Проектирование выпарной установки

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.

2. Технологическая часть.

Описание технологической схемы.

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный

раствор хлорида магния под вакуумом.

Исходный раствор MgCl2 из емкости Е1 подается центробежным насосом Н

в теплообменник АТ, где подогревается до температуры, близкой к

температуре кипения, затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата

АВ. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с естественной

циркуляцией и соосной греющей камерой. Предварительный подогрев раствора

повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор, нагревается и кипит с

образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в

сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный

пар удаляется из верхней части сепаратора.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие

перепада давлений, создаваемого барометрическим конденсатором КБ и вакуум-

насосом НВ. В барометрическом конденсаторе КБ вода и пар движутся в

противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Для увеличения

поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь

охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по

барометрической трубе с гидрозатвором. Конденсат греющих паров из выпарного

аппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчиков КО.

Концентрированный раствор MgCl2 после выпарного аппарата подается в

одноходовые холодильники Х1-2, где охлаждается до определённой температуры.

Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники Е2-3,

работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере

накопления раствора). Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора

Е5.

3. Технологические расчеты.

3.1 Расчёт выпарного аппарата.

3.1.1. Материальный баланс процесса выпаривания.

Основные уравнения материального баланса:

[pic]

(1)

[pic] (2)

где [pic] - массовые расходы начального и концентрированного раствора,

кг/с;

хнач, хкон – массовые доли растворенного вещества в начальном и

концентрированном растворе;

W – массовый расход выпаренной воды, кг/с:

[pic]

[pic]кг/с

3.1.2. Определение температур и давлений в узловых точках технологической

схемы.

3.1.2.1 Определение давления и температуры в выпарном аппарате Р1, t1

Абсолютное давление в сепараторе выпарного аппарата:

[pic] (3)

где Ратм – атмосферное давление, ат;

Рвак – вакуум в аппарате, ат.

[pic]ат

По давлению Р1 найдем температуру вторичного пара в сепараторе t1, (С;

/ 3, Табл. LVII /

t1=89.3 (С

3.1.2.2. Определение давления и температуры вторичного пара в

барометрическом конденсаторе Р0, t0

.

Зададимся значением гидравлической депрессии из промежутка 0.5-1.5 (С:

(tгидросопр.=1 (С

Температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе t0, (С:

t0= t1-(tгидросопр. (4)

t0= 89.3-1=88.3 (С

Давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р0, ат, по

температуре t0 / 2, табл. LVII /

Р0=0.674 ат

Найдём конечную температуру в сепараторе.

Переведём значение давления Р1 в Па:

Р1=0.65 ат=0.674(9.81(104=6.609(104 Па

Воспользуемся формулой (Приложение 2 п.5)

[pic]=89.168 (С

3. Определение давления в среднем слое выпариваемого раствора Рср.

Оптимальная высота уровня Нопт

Нопт=(0.26+0.0014((р-(в))(Нтр (6)

Где ((р-(в) – разность плотностей раствора и воды соответственно при

температуре кипения, если температура кипения неизвестна то можно взять при

t=20(С /2, с.252/

Нтр – рабочая высота труб, м

Плотность раствора (р, и воды (в при температуре t=20 (С, и

концентрации Xкон (Приложение 2, п.1)

(в=962.681 кг/м3

(р=1013 кг/м3

Примем Нтр=6 м, тогда

Нопт=(0.26+0.0014(1.047(104-997.34))(6=1.974 м

[pic] (6)

[pic] Па

Температуру кипения на середине кипятильных труб при Рср

(Приложение 2. П.5)

[pic]91.834 (С

3.1.2.4 Определение давления греющего пара.

Зададимся полезной разностью температур (tполезн.(25 (С

(tполезн.=30 (С

Найдем температуру конденсации греющего пара tконд.гр.п, (С:

tконд.гр.п.= tкип+ (tполезн. (7)

tконд.гр.п.= 91.834+30=124,168 (С

По температуре конденсации греющего пара найдём давление греющего

пара Ргр.п, ат / 2, табл. LVI /

Ргр.п=2,2256 ат

3.1.3 Тепловой баланс выпарного аппарата.

