Расчет трехкорпусной выпарной установки

метки: Аппарат, Установка, Выпарной, Трехкорпусной, Раствор, Труба, Камера, Температура

Выпаривание применяют для повышения концентрации растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде. В качестве примера выпаривания с выделением чистого растворителя из раствора можно привести опреснение морской воды, когда образующийся водяной пар конденсируют и полученную воду используют для различных целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие. Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора. В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него. В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м ² в единичном аппарате).

Полная технологическая схема многокорпусной установки представляет собой совокупность технологических узлов, объединенных в соответствии с целью производства получением упаренного раствора. При разработке полной технологической схемы необходимо предусмотреть меры, повышающие надежность работы непрерывно действующей выпарной установки и снижающие капитальные и эксплуатационные затраты.

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов), по её расположению в пространстве (аппараты с горизонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

«Кожухотрубчатый теплообменный аппарат»

... распространенным теплоносителем. Экономичное использование отработанного пара паросиловых установок и вторичного пара выпарных установок. Обычно пользуются насыщенным водяным паром. Горячая вода используется для нагрева до ... водогрейных котлах, обогреваемых топочными газами. Может быть использован также водяной конденсат, поступающий из выпарных установок. Подп. и дата Инв..№ дубл. Взам. инв..№ Подп. ...

Различают выпарные аппараты с неорганизованной или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией.

Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора. расчет выпарной аппарат многокорпусный

В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.

Ниже подробно рассмотрены лишь наиболее распространённые, главным образом типовые конструкции аппаратов.

1.1 Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией

В аппаратах данного типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.

Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократно организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта. Как будет показано ниже, развитие конструкции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможно путём увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси в подъёмной части контура. Это достигается посредствам:

• увеличения высоты кипятильных (подъёмных) труб и повышения интенсивности парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора;
• улучшения естественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающаяся в ней жидкость имела, возможно, большую плотность;
• поддержания в опускной трубе определённого уровня жидкости, необходимого для уравновешения столба парожидкостной смеси в подъёмных трубах при заданной скорости её движения.

1.2 Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой

В нижней части вертикального корпуса находится нагревательная камера 2, состоящая из двух трубных решёток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2-4 м) и циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подаётся греющий пар.

Раствор поступает в аппарат над верхней трубной решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх парожидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере её движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где с помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения парового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется унесённая им влага, после этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

Схемы установок для выпаривания и конструкции выпарных аппаратов

... непрерывно действующем аппарате, где концентрация раствора ближе к конечной в течение всего процесса выпаривания. м 2 Однокорпусные выпарные установки с внутренней центральной циркуляционной трубой Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей) ...

Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер конического днища аппарата в качестве промежуточного или конечного продукта.

Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит вследствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и парожидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объёма упаренного раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от её диаметра, а объём жидкости в трубе пропорционален квадрату её диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.

В аппаратах этой конструкции циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси, это может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком также является жесткое крепление труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

1.3 Аппараты с выносными циркуляционными трубами

Как отмечалось, естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор, на опускном участке циркуляционного контура будет охлаждаться. Этим увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами. При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры 1 может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата, а циркуляционные трубы 2 компактно размещены вокруг нагревательной камеры. Аппарат с одной циркуляционной трубой, причём центробежный брызгоуловитель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределы сепарационного (парового) пространства 4 аппарата.

Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 м ² поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

1.4 Аппараты с выносной нагревательной камерой

При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счёт увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой, имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две нагревательные камеры.

Изучение теплообменных аппаратов и расчетов рекуператора

... (от одного теплоносителя к другому) теплообменники классифицируются на: рекуперативные; регенеративные; смесительные; с электрическим обогревом. рекуперативных теплообменниках теплообменникам с неустановившимся тепловым режимом регенеративных теплообменных аппаратах Нагрев или охлаждение в регенераторах, особенно ...

