Расчёт выпарной установки

Номинальная поверхность теплообмена Fн	160 м2
Диаметр труб d	38 ´ 2 мм
Высота труб H	4000 мм
Диаметр греющей камеры d к	1200 мм
Диаметр сепаратора d с	2400 мм
Диаметр циркуляционной трубы d ц	700 мм
Общая высота аппарата H а	13 500 мм
Масса аппарата M а	12 000 кг

4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ  ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

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

 (4.21)

где — коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт / (м²×К) [7]; t_ст2 — температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, t _ст2 выбирают в интервале 35 — 45 °С, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время — в интервале 0 — 10 °С; t _ст1 — температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t_r1; t_в температура окружающей среды (воздуха), °С; l_и — коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м×К). Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:

В качестве материала для  тепловой изоляции выберем совелит (85 % магнезии + 15% асбеста) [II], имеющий  коэффициент теплопроводности l_{и =} 0,09 Вт/(м×К). Тогда получим

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,055 м и для других корпусов.

 

4.3. 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). 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.

4.3.1. Расход  охлаждающей воды

Расход охлаждающей  воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

 (4.22)

где I_{б.к. —} энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; t_н — начальная температура охлаждающей воды, °С; t_к — конечная температура смеси воды и конденсата, °С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 — 5 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

Тогда

4.3.2.

Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяют из уравнения расхода:

 (4.23)

где r — плотность паров, кг/м³; n — скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ 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 d_бк = 1600 мм (см. Приложение 4.5).

4.3.3. Высота  барометрической трубы

В соответствии с нормалями [12] /внутренний диаметр барометрической трубы d_бк равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе

Высота барометрической трубы

(4.24)

где В — вакуум в барометрическом  конденсаторе, Па; S x — сумма коэффициентов местных сопротивлений; l — коэффициент трения в барометрической трубе; 0.5 — запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

где x_вх, x_вых — коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

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

Для гладких труб при Re = 536000 коэффициент  трения l = 0,013 [I]. Подставив в (4.24) указанные значения, получим:

Отсюда находим H_бт = 10,1 м.

4.4. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА

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

 (4.25)

где 2,5×10^—5 — количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 — количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда Объемная производительность вакуум-насоса равна:

 

 (4.26)

где R— универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль×К); М _возд — молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; t_возд — температура воздуха, °С; Рвозд — парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па. Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

Давление воздуха равно:

где P_п — давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд = 27 °С. Подставив, получим:

Тогда

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк, по каталогу [13] подбираем вакуум-насос типа ВВН-25 мощностью на валу N = 48 кВт (см. Приложение 4.6).

В дальнейшем расчету и подбору  по нормалям, каталогам и ГОСТам могут подлежать следующие аппараты и их параметры:

1) объем и размеры емкостей  для исходного и упаренного  растворов;

2) требуемый напор и марка  насосов (см. гл. 1);

3) конструкция и поверхность  теплообменника-подогревателя (см. гл. 2);

4) диаметры трубопроводов и штуцеров (см. гл. 1);

5) конденсатоотводчики (см. гл. 2);^:

6) циркуляционные насосы для  выпарных аппаратов (см. гл. 1). Более  полно методы расчета, моделирования  и оптимизации выпарных установок,  включающих аппараты, указанные  в Приложении 4.1, а также выпарные аппараты других конструкций и вспомогательное оборудование, изложены в специальной литературе [14—22].

 

4.5. РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОГО ЧИСЛА  КОРПУСОВ МНОГОКОРПУСНОЙ УСТАНОВКИ

В качестве критерия оптимальности  могут быть приняты различные  технико-экономические показатели, например стоимость единицы выпускаемой продукции, приведенный доход, приведенные затраты и другие. В частности, экономически оптимальное число корпусов многокорпусной выпарной установки можно найти по минимуму приведенных затрат, которые определяют по формуле

 (4.27)

где К — капитальные затраты, тыс. руб.; Э — эксплуатационные затраты, тыс. руб / год; Тн — нормативный срок окупаемости, который можно принять равным 5 годам.

Капитальные затраты, зависящие от числа корпусов п, складываются из стоимости всех корпусов — пЦк, подогревателя исходного раствора — Цп, вакуум-насоса — Цвн, арматуры, трубопроводов, КИП и вспомогательного оборудования (например, конденсатоотводчиков) - Ца, а также затрат на доставку и монтаж оборудования, устройство площадки, фундамент, здание и пр.— Ц_м.

С увеличением п наиболее существенно возрастает стоимость самих корпусов Ц, вследствие роста температурных потерь во всей установке и непропорционального уменьшения полезной разности температур, приходящейся на один корпус. Растут также затраты на арматуру, трубопроводы, КИП и вспомогательное оборудование, а также затраты на доставку и монтаж оборудования. Эти затраты принято определять в долях стоимости основного оборудования. Для многокорпусной выпарной установки их можно приближенно принять равными 60—80 % от стоимости корпусов: Ца+Цм = 0,7 пЦк.

Другие слагаемые капитальных  затрат изменяются с ростом числа  корпусов менее значительно и  при минимизации приведенных  затрат их можно не учитывать. (В частности, стоимости подогревателя и насоса увеличиваются, так как с увеличением п растут температура и давление в первом корпусе. Стоимости же барометрического конденсатора и вакуум-насоса уменьшаются, так как уменьшается количество вторичного пара в последнем корпусе. В установках с принудительной циркуляцией раствора в стоимость установок должна быть включена стоимость осевых циркуляционных насосов. Однако она составляет незначительную долю от стоимости самих корпусов, и ее также можно не учитывать.)

