Расчет однокорпусного выпарного аппарата

 

Задание на проектирование

Спроектировать выпарной аппарат с естественной циркуляцией и сосной греющей камерой для упаривания 10 раствора KCl от 7 до 24% масс. Обогрев аппарата ведется насыщенным водяным паром 6 ати

1. Введение. 
Выпаривание – это процесс повышения концентрации растворов нелетучих веществ путем испарения части растворителя. В химической промышленности выпариванию подвергаются растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара. Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при температуре кипения. Движущей силой является разность температур горячего теплоносителя и температурой кипения раствора.  
 
Процесс может осуществляться под избыточным, атмосферным давлением и вакуумом. Если процесс осуществляется под избыточным давлением, то вторичный пар (пар, образующийся в результате кипения раствора) используется для обогрева других аппаратов или каких-либо технологических нужд. Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ, кроме того необходимо использовать греющие агенты с более высокой температурой. Если процесс ведется под атмосферным давлением, то вторичный пар сбрасывается в атмосферу как низкотемпературный продукт, но это наименее экономичный способ выпаривания. При выпаривании под вакуумом, вторичный пар идет в барометрический конденсатор. Также существуют у этого метода свои плюсы: 

• Понижение температуры кипения раствора;
• Увеличивается движущая сила процесса;
• Возможно использование греющего пара более низкого давления.

 
Недостатки выпаривания под вакуумом: 

• Вакуумная выпарная установка должна содержать дополнительное оборудование: барометрический конденсатор, вакуум-насос, вакуумсборники.

 
В качестве теплоносителя используется топочный газ, электрообогрев, высокотемпературные теплоносители, но чаще всего насыщенный водяной пар (называемый так же греющим или первичным), характеризующийся высокой удельной теплой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи. Первичным паром служит либо пар, полученный из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин. Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочным газом или другим газообразном теплоносителем. 
 
Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу действия 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. 
 
Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия. 
 
В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относится и аппарат роторного типа. 

1. 2. Описание установки 
Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой, вынесенной зоной кипения и солеотделением (тип I) состоит из греющей камеры /, сепаратора с трубой вскипания 2, циркуляционной трубы 3 и солеотделителя 4 (рис. 4.3.7). Греющая камера 1 представляет собой одноходовой кожухо- трубчатый теплообменник, сепаратор - цилиндрический сосуд с верхним эллиптическим и нижним коническим днищами. Внутри сепаратора установлен первичный каплеотбой- ник, а в верхней части закреплен брызгоотделитель.

Раствор, подлежащий упариванию, подается в аппарат через один из штуцеров III. При работе аппарата уровень раствора должен поддерживаться по верхней кромке трубы вскипания. Снижение уровня приводит к уменьшению производительности, а повышение - вызывает гидравлические удары и повышенный унос раствора вторичным паром.

Циркуляция раствора в аппарате осуществляется по замкнутому контуру сепаратор - циркуляционная труба - солеотделитель - греющая камера - сепаратор. Образовавшаяся при упаривании часть кристаллов осаждается в солеотделителе и выводится с упаренным раствором через нижний штуцер IV. Греющий пар I подается в межтрубное пространство греющей камеры. В аппаратах этого исполнения кипение раствора происходит в трубе вскипания, ввиду чего отложение кристаллов на внутренней поверхности греющих труб уменьшается, а работа аппарата улучшается.

 

1.3. Выбор конструкции выпарных аппаратов 
 
Конструкции выпарных аппаратов должны соответствовать ряду общих требований, основными из которых являются:  

Высокая производительность;

 
Интенсивность теплопередачи (при возможно меньших объемах аппарата и расходе материала на его изготовление); 

Простота устройства;

Надежность в эксплуатации;

Легкость очистки поверхности теплообмена

Удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей

 

 
Кроме того на выбор конструкции и материала выпарного аппарата существенное влияние оказывают физико-химические свойства выпариваемого раствора: вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др. 
 
Так же при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции нужно учитывать противоречивый факт того, что высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путем увеличения скорости циркуляции раствора, но это, в свою очередь приводит к возрастанию расхода энергии на выпаривание уменьшению полезной разности температур (так как при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора).  
1.4. Области применения выпарных аппаратов 
 
Области преимущественного применения выпарных аппаратов различных типов: 
 
Для выпаривания растворов небольшой вязкости, не превышающей , без кристаллов – чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективными являются аппараты с выносной нагревательной камерой и выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.