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу раствора производят так, как указано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по не обогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1.5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередачи аппараты такого типа получили широкое распространение.

В некоторых конструкциях аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, у которого удалена циркуляционная труба.

В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т. е. Аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизирующихся растворов.

1.5 Аппараты с вынесенной зоной кипения

При скоростях 0,25…1,5 м/с, с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, описанных ранее, не удаётся предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппарата для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизирующихся растворов можно значительно уменьшить путём увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

В аппарате с вынесенной зоной кипения, выпариваемый раствор поступает снизу в нагревательную камеру 1 и, поднимаясь по трубам (длиной 4-7 м) вверх, вследствие гидростатического давления не закипает в них. По выходе из кипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубу вскипания 2, установленную над нагревательной камерой в нижней части сепаратора 3. Вследствие понижения давления в этой трубе раствор вскипает и, таким образом, парообразование происходит за пределами нагрева.

Циркулирующий раствор опускается по наружной не обогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

Вследствие большой поверхности испарения, которая создаётся в объёме кипящего раствора и частичного самоиспарения капель, унесённых вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.

Ввиду значительного перепада температур (до 30 С) между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает 1,8…2,0 м/с.

Увеличение скорости приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 вт/(м ² К).

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньшем объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~810 ^-3 Пас, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными не обогреваемыми циркуляционными трубами.

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка 0.1 Пас, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже — в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

Полная технологическая схема многокорпусной установки представляет собой совокупность технологических узлов, объединенных в соответствии с целью производства получением упаренного раствора.

При разработке полной технологической схемы необходимо предусмотреть меры, повышающие надежность работы непрерывно действующей выпарной установки и снижающие капитальные и эксплуатационные затраты.

Известно, что непрерывно действующие выпарные установки отличаются большой производительностью, возможностью механизации и автоматизации технологического процесса. Однако пуск и остановка непрерывно действующих технологических линий значительно сложнее, чем периодически действующих, следовательно, остановка всей линии из-за выхода из строя одного аппарата недопустима. По этой причине трубопроводные коммуникации выпарной установки должны предусматривать возможность отключения отдельных аппаратов для периодических кратковременных чисток и ремонтов и возможность предотвращения попадания в них горячего раствора и пара при отключении. Все материальные потоки в этом случае направляются в обход отключенного аппарата в оставшиеся работающие аппараты. Возможность быстрого отключения отдельных аппаратов от работающей выпарной установки особенно важна при аварийных ситуациях, возникающих в работающих аппаратах образование свищей в кипятильных трубках, нарушение герметичности уплотнений и т.д.).

При проектировании трубопроводной обвязки необходимо обходиться минимальной протяженностью труб и минимумом арматуры. Несоблюдение этого правила может привести не только к значительному росту гидравлических сопротивлений, но и к увеличению стоимости всей установки.

С учетом изложенных рекомендаций разработана схема трехкорпусной прямоточной выпарной установки представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 — Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора

Исходный раствор со склада готовой продукции поступает в емкость исходного раствора А 7 откуда центробежными насосами Н 1, Н 2 подается по коммуникации раствора в подогреватель исходного раствора А 5. Нагретый в подогревателе до температуры кипения раствор подается в первый корпус А 1 выпарной установки. В случае временной остановки подогревателя А 5 на чистку или ремонт, последний отключается запорной арматурой, и холодный раствор подается по коммуникации раствора непосредственно в корпус А 1. Разумеется, при отключении подогревателя А 5, производительность установки может снизится, но не произойдет ее остановки.

Из корпуса А 1 раствор самотеком (за счет разности давлений) по коммуникации раствора переходит в корпус А 2, а из корпуса А 2 а корпус А 3. На приведенной технологической схеме для перепуска раствора из одного корпуса в другой используется общая коммуникация раствора, установленном на ней необходимой запорной арматурой. Это экономит трубы и дает возможность гибко управлять работой установки. Переключая соответствующим образом запорную арматуру можно направлять раствор в обход любого из корпусов в случае временного его отключения на чистку или кратковременный ремонт (без остановки всей технологический схемы).

Из последнего корпуса раствор направляется в емкости А 8, А 9 каждая из которых находится либо под вакуумом — при заполнении раствором, либо под атмосферным давлением — при перекачке упаренного раствора на дальнейшую переработку.

Рисунок 2 — Технологическая схема: 1-емкость исходного раствора; 2, 9-насосы; 3, 4, 5-выпарные аппараты; 6-емкость упаренного раствора; 7-гидрозатвор; 10-барометрический конденсатор

Для подвода пара к каждому корпусу установки используются, паропроводы, составляющие паровую коммуникацию. Паровая коммуникация 2 обеспечивает возможность временного отключения любого из аппаратов установки (подогревателя А 5 и корпусов А 1, А 2 или А 3) при минимальном количестве паровых трубопроводов. Это достигается установкой запорной арматуры на подводящих паропроводах к каждому аппарату. На паровой коммуникации устанавливаются также разобщающие вентили, чтобы не допустить смешения греющего пара каждого корпуса с его вторичным паром. При нормальной работе установки вентили на подводящих паропроводах открыты, а разобщающие вентили закрыты.

4.1 Концентрация 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: W ₁ : W₂ :W3=1,0:1,1:1,2.

Тогда основные уравнения материального баланса:

• где — массовые расходы начального и концентрированного раствора, кг/с;

х _нач , х_кон — массовые доли растворенного вещества в начальном и концентрированном растворе;

W — массовый расход выпаренной воды, кг/с:

;

;

W ₃ =W-2/3= 1,44 кг/с;

W ₂ == 2,55 кг/с;

W ₁ = W—= 2,95 кг/с.

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

X ₁ =G_нач X_н /(G_н -w₁ )=11,1·0,15/11,1-2,95=0,204;

X ₁ =20,4 %;

X ₂ =G_нач X_н /(G_н -w_1- w₂ )=0,297;

X _{2 =} 29,7 %;

X ₃ =G_нач X_н /(G_н -w_1- w₂ -w₃ )=0,4;

X _{3 =} 40 %.

Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора х _к .

4.2 Температуры кипения растворов

Переводим, по таблице из литературы [2], температуры в давления насыщенного пара:

T _{г 1 =} 130 °C, следовательно, P_{г 1} =2,567 кгс/см ² ;

T _бк =65 °C, следовательно, P_бк = 0,2756 кгс/см ² ;

Общий перепад давлений в установки равен:

?P _об =P_{г 1} — P_бк =2,567-0,2756=2,2914 кгс/см ² .

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

P _{г 1} =2,567 кгс/см ² ;

P _{г 2} = P_{г 1} — ?P_об /3=2,567-0,7638 =1,8032 кгс/см ² ;

P _{г 3} = P_{г 2} -?P_об /3=1,0394 кгс/см ² .

Давление пара в барометрическом конденсаторе

P _бк = P_{г 3} -?P_об /3=0,2756 кгс/см ² .

Что соответствует заданному значению давления в нем.

По давлениям паров находим их температуры [2]

Таблица 1

№ корпуса	Tг, °C	Pг, кгс/см 2
1	130	2,567
2	117,56	1,8032
3	100,85	1,0394
Барометрический конденсатор	65	0,2756

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 °C) равны:

T _{в п 1} = T_{г 2} +?^‘» ₁ =117,56+ 1= 118,56 °C;

T _{в п 2} = T_{г 3} +?^‘» ₂ =100,85+1=101,85 °C;

T _{в п 3} = T_бк +?^‘» ₃ =65+1=66 °C.

Сумма гидродинамических депрессий:

?? ^«‘ =1+1+1=3 °C.

По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты испарения [2].