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

Q = Qнагр+ Qисп+ Qпот (8)

где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;

Qнагр – расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

Qисп– расход теплоты на упаривание раствора до конечной

концентрации, Вт;

Qпот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду,

Вт;

3.1.3.1. Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Qпот при

расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (Qнагр+ Qисп)

/ 2, с 247 /. Следовательно:

Q = 1.05((Qнагр+ Qисп)

Температуру исходного раствора tнач, поступающего в выпарной аппарат

из теплообменника примем на 2.5(С меньше tкон:

tнач= tкон-2.5

tнач=89.168-2.5=86.668 (С

3.1.3.2 Расход теплоты на нагрев:

Qнагр= Gнач(снач((tкон-tнач) (10)

где Gнач – производительность по разбавленному раствору

снач – удельная теплоёмкость раствора при tнач и начальной

концентрации Хнач , Дж/(кг(К) (Приложение 2, п.3)

снач=4.141(103 Дж/(кг(К)

Qнагр= 4.5(4.141(103 (89.168-86.668)=4.658(104 Вт

3. Расход теплоты на испарение:

Qисп=W((i”вт.п - св(tкон)

(11)

где iвт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата

при температуре t1, из таблицы / 2, табл.LVI /, кДж/кг;

св – удельная теплоёмкость воды при tкон, (Приложение 2, п.3)

Дж/(кг(К)

iвт.п =2656 кДж/кг,

св=4213 Дж/(кг(К)

Qисп=3.336((2656(103 - 4213(89.168)=7.611(106 Вт

3.1.4. Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата.

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем

уравнение теплопередачи:

Q=K(F((tполезн. (12)

где К – коэффициент теплопередачи Вт/(м2(К)

F – площадь поверхности теплообмена, м2;

Коэффициент теплопередачи К найдем из выражения:

[pic] (13)

где (кип – коэффициент теплоотдачи кипящего раствора, Вт/(м2(К)

(конд - коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара,

Вт/(м2(К)

Srст – сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых

состоит стенка, включая слои загрязнений, (м2(К)/Вт

Для расчётов коэффициент теплоотдачи (конд, (кип воспользуемся методом

итераций.

Примем температуру наружной стенки трубы tст1 меньшей чем tконд.гр.п.

и равной:

tст1=121.21 (С

При конденсации греющего пара на пучке вертикальных труб, выражение

для коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид / 2, формула 4.52(а) /:

[pic] (14)

где Н – высота труб, м

(t – разность температур конденсаций греющего пара tконд.гр.п.

и температуры стенки t1, с;

Значение функции Аt найдём при температуре tконд.гр.п. / 2, табл. 4.6

/

At=7278

(t = tконд.гр.п..- tст1 (15)

(t =124.168-121.21=2.958 (С

Н=Нтр=6 м

[pic]Вт/(м2(К)

Количество теплоты q1, передаваемое от конденсирующегося пара к

стеке, найдём по формуле:

q1=(конд(tконд.гр.п..- tст1) (16)

q1=7233(2.958=2.14(104 Вт

Так как процесс теплопередачи является установившемся, то количество

теплоты q1 равно количеству теплоты qст, которое передаётся от наружной

стенки трубы с температурой tст1 к внутренней, с температурой tст2.

[pic] (17)

Суммарное термическое сопротивление стенки найдём по формуле:

[pic] (18)

где ( - толщина стенки трубы, м;

(ст - коэффициент теплопроводности трубы, Вт/(м(К)

rзагр1, rзагр2 – термическое сопротивление слоев загрязнения с

наружной и внутренней сторон стенки соответственно, м2(К/Вт

Определим значения величин rзагр1, rзагр2 / 2, табл. ХХХI /

rзагр1=1/5800=1.724(10-4 м2(К/Вт

rзагр2=1/1860=5.376(10-4 м2(К/Вт

Коэффициент теплопроводности (ст для стали равен:

(ст=46.5 Вт/(м(К)

Толщину стенки трубы примем:

(=0.002 м

[pic] м2(К/Вт

Температуру tст2 найдём из формулы (17)

tст2= tст1-q1(Srст

tст2=121,21-2.14(104(.289(10-4=103.475 (С

Коэффициент теплоотдачи кипящего раствора / 2, формула 4.62 /

[pic] (19)

где b – безразмерная функция;

( - кинематическая вязкость раствора, м2/с

( - поверхностное натяжение раствора Н/м

(Ткип – разность температур tст2 и температуры кипения раствора

tкип, К;

Значение безразмерной функции b / 2,формула 4.62 а /:

[pic] (20)

где (п – плотность пара, кг/м3;

Плотность раствора (р рассчитываем при температуре кипения tкип и

конечной концентрации хкон (Приложение 2, п.1):

(р=1.013(103 кг/м3

Плотность пара (п найдём при температуре кипения tкип / 2, табл. LVI

/

(п=0.4147 кг/м3

[pic]

Кинематическая вязкость раствора (:

(=(р/(р (21)

где (р – динамическая вязкость раствора, Па(с

Динамическая вязкость раствора при температуре tкип (Приложение 2, п.