 
Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости , производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей пленкой или в роторных прямоточных аппаратах.

 
В роторных аппаратах проводят процесс выпаривания растворов чувствительных к повышению температуры.

 
Аппараты с принудительной циркуляцией широко так же применяются для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

 
Для сильнопенящихся растворов рекомендуются прямоточные аппараты с поднимающейся пленкой. 

 

 

2. Технологическая часть

2.1. Определение  поверхности теплопередачи выпарных  аппаратов

Поверхность теплопередачи выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

2.2. Температуры  кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

P,МПа             t,              I, кДж/кг

=0,687               

             

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов из корпуса в корпус. Примем , тогда температуры вторичных паров в корпусе равны:

По температуре вторичного пара определили давление

=0,105 кгс/ =0,0103МПа

Ориентировочная оценка поверхности теплопередачи выпарного аппарата:

Примем q = 40000 Вт/

 

Примем высоту кипятильных труб H = 4 м

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет

ε = 0,5. Плотность раствора KCl 24% масс составляет ρ = 1150 кг/

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

 

Гидростатическая депрессия:

∆”= =62,5-46=16,5

Температурная депрессия:

∆’=

Температура кипения раствора в корпусе:

2.3. Полезная разность  температур

Проверка:

2.4. Определение тепловых  нагрузок

Тепловой баланс однокорпусной выпарной установки:

Теплота концентрирования:

Поскольку мала, можем ей пренебречь

2.5. Выбор конструкционного  материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора KCl в интервале изменения концентраций от 7 до 24 %. Выбираем сталь марки Х17. Скорость коррозии её не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности

2.6 Расчёт коэффициентов  теплопередачи

Коэффициент теплопередачи определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара  к стенке равен

Расчёт ведут методом последовательных приближений.

Примем тогда

Для установившегося процесса перепад температур на стенке:

Тогда

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору:

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов на этом заканчивают.

Находим K:

 

Проверим поверхность теплопередачи, определённую ориентировочно:

Найденное значение мало отличается от ориентировочно определенной ранее поверхности  .Поэтому нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов.

2.7. Выбор выпарного аппарата  по каталогу.

 
Произведём выбор аппарата по каталогу. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

 

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой. Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 125 м2;

Таблица 1. Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 11987-81)

F, м2		D, мм не менее		D1, мм не более		D2, мм не более		Н, мм не более		М, кг не более
l= 4000 мм
125	1000		2200		700		16000		10000

 

 

3.1. Определение толщины тепловой изоляции

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

Рассчитаем толщину изоляции:

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит, имеющий коэффициент теплопроводности

3.2. Расчёт барометрического  конденсатора

  Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающегося агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды. Смесь охлаждающей воды и конденсатора выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Расход охлаждающей воды

Расход определяют из теплового баланса конденсатора:

 Разность температур между  паром и жидкостью на выходе  из конденсатора должна быть 3-5 град.

 

Диаметр конденсатора

Определяют из уравнения расхода:

При остаточном давлении  в конденсаторе порядка Па скорость паров v =

= 15 – 25 м/с.

Тогда

По нормалям НИИХИММАШа [12] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром (см. Приложение 4.5)

3.3 Высота барометрической  трубы.

В соответствии с нормалями [12], внутренний диаметр барометрической трубы . Скорость воды в барометрической трубе

Высота барометрической трубы

Где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па

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

При таком значении Re, коэффициент трения  =0,013 [1]

 

 

 

 

Откуда находим высоту барометрической трубы:

 

 

3.5. Расчет производительности  вакуум-насоса.

Производительность вакуум-насоса , кг/с определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

 
где – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.

 

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/кмоль×К;  - молекулярная масса воздуха, кг/моль;  – температура воздуха, К;  – парциальное давление сухого насыщенного пара (Па) в барометрическом конденсаторе при

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

 

Давление воздуха равно:

 

где  – давление сухого насыщенного пара при температуре

 

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Зная объемную производительность  и остаточное давление  по каталогу [13] подбираем вакуум насос типа ВВН-3

 
Таблица 4. Характеристика вакуум-насоса типа ВВН

Типоразмер	Остаточное давление, Мм.рт.ст	Производи-тельность, м3/мин	Мощность на валу, КВт
ВВН-3	75	3	6.5