Таблица 2

№ корпуса	Tвп, °C	Pвп, кгс/см 2	r, кДж/кг
1	118,56	1,8962	2213,14
2	101,85	1,0873	2263,3
3	66	0,2832	2345,4

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

Р _ср = Р_вп + 0,5hg(1-е),

где h- высота кипятильных труб в аппарате, м;

• плотность раствора, кг/м ³ ;

е- паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м ³ / м ³ .

Для выбора значения высоты необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F _ор . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q= 20000-50000 Вт/м ² , примем q= 40000 Вт/м ² . Тогда поверхность теплоотдачи ориентировочно равна:

F _{о р 1} = Q/q=w₁ r₁ /q=2,95·2213·10³ /40000=163,2 м ² ;

F _{о р 2} = w₂ r₂ /q=2,55·2158·10³ /40000= 144,26 м ² ;

F _{о р 3} = w₃ r₃ /q=1,44·2345,4·10³ /40000= 84,4 м ² ,

Где r — теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

По ГОСТ 11987-81 [5]трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре 38мм и толщине стенок 2 мм. Примем высоту кипятильных труб 5м. F _ор = 280 м ² .

При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составит 0.4-0.6. Примем е=0,5. Плотность водных растворов, в том числе раствора KOH [4], при температуре 15°C и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

_{1 =1275 кг/м ³ ;}

_{2 =1420 кг/м ³ ;}

_{3 =1840 кг/м ³ .}

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем измерением ее с повышением температуры от 15 до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочного принятого значения е=0,5.

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

Р _{с р 1} =7,06·9,81·10⁴ +1275·9,8·5·(1-0,5)·0,5=708204,75 Па;

Р _{с р 2} =3,5864·9,81·10⁴ +1420·9,8·5·(1-0,5)·0,5=369238,59 Па;

Р _{с р 3} =0,1605·9,81·10⁴ +1840·9,8·5·(1-0,5)·0,5=38285,05Па.

Этим давлениям соответствует следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [2].

Таблица 3

№ корпуса	Tср, °C	Pср, кгс/см 2	r, кДж/кг
1	165,28	7,2192	2071,04
2	140,5	3,7639	2148,2
3	74,73	0,3903	2321,6

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °C)

? ^» ₁ = t_cp1 — t_{в п 1} =165,28-164,5=0,78 °C;

? ^» ₂ = t_cp2 — t_{в п 2} =140,5-139=1,5 °C;

? ^» ₃ = t_cp2 3-t_{в п 3} =74,73-55=19,73 °C.

Сумма гидростатических депрессий

«=? ^» ₁ +?^» ₂ +?^» ₃ =0,78+1,5+19,73=22,01 °C.

Температурную депрессию ? ^‘ определим по уравнению:

^/ =1,6210^{-2 /} _атм Т ² /r_вп ,

Где T- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К,

? ^‘ _ат — температурная депрессия при атмосферном давлении [4]

Находим значение ? ^‘ по корпусам (в °C):

? ^‘ ₁ =1,62·10^-2 ·13,392·(273+165,28) /2071,04=20,12 °C;

? ^‘ ₂ =1,62·10^-2 ·25,96·(273+140,5) /2148,2=33,47 °C;

? ^‘ ₃ =1,62·10^-2 ·106,6·(273+74,73) /2321,6=89,94 °C.

Сумма температурных депрессий:

^{‘ =?‘ ₁ +?‘ ₂ +?‘ ₃ =20,12+33,47+89,94=143,53 °C.}

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

t _{к 1} = t_{г 2} +₁ «` +<sub>1</sub> «+<sub>1</sub> ` =163,5+20,12+0,78+1=185,4 °C;

t _{к 2} = t_{г 3} +₁ «` +<sub>1</sub> «+<sub>1</sub> ` =138+33,47+1,5+1=173,97 °C;

t _{к 3} = t_бк +₁ «` +<sub>1</sub> «+<sub>1</sub> ` =54+89,94+19,73+1=164,67 °C.