2):

(р=3.87(10-4 Па(с

(=3.87(10-4/1.013(103 =3.82(10-7 м2/с

Поверхностное натяжение ( при температуре tкип определяем для воды,

т.к. концентрация MgCl2 достаточно мала /2; табл XXXIX/

(=0,05995 Н/м

Коэффициент теплопроводности ( для раствора при tкип и хкон

(Приложение 2, п.4), Вт/(м(К):

(=0.662 Вт/(м2.К)

[pic] Вт/м2(К

Количество теплоты q2, передаваемое от внутренней стенки к раствору:

q2=(кип((tст2- tкип) (22)

q2=2.238(103((103.475-94.168)=2.083(104 Вт

Определим значение выражения:

и если Е( 0.05 то расчёт коэффициентов теплоотдачи выполнен верно.

Е=(2.14(104-2.083(104)/ 2.083(104=0.027

Тогда:

[pic] Вт/(м2(К)

[pic] (23)

[pic] м2

3. Выбор выпарного аппарата по каталогу.

Произведём выбор аппарата по каталогу / 3, приложение 4.2 /. Для этого

найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для

обеспечения запаса производительности.

Fв.п.=1.2(F

Fв.п.=1.2(358.774=430.493 м2

где Fв.п. – площадь выпарного аппарата с учётом запаса

производительности, м2;

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей

камерой. Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с

площадью теплопередачи 450 м2;

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

|F, м2 |D, мм |D1, мм |D2, мм |Н, мм |М, кг |

| |не менее|не более|не более|Не более|не более|

| | | | | | |

|l= 6000 мм | | | | | |

|450 |1600 |4000 |1000 |18000 |31500 |

F – номинальная поверхность теплообмена;

D – диаметр греющей камеры;

D1 – диаметр сепаратора;

D2 – диаметр циркуляционной трубы;

Н – высота аппарата;

М – масса аппарата;

3.2. Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева

исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат.

3.2.1. Определение средних температур теплоносителей.

Рис. 1 Температурная схема

где t’нач – начальная температура исходного раствора (по заданию)

(tбол, (tмен – большая и меньшая разность температур соответственно,

(С; tнач – температура исходного раствора после

подогревателя, (С ;

(tб = tконд.гр.п – t’нач (24)

(tб = 124,168 – 35 = 89.168 (С

(tм = tконд.гр.п – tнач (25)

(tм = 124,168 – 86.668 = 37.5 (С

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:

[pic] (26)

[pic] (С

Средняя температура раствора:

tср.р = tконд.гр.п – (tср

(27)

tср.р =124.168 –59.65=64.518 (С

3.2.2. Тепловой баланс подогревателя.

Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t’нач до

температуры tнач найдем по формуле (10), приняв значение теплоёмкости

раствора при температуре и концентрации Хнач ( Приложение 2, п.3 )

Q=4.5(4.141(103((86.668-35)=9.628(105 Вт

Расход греющего пара Gгр.п. найдём по формуле:

[pic] (28)

где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;

( - степень сухости пара;

(=0.95

Удельная теплота парообразования при температуре tконд.гр.п. / 2, табл.

LVI /:

r=2205x103 Дж/кг

[pic] кг/с

3.2.3. Ориентировочный расчет подогревателя.

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от

конденсирующегося пара к жидкости / 2, табл. 4.8 /:

Кор=850 Вт/(м2(К)

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);

[pic] м2

Для обеспечения интенсивного теплообмена необходимо обеспечить

турбулентный режим течения, он достигается при Re более 10000. Зададимся:

Re=10000

Скорость течения раствора в аппарате с диаметром труб d=20 мм

рассчитаем

по формуле:

[pic] (29)

где (тр – скорость течения раствора в трубном пространстве м/с;

dэкв – эквивалентный диаметр, м;

Значения коэффициентов вязкости раствора (р и плотности (р возьмём при

температуре tср.р.и концентрации Хнач ( Приложение 2, п.1,п.2 )

[pic] м/с

Страницы: 1, 2, 3