,0 сº         r_вп=2332,8 кДж/кг

 

Определяем  гидростатическую депрессию по корпусам:

Сумма гидростатических депрессий равна:

 

Температурная депрессия Δ^/ определяется:

Найдем Δ^/_атм при концентрациях х₁, х₂, х₃ из (   ) (см. приложение 4[2] ):

1. Δ^/_атм = 0,92 сº при х₁=12,2 %
2. Δ^/_атм = 1,36 сº при х₂=16,6 %
3. Δ^/_атм = 3,4 сº при х₃=30 %

Определяем температурные  депрессии:

Сумма температурных  депрессий равна:

Температуры кипения  растворов в корпусах равны:

1.3. Общая полезная разность температур.

Общая полезная разность температур равна:

Полезная разность температур по корпусам ( в сº ) равны:

Тогда общая полезная разность температур:

Проверим общую полезную разность температур:

1.4.Определение  тепловых нагрузок.

 

 

            

            (4.2)

   (4.3)                                                                                                                          (4.4)

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду; с₁, с₂, с₃ – теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах, кДж/(кг·К); Q_конц1, Q_конц2, Q_конц3 – теплоты концентрирования по корпусам, кВт; t_н – температура кипения исходного раствора при давлении в первом корпусе; t_н = t_вп + Δ^/_н , где Δ^/_н =1,0 – температурная депрессия для исходного раствора.

Δt_н1 = 147,8 + 1,0 = 148,8 с^º

Δt_н2 = 124,91 + 1,0 = 125,91 с^º

Δt_н3 = 58,63 + 1,0 = 59,63 с^º

При решении уравнений (4.1) – (4.4) можно  принять:

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитываем теплоту концентрирования для третьего корпуса:

где G_сух – производительность аппаратов по сухому MgSO₄ , кг/с; Δq – разность интегральных теплот растворения при концентрациях х₂ и х₃ , кДж/кг.

Сравним Q_3конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для третьего корпуса Q_3ор:

Найдем  теплоемкость для наших концентраций:

Поскольку Q_3конц составляет значительно меньше 3% от Q_3ор, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_конц .

Получим:

;

 

 

 

Получаем: , , ,

       ,

        , ,

Полученные величины сводим в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчета  параметров для трех корпусов

Параметры	корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде ω, кг/с Концентрация растворов  х, % Давление греющих паров  Рг , МПа   Температура греющих паров tг , сº Температурные потери ∑Δ , град Температура кипения  раствора tк , сº Полезная разность температур Δtп , град	0,917 12,2 0,65 161,92 3,047 149,85 12,07	1,059 16,6 0,439 146,8 3,69 127,6 19,2	1,356 30 0,228 123,91 15,15 72,78 51,13

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых ( ω₁ = 0,9 кг/с; ω₂ = 1,08 кг/с;

ω₃ = 1,35 кг/с ) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

1.5. Выбор конструкционного  материала.

Выбираем конструкционный  материал, стойкий в среде кипящего раствора MgSO₄ в интервале изменения концентраций от 10 до 30 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17 [1]. Стойкость коррозии ее менее 0,1

мм/год, коэффициент теплопроводности λ_ст = 25,1 Вт/(м·К).

1.6. Расчет коэффициентов  теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи  для первого корпуса К₁ определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δ_ст/λ_cт и накипи δ_н/λ_н . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

    , м²*К/Вт

Коэффициент теплопередачи  от конденсирующегося пара к стенке ά₁ равен:

где r₁ – теплота конденсации греющего пара Дж/кг; ρ_ж1; λ_ж1; μ_ж1 – соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность (Вт/м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки t_пл. = t_г1 – Δt_п1/2 , Δt_п1 – разность температур конденсации пара и стенки, град.[1],[4]

Расчет ά₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Δt_п1 = 2 град. Тогда:

 

t_пл = 161,92 – 2/2 = 160,92 с^º

 

ρ_ж1 = 905,08 кг/м³;       λ_ж1 = 0,6822 Вт/м·К;     μ_ж1 =171,88*10^-6 Па·с

 

r₁ = 2082,66 кДж/кг при t_г1 = 161,92 сº

 

(Вт/м²·К)

 

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; Δt₂ – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда 

Тогда    

 

 

 

 

 

 

 

Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Распределение температур в процессе теплопередачи от пара к кипящему раствору через многослойную стенку: 1 – пар; 2 – конденсат; 3 – стенка; 4 – накипь; 5 – кипящий раствор.

Коэффициент теплопередачи  от стенки к кипящему раствору для  пленочных выпарных аппаратов находим по формуле:

,

где  физические свойства раствора берем из таблицы 3

 

Таблица 3.Физические свойства раствора MgSO₄

Параметр	Корпус
	1	2	3
Теплопроводность раствора, λ, Вт/м3 Плотность раствора, ρ, кг/м3 Теплоемкость раствора, С, Дж/кгК Вязкость, µ, Па*с Поверхностное натяжение, G, мН/м* Теплота парообразования, rв, МДж/кг Плотность пара, ρп, кг/м3	0,597 1,096 3240 0,00145 74,73 2971,6 2,23	0,594 1,159 3590 0,00191 75,39 2892,4 1,65	0,583 1,284 3840 0,0024 77,50 2461,1 0,23

 

                 q₁ ¹ q₂

 Для второго приближения  примем Δt₁ = 3,0 град. Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0 град, рассчитываем ά₁ по соотношению:

 

    

Тогда получим:

Очевидно, что q₁ ¹ q₂ .