4.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

t _п =t_{п 1} +t_{п 2} +t_{п 3} .

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

t _{п 1} =t_{г 1} — t_{к 1} =180-185,4= -5,4 °C;

t _{п 2} =t_{г 2} — t_{к 2} =163,5-173,97= -10,47 °C;

t _{п 3} =t_{г 3} — t_{к 3} =138-164,67= -26,67 °C.

Тогда общая полезная разность температур:

t _п =-5,4-10,47-26,67= -42,54 °C.

Проверим общую полезную разность температур:

t _п = t_{г 1} — t_бк -(^‘ +»+?^«‘ )=180-54-143,53-22,01-3= -42,54 °C.

Т.к. полезная разность температур получилась отрицательная, делаем вывод о том, что в этой трехкорпусной выпарной установке мы просто греем аппарат в пустую на 42,54 °C. Что говорит о не правильном распределении тепла по корпусам и что на выходе из реактора мы получаем слишком большую концентрацию вещества. Это все приведет к лишним потерям тепла и нежелательным материальным расходам.

4.4 Определение тепловых нагрузок

Таблица 4 — Исходные данные для расчета

	корпуса
	1	2	3
Количество исходного раствора, кг/с	16,67	12,882	8,715
Концентрация исходного раствора, %	20	25,9	38,3
Температура исходного раствора, °C	30	185,4	173,97
Температура упаренного раствора, °C	185,4	173,97	164,67
Теплоемкость исходного раствора, Дж/(кг·К)	3352	3691,29	3853,73
Энтальпия вторичного пара, Дж/кг	2770	2739,3	2589,5
Теплота парообразования греющего пара, Дж/кг	2021	2071,8	2153

Решая систему уравнений по типу системы (6.80) — (6.83), смотреть литературу [3], но с применением уравнения(6.15), определяем расход греющего пара в первый корпус, количество выпаренной воды из каждого корпуса, тепловые нагрузки по корпусам:

Q ₁ =G_гп ·2021·10³ = [16,67·3352·(185,4-30)+W₁ ·(2770·10³ -4190·185,4)]·1,05;

Q ₂ =W₁ ·2071,8·10³ = [12,882·3691,29·(173,97-185,4)+W₂ ·(2739,3·10³ -4190·173,97)]·1,03;

Q ₃ =W₂ ·2153·10³ = [8,715·3853,73·(164,67-173,97)+W₃ ·(2589,5·10³ -4190·164,67)]·1,03;

W ₁ +W₂ +W₃ =W=12,5;

Решив данную систему получаем:

W ₁ =3,793 кг/с; W₂ =4,068 кг/с; W₃ =4,639 кг/с;

G _гп =8,4 кг/с; Q₁ =16976,4 кВт; Q₂ =7852,122 кВт; Q₃ =8762,71 кВт.

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (W ₁ =3,788 кг/с, W₂ =4,167 кг/с W₃ =4,545 кг/с) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

4.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaOH в интервале изменения концентраций от 20 % до 80 % и температур от 60 да 180°C [6].

В этих условиях химически стойкой является сталь марки X19H10T. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности л _ст =25,1 Вт/(м·К).

4.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки л _ст /д_ст и накипи л_н /д_н . Термическое сопротивление со стороны пара не учитывается.

Принимаем для всех корпусов толщину слоя накипи д _н =0,5 мм, л_н =3,05 Вт/(м·К), получаем:

?r=0,002/25,1+0,0005/3,05=2,435·10 ^-4 м ² ·К/Вт.

С достаточной степенью точности для расчета можно принять температуру пленки конденсата в греющих камерах выпарных аппаратов равными температурам конденсации греющего пара.

Тогда в соответствии с рис. 6.1 [3]:

При t _{к 1} =180 °C А ₁ =316·10³ ;

При t _{к 2} =163,5 °C А ₂ =308·10³ ;

При t _{к 3} =163,5 °C А ₃ =296·10³ .

Коэффициент теплоотдачи б ₁ от конденсирующегося водяного пара к стенки вертикальных труб в греющих камерах выпарных аппаратов определяем по уравнению (6.19), а коэффициент теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору б₂ — по уравнению (5.63).

Необходимые для определения б₂ физико-химические свойства KOH и водяного пара при температуре кипения приведены в таблице 5. [3; 4;5;6].

Таблица 5 — Свойства кипящих растворов KOH и их паров

Параметр	Корпус
	1	2	3
Температура t, °C	185,4	173,97	164,67
Концентрация x, %	25,9	38,3	80
Теплопроводность раствора л, Вт/(м·К)	0,579	0,559	0,509
Плотность раствора с, кг/м 3	1280	1435	1545
Вязкость раствора м,мПа·с	7,43	8,31	9,87
Параметр	Корпус
	1	2	3
Поверхностное натяжение д,мН/м	85	97	130
Теплоемкость раствора с, Дж/кг·К	3691,29	3853,73	4400
Теплота парообразования r, к Дж/кг	2141	2230	2296
Плотность пара сп, кг/м 3	2,12	1,12	0,12
Плотность пара при спо=105 Па	0,579

Определим коэффициент В по уравнению [3]:

В=780л ^1,3 ·с^0,5 ·с_п ^{0 ,06} /д^0,5 ·r^0,6

• с_{п о} ^{0 ,66} ·с ^{0 ,3} ·м^0,3 ;

В ₁ =780·0,579^1,3 ·1280^0,5 ·2,12^0,06 / (85·10^-3 )^0,5 ·(2141·10³ )^0,6 ·0,579^0,66

• (369,29)^0,3 ·(7,43·10^-3 )^0,3 =8,28;

В ₂ =780·0,559^1,3 ·1435^0,5 ·1,12^0,06 /(97·10³ )^0,5 ·(2230·10³ )^0,6 ·0,579^0,66

• (3853,73)^0,3 ·(8,31·10^-3 )^0,3 =3,53;

В ₃ =780·0,509^1,3 ·1545^0,5 ·0,12^0,06 / (130·10^-3 )^0,5 ·(2296·10³ )^0,6 ·0,579^0,66 ·4400^0,3 ·(9,87·10^-3 )^0,3 =2,2.

Коэффициент теплоотдачи б ₁ при высоте труб H=5м равен:

б ₁ =А/(q·5)^0,33 =0,62А/q^0,33 .

Расчет коэффициентов теплоотдачи приведен в таблице 6.

Так как в выпарных аппаратах удельные тепловые нагрузки заранее неизвестны, то их рассчитываем методом последовательных приближений: задаемся различными значениями q, проводим расчет (см таблицу 6) и по результатам расчета строим график q=f(?t _пол ).

Из графика следует, что для предварительных значений полезных разностей температур по корпусам ?t_{по л 1} =5,4 °C, ?t_{по л 2} =10,47 °C, ?t_{по л 3} =26,67 °C удельные тепловые нагрузки соответственно равны:

q ₁ =4700 Вт/м ² ;

q ₂ =5500 Вт/м ² ;

q ₃ =14400 Вт/м ² .

Таблица 6 — расчет коэффициентов теплоотдачи

Величины	1 А 1=316·103, В 1=8,28	2 А 2=308·103, В 2=3,53	3 А 3=296·103, В 3=2,2
q	6000	25000	6000	25000	6000	25000
q-0,333	0,055	0,034	0,055	0,034	0,055	0,034
б1=0,62A q-0,333	10775,6	6661,28	10502,8	6492,64	10093,6	6239,68
q0,6	184,88	435,28	184,88	435,28	184,88	435,28
б2=B·q0,6	1530,8	3604,1	652,6	1536,5	406,7	957,6
К=1/ (1/ б1+?r+ 1/ б2)	1010,8	1484,78	543,86	954,65	351,8	692,76
?t=q/K	5,94	16,84	11,03	26,19	17,06	36,09

Коэффициенты теплопередачи по корпусам равны:

К ₁ =q₁ /?t_{по л 1} =870,37 Вт/К·м ² ;

К ₂ =q₂ /?t_{по л 2} =525,31 Вт/К·м ² ;

К ₃ =q₃ /?t_{по л 3} =539,93 Вт/К·м ² .