Таким образом, капитальные затраты, существенные для решения задачи выбора оптимального числа корпусов, определяются по уравнению

К = 1,7пЦк.                                     (4.28)

Эксплуатационные расходы Э  включают годовые амортизационные  отчисления и затраты на ремонт, определяемые в долях от капитальных затрат коэффициентами Ка и Кр, а также затраты на пар и электроэнергию:

 (4.29)

Для приближенных расчетов можно принять  Ка = 0,1 год^-1, Кр = 0,05 год^-1, число часов работы в год непрерывно действующего оборудования t равным 8000 ч/год. В уравнении (4.29) D и D_п — расходы (в т/ч) пара, подаваемого в первый корпус установки и в предварительный подогреватель; N _ц.н, N_н и N_в.н — расходы электроэнергии (кВт), затрачиваемой циркуляционными насосами (см. Приложение 4.7), насосом подачи исходного раствора и вакуум-насосом; Ц_D и Цэ — стоимости 1 т пара и 1 кВт×ч

электроэнергии (тыс. руб.).

Наибольшие затраты приходятся на греющий пар D, подаваемый в первый корпус установки и в подогреватель D_п, причем с увеличением п достигается существенная экономия лишь пара на выпаривание, а расход пара на подогрев исходного раствора до температуры кипения даже несколько возрастает за счет увеличения давления в первом корпусе.

Расходы на электроэнергию в установках с принудительной циркуляцией раствора в корпусах возрастают пропорционально числу корпусов: пN_ц.и. В установках с естественной циркуляцией они незначительны (только на подачу раствора в первый корпус и поддержание вакуума), мало зависят от числа корпусов и в расчетах приведенных затрат с целью оптимизации могут не учитываться.

Стоимость одного корпуса выпарной установки Ц_к определяется как произведение цены единицы массы аппарата на его массу. Цена единицы массы выпарного аппарата в рублях за 1 т определяется в соответствии с Прейскурантом № 23-03, 1981 г. (см. Приложение 4.8). Масса аппаратов (см. Приложение 4.2) зависит от их номинальной поверхности теплопередачи; ее принимают ближайшей к большей, полученной в результате технологического расчета. Массу труб M_тр в греющих камерах можно приближенно определить по уравнению

 (4.30)

где F — номинальная поверхность теплопередачи (м²); d_тр — толщина стенок труб (м); r_ст — плотность стали (кг/м³).

Цены греющего пара Ц _D и электроэнергии Ц_э, различны в зависимости от их параметров и региона энергопотребления. (Для ориентировочных расчетов можно принять Ц _D = 4,5 руб. за 1 т, Ц_э, =1,5 коп, за кВт×ч).

Результаты технико-экономических  расчетов приведены ниже:

 

Параметры	Число корпусов п
	3	4	5	6	7	8
F, м2	125	200	200	200	200	250
М×10—3, кг	8,24	12,6	12,6	12,6	12,6	16,93
Ц к, руб / кг	2,28	2,20	2,20	2,20	2,20	2,20
Цк×10—3, руб.	18,78	27,72	27,72	27,72	27,72	37,25
0,35×1,7 пЦк×10—3, руб / год	33,5	66,0	82,6	99,0	115,4	177,3
3,6 (D + Dп) ЦD t×10—3, руб / год	810	711	651	611	582	560
П×10—3, руб / год	843	777	737	710	697	737

 

Результаты расчетов показывают, что  экономически оптимальной является установка из семи корпусов, причем экономия по сравнению с трехкорпусной  установкой составляет 146 тыс. руб, или 17,4 %. '

Ниже приведены результаты определения  оптимального числа корпусов выпарной установки:

Параметры	Число корпусов п
	3	4	5	6	7	8
Минимальная полезная разность температур Dtп1, град	25,3	16,8	11,8	8,6	6,5	5,0
Поверхность греющей камеры в каждом корпусе F, м2	133	143	156	175	199	234
Расход пара на выпаривание D, кг  \ с	3,24	2,29	1,73	1,37	1,11	0,92
Температура вторичного пара в первом корпусе tв1, °С	156,8	165,3	169,6	172,1	173,6	174,2
Расход пара  на подогрев раствора от 20 °С до tн = tк1, кг / с	3,01	3,20	3,29	3,35	3,38	3,39

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 4.1. Типы выпарных трубчатых аппаратов (по ГОСТ 11987 — 81)

Тип	Наименование	Исполнение	Назначение
1	Выпарные трубчатые  аппараты с естественной циркуляцией	1 — с сосной двух-ходовой греющей камерой	Упаривание растворов  не образующих осадка на греющих трубах, а также при незначительных накипеобразованиях на трубах, удаляемых промывкой.
		2 — с вынесенной  греющей камерой	Упаривание растворов, выделяющих незначительный осадок, удаляемый механическим способом
		3 — с соосной греющей  камерой и солеотделением	Упаривание растворов, выделяющих кристаллы, и образующих осадок, удаляемый промывкой
2	Выпарные трубчатые  аппараты с принудительной циркуляцией	1 — с вынесенной греющей камерой	Упаривание вязких растворов  или выделяющих осадок на греющих  трубах, удаляемый механическим спосбом
		2 — с соосной греющей  камерой	Упаривание вязких чистых растворов, не выделяющих осадок, а  также при незначительных накипеобразованиях на трубах, удаляемых промывкой
3	Выпарные трубчатые  аппараты пленочные	1 — с восходящей  пленкой	Упаривание пенящихся  растворов
		2 — со стекающей  пленкой	Упаривание вязких и  термостойких растворов