Для расчета в третьем  приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем Δt₁ = 1,2 град.

Отсюда получим:

Как видим, q₁ » q₂ .

Если расхождение между  тепловыми нагрузками не превышает 3%, на этом расчет коэффициентов ά₁ и ά₂ заканчивают. Находим К₁:

Далее рассчитаем коэффициент  теплопередачи для второго корпуса К₂. Для этого найдем:

Для первого приближения  берем  град

 

t_пл = 146,8 – 2 = 144,8 с^º

ρ_ж2 = 921,68 кг/м³;       λ_ж2 = 0,6843 Вт/м·К;     μ_ж2 =188,52*10^-6 Па·с

r₂ = 2123,2 кДж/кг при t_г1 = 146,8 сº

       

 

 

q₂ = 17172,09

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 3 град

 

q₁ = 24468,03

 

Примем Δt₁ = 2,7 град

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₂:

 

Рассчитаем теперь коэффициент  теплопередачи для третьего корпуса  К₃

Примем для первого приближения 

         t_пл = 118,91 с^º

ρ_ж3 = 943,87 кг/м³;       λ_ж3 = 0,6859 Вт/м·К;     μ_ж3 =233,73*10^-6 Па·с

r₃ = 2210,1 кДж/кг при t_г1 = 123,91 сº

 

q₁ ¹ q₂

     Примем Δt₁ = 15 град

q₁ ¹ q₂

       Прием Δt₁ = 12,8 град

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₃:

 

1.7. Распределение  полезной разности температур. 

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

где Δt_пj, Q_j, K_j, - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j – го корпуса.

 

Проверим общую полезную разность температур установки:

Теперь рассчитаем поверхность  теплопередачи выпарных аппаратов  по формуле:

 

Сравнение распределенных из условия равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур представлено ниже:

         Таблица 4. Сравнение полезных  разностей температур

Параметры	Корпус
	1	2	3
Распределение в 1-м приближении  значения Δtп, сº	29,33	25,55	27,53
Предварительно рассчитанные значения Δtп, сº	12,07	19,2	51,13

       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 условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

 

1.8. Уточненный  расчет поверхности теплопередачи.

Второе приближение. В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит в 1 – м и 2 – м корпусах, где суммарные температурные потери незначительны, во втором приближении принимаем такие же значения Δ^/, Δ^// и Δ^/// для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены в таблице 4.

 Таблица 5.Параметры  растворов и паров по корпусам

Параметры	корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде ω, кг/с Концентрация растворов  х, % Температура греющего пара в 1 – й корпус tг1, сº   Полезная разность температур Δtп, град Температура кипения  раствора tк=tг-Δtп , сº Температура вторичного пара tвп=tк-(Δ/+Δ//) , cº Давление вторичного пара Рвп , МПа Температура греющего пара tг=tвп-Δ/// , cº	0,917 12,2 161,92 29,33 132,59 130,54 0,275 -	1,059 16,6 - 25,55 103,99 101,30 0,106 129,54	1,356 30 - 27,53 72,77 58,63 0,0187 100,30

Рассчитаем тепловые нагрузки (кВт):

      

   

 

Рассчитаем для первого корпуса

Примем Δt₁ = 2,0 град

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 2,5 град

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 3,0 град

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₁:

Рассчитаем К для второго корпуса

Примем Δt₁ = 5 град

q₁ ¹ q₂

Примем Δt₁ = 2 град

 

 

 

 

 

 

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₂:

3 корпус

Примем Δt₁ = 5 град

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 2 град

q₁ ¹ q₂

 

Примем Δt₁ = 2,1 град

Как видим, q₁ » q₂. Определим К₃:

 

Распределение полезной разности температур

Проверка полезной суммарной  разности температур:

Сравнение полезных разностей  температур, полученных во 2 – м и 1 – м приближениях, приведены ниже в таблице 5.                                                                                

Таблица 6. Сравнение полезных разностей температур в 1 и 2 приближениях

Параметры	Корпус
	1	2	3
Распределение в 2-м приближении  значения Δtп, сº	29,33	25,55	27,53
Распределение в 1-м приближении значения Δtп, сº	28, 91	25,46	28,03

Различия между полезными  разностями температур по корпусам в 1 - м и 

2 - м приближениях не  превышают 5%.

Поверхность теплопередачи  выпарных аппаратов:

 

По ГОСТ 11987 – 81  [2]    выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность  теплообмена F_н …………………………63м²;

Диаметр труб d ………………………………………………………..38*2 мм;

Высота труб Н …………………………………………………………5000мм;

Диаметр греющей камеры d_к …………………………………………600мм;

Диаметр сепаратора d_с ………………………………………………..1400мм;

Общая высота аппарата Н_а …………………………………………..12000мм;

Масса аппарата М_а …………………………………………………….5000кг.

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

 

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

где ά_в – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного

материала в окружающую среду, Вт/(м²·К):

t_ст2 – температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирается в интервале 35- 45 с^º , а для аппаратов , работающих на открытом воздухе в зимнее время – в интервале 0-10 с^º ; t_ст1 – температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной t_г1; t_в – температура окружающей среды (воздуха); λ_и – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м·К).

Выберем в качестве изоляции совелит (85% магнезии – 15% асбеста), имеющий  коэффициент теплопроводности λ_и = 0,09 Вт/(м·К)

Рассчитаем толщину  тепловой изоляции для 1 – го корпуса:

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,047 м и для других корпусов.

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^º). 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.