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

?t _{пол i} =??t_пол ·(Q_i /K_i )/? Q_i /K_i

?t _{по л 1} =42.54·(16976,4·10³ /870,37) /50681,7=16,37 °C;

?t _{по л 2} =42.54·(7852,122·10³ /525,31) /50681,7=12,55 °C;

?t _{по л 3} =42.54·(8762,71·10³ /539,93) /50681,7=13,62 °C.

Проверка суммарной полезной разности температур:

?t _пол =?t_{по л 1} +?t_{по л 2} ?t_{по л 3} =16,37+12,55+13,62=42,54 °C.

Площади поверхностей теплопередачи выпарных аппаратов:

F= Q _i /(K_i ·?t_полi ·3);

F ₁ =16976,4·10³ /870,37·16,37·3=397,17 м ² ;

F ₂ =7852,122·10³ /525,31·12,55·3=397,01 м ² ;

F ₃ =8762,71·10³ /539,93·13,62·3=397,19 м ² .

По ГОСТ 11987-81 принимаем выпарной аппарат со следующей характеристикой: F=500 м ² , диаметр труб d=38×2мм, длина труб l=5м, диаметр греющей камеры D=1600 мм (не менее), диаметр сепаратора D₁ =4500 мм (не более), диаметр циркуляционной трубы D₂ =1200 мм (не более), высота аппарата H=16500 мм (не более), масса аппарата М=33000 кг (не более).

При конструктивном расчете выпарного аппарата размеры его частей должны соответствовать вышеизложенным требованиям.

Площадь поверхности теплообмена принятого выпарного аппарата значительно больше ориентировочной, однако необходимости вносить коррективы в расчет нет, так как конструктивные размеры (диаметр и высота трубы) остались прежними.

5. 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, в нашем случае 30°С. Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддерживания 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.

5.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G _В определяем из теплового баланса конденсатора:

где I _бк — энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

t _к — конечная температура смеси воды и конденсата, °С;

t _н — начальная температура охлаждающей воды, °С.

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

°С,

5.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определяют из уравнения расхода:

где — плотность паров, кг/м ³ ;

• скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка Па скорость паров м/c. Тогда:

=1,549 м.

барометрический конденсатор диаметром [2].

5.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями, внутренний диаметр барометрической трубы равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

г де B- вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

• сумма коэффициентов местных сопротивлений;

— коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 — запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

B= = 9, 89,595

коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.

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

Re= 6,14

Для гладких труб при Re

;

Заключение

После всех анализов и расчетов мной был выбран выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой с площадью поверхности теплопередачи F=500 м ² .

Аналогичным путем выбран противоточный барометрический конденсатор и подогреватель для данной выпарной установки.

Сделан чертеж формата А 3 самого аппарата и схема трехкорпусной выпарной установки.

1. Основные процессы и аппараты химической технологии / под ред. Ю.И. Дытнерского. — 4-е издание. — М.: Альянс, 2008. — 493 с.

2. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. — Л.: Химия, 1976. — 552 с.

3. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов/ И.Л. Иоффе. — Л.: Химия,1991. — 352 с.

4. Справочник химика. М. — Л.: Химия. — Т.ЙЙЙ. — 1962. — 1006 с. — Т. Н. — 1966. 974 с.

5. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств / Г.Я. Воробьева. — М.: Химия, 1975. — 816 с.

6. Попов Н.П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений/ Н.П. Попов. — Л.: Химия,1974. — 126 с.