Расчёт барометрического конденсатора

 

Для выпаривания  нестойких к вовышенным температурам вязких в пастообразных растворов" применяют роторные прямоточные аппараты (рис 9). Внутри цилиндрического корпуса 1 аппарата, снабженного паровыми рубашками 2 вращается ротор 3, состоящий из вертикального вала расположенного по оси аппарата и шарнирио закрепленныхна нем скребков 4.

Выпариваемый  раствор поступает в аппарат  сверху, захватывается вращающимися скребками, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам аппарата перемещается по их внутренней поверхности в виде турбулентно движущейся пленки. Постепенно происходит полное выпаривание пленки. Стенка аппарата образуется тонкий слой порошка или паст, который снимается вращающимися скребками (зазор между наружной кромкой скребков и стенкой аппарата составляет менее I мм. Твердый или пастообразный продукт удаляется через специальный секторный затвор из днища аппарата (на рис. 9 не показан). ; В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем роторные, аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации вследствие наличия вращающихся частей (ротора). Имеется несколько разновидностей роторных прямоточных выпарных аппаратов, в том числе аппараты с горизонтальным корпусом. Эти аппараты описываются в специальной литературе.

 

Рисунок 9  Роторный прямоточный выпарной аппарат:

1 –  корпус; 2 – паровая рубашка; 3 –  ротор; 4 – скребки.

 

Аппараты  с принудительной циркуляцией.

 

Для того чтобы  устранить отложение накипи в  трубах, особенно при выпаривании  кристаллизующихся растворов, необходимы скорости циркуляции не менее 2—2,5 м/сек, т. е. больше тех скоростей, при которых  работают аппараты с естественной циркуляцией. В принципе такие высокие скорости достижимы и в условиях естественной циркуляции, но при этом необходимы очень большие полезные .разности температур (между греющим паром и кипящим раствором).

В аппаратах  с принудительной циркуляцией скорость её определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования. Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание эффективно протекает при малых полезных/разностях температур, не превышающих 3—5 ;°С, и при значительных вязкостях растворов;

Одна из конструкций  выпарного аппарата с принудительной циркуляцией показана на- рис 10. Аппарат имеет выносную вертикальную нагревательную камеру 1, сепаратор 2 и необогреваемую.циркуляционную труб 3. Циркуляция раствора производится насосом.

 

 

 

Рисунок 10 Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией:

1 –  нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3-циркуляционная труба; 4 – циркуляционный  насос.

 

Выпарные  аппараты с тепловым насосом.

 

По технологическим  причинам использование многокорпусных выпарных аппаратов иногда может  оказаться неприемлемым. Так. например, приходится отказываться от многократного выпаривания тех чувствительных к высоким температурам растворов, для которых температуры кипения в первых корпусах многокорпусных установок слишком высоки и могут вызвать порчу продукта. В подобных и некоторых других случаях возможно и экономически целесообразно использовать для выпаривания однокорпусные выпарные аппараты с тепловым насосом.

С помощью  теплового насоса, представляющего  собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его  в качестве греющего в нагревательную камеру того же аппарата. Сжатие вторичного пара производят главным образом  в турбокомпрессорах с приводом от электродвигателя или турбины  или же в струйных компрессорах (инжекторах). Вследствие компактности, простоты устройства в надежности эксплуатации в качестве тепловых насосов наиболее широко применяют струйные компрессоры, несмотря на их невысокий к. п. д.

На рис. 11 приведена схема однокорпусной  выпарной установки, состоящей .из выпарного аппарата 1 и струйного компрессора 2, Первичный пар поступает по оси компрессора и инжектирует вторичный пар более низкого давления. Смесь, первичного и вторичного пара по выходе из компрессора делится на две .части; большая часть смеси направляется в нагревательную камеру выпарного аппарата, а остальная, избыточная часть отводится на сторону, к другим потребителям тепла.

При выпаривании  растворов с небольшой температурной  депрессией применение теплового насоса в многокорпусной выпарной установке; например для первого корпуса, может  существенно снизить расход свежего  пара на выпаривание. •

Экономичность применения теплового насоса определяется отношением стоимости энергии, затрачиваемой  на сжатие вторичного пара в компрессоре, к стоимости расходуемого в выпарной установке первичного Пара. В отдельных  случаях это отношение может  быть настолько малым, что выпарные аппараты с тепловым насосом могут  успешно конкурировать с многокорпусными  выпарными установками.

Расход энергии  на тепловой насос приблизительно пропорционален разности температур насыщения свежего  и вторичного пара, которая, в свою очередь, зависит от температурной  депрессии выпариваемого раствора. Поэтому» для выпаривания растворов, обладающих значительной температурной  депрессией, использование теплового  насоса оказывается нецелесообразным. Обычно его применение рентабельно  при невысокой степени сжатия вторичного пара, соответствующей повышению  температуры насыщения пара не более чём на 10—15 °С.

Расчет выпарных аппаратов с тепловым насосом  приводится в специальной литературе *.

 

 

Рисунок 11 Выпарной аппарат с тепловым насосом:

1 –  выпарной аппарат; 2 – струйный  компрессор (инжектор).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание технологической схемы

 

 

Рисунок 14   Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:

1— емкость исходного  раствора; 2, 10 — насосы; 3 —теплообменник-подогреватель; 4, 5, 6 — выпарные аппараты; 7 — барометрический конденсатор; 8 — вакуум-насