Устройство выпарных установок

SDtп=-5,4-10,47-26,67= -42,54 °C .

 

Проверим общую полезную разность температур:

SDtп= tг1- tбк-(SD'+SD"+S∆"')=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 ТОричного 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:

 

Q1=Gгп·2021·103 =[16,67·3352·(185,4-30)+W1·(2770·103-4190·185,4)]·1,05 ;

 

Q2=W1·2071,8·103=[12,882·3691,29·(173,97-185,4)+W2·(2739,3·103-4190·173,97)]·1,03 ;

 

Q3=W2·2153·103=[8,715·3853,73·(164,67-173,97)+W3·(2589,5·103-4190·164,67)]·1,03 ;

 

W1+W2+W3=W=12,5 ;

 

Решив данную систему получаем:

 

W1=3,793 кг/с ; W2=4,068 кг/с ; W3=4,639 кг/с ;

 

Gгп=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 (W1=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  λст=25,1 Вт/(м·К).

 

4.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки λст/δст и накипи λн/δн . Термическое сопротивление со стороны пара не учитывается.

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

∑r=0,002/25,1+0,0005/3,05=2,435·10-4 м2·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 tк1=180 °C       А1=316·103 ;

При tк2=163,5 °C    А2=308·103 ;

При tк3=163,5 °C    А3=296·103 .

Коэффициент теплоотдачи α1 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 α2 – по уравнению (5.63). Необходимые для определения α2 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     λ, Вт/(м·К)	0,579	0,559	0,509
Плотность раствора ρ, кг/м3	1280	1435	1545
Вязкость раствора μ,мПа·с	7,43	8,31	9,87
Параметр	Корпус
	1	2	3
Поверхностное натяжение δ,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 ρп, кг/м3	2,12	1,12	0,12
Плотность пара при ρпо=105 Па	0,579

Определим коэффициент В по уравнению [3]:

В=780λ1,3·ρ0,5·ρп0,06/δ0,5·r0,6· ρпо0,66·с0,3·μ0,3 ;

 

В1=780·0,5791,3·12800,5·2,120,06/ (85·10-3)0,5·(2141·103)0,6·0,5790,66·(369,29)0,3·(7,43·10-3)0,3=8,28 ;

В2=780·0,5591,3·14350,5·1,120,06/(97·103)0,5·(2230·103)0,6·0,5790,66·(3853,73)0,3·(8,31·10-3)0,3=3,53 ;

 

В3=780·0,5091,3·15450,5·0,120,06/ (130·10-3)0,5·(2296·103)0,6·0,5790,66·44000,3·(9,87·10-3)0,3=2,2 .

 

Коэффициент теплоотдачи α1 при высоте труб H=5м равен:

α1=А/(q·5)0,33=0,62А/q0,33 .

 

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(∆tпол).  Из графика следует, что для предварительных значений полезных разностей температур по корпусам ∆tпол1 =5,4 °C , ∆tпол2 =10,47 °C, ∆tпол3 =26,67 °C удельные тепловые нагрузки соответственно равны:

q1=4700 Вт/м2;

q2=5500 Вт/м2;

q3=14400 Вт/м2.

   Таблица 6 – расчет коэффициентов теплоотдачи

Величины	1 А1=316·103,  В1=8,28		2 А2=308·103, В2=3,53		3 А3=296·103, В3=2,2
q	6000	25000	6000	25000	6000	25000
q-0,333	0,055	0,034	0,055	0,034	0,055	0,034
α1=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
α2=B·q0,6	1530,8	3604,1	652,6	1536,5	406,7	957,6
К=1/           (1/ α1+∑r+  1/ α2)	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:

К1=q1/∆tпол1=870,37 Вт/К·м2 ;

К2=q2/∆tпол2=525,31 Вт/К·м2 ;

 

К3=q3/∆tпол3=539,93 Вт/К·м2 .

 

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

∆tполi=∑∆tпол·(Qi/Ki)/∑ Qi/Ki ;

 

∆tпол1=42.54·(16976,4·103/870,37)/50681,7=16,37 °C;

 

∆tпол2=42.54·(7852,122·103/525,31)/50681,7=12,55 °C;

 

∆tпол3=42.54·(8762,71·103/539,93)/50681,7=13,62 °C .

 

Проверка суммарной полезной разности температур:

∆tпол=∆tпол1+∆tпол2∆tпол3=16,37+12,55+13,62=42,54 °C .

 

Площади поверхностей теплопередачи выпарных аппаратов:

F= Qi/( Ki·∆tполi·3);

 

F1=16976,4·103/870,37·16,37·3=397,17 м2;

 

F2=7852,122·103/525,31·12,55·3=397,01 м2;

 

F3=8762,71·103/539,93·13,62·3=397,19 м2.

 

По ГОСТ 11987-81 принимаем выпарной аппарат со следующей характеристикой: F=500 м2, диаметр труб d=38x2мм, 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 GВ определяем из теплового баланса конденсатора:

 

 

Где Iбк- энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

       tк- конечная температура смеси воды и конденсата, °С;

       tн- начальная температура охлаждающей воды, °С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру tн 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/м3;

     - 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:

 

 

 

 

 

где 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 коэффициент трения

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

После всех анализов и расчетов мной был выбран выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой с площадью поверхности теплопередачи F=500 м2.

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

  Сделан чертеж формата А3 самого аппарата и схема трехкорпусной выпарной установки.

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Основные процессы и аппараты химической технологии / под ред. Ю.И. Дытнерского. -4-е издание. - М.: Альянс, 2008. - 493с.
2. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А.Носков. – Л.: Химия, 1976. – 552с.
3. Иоффе, И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов/ И.Л.Иоффе. – Л.: Химия,1991. – 352с.
4. Справочник химика. М. – Л.:Химия. - Т.ΙΙΙ. - 1962. – 1006 с. - Т. Ν. - 1966. 974с.
5. Воробьева, Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств / Г.Я.Воробьева. - М.:Химия, 1975. – 816с.
6. Попов, Н.П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений/ Н.П.Попов. – Л.:Химия,1974. – 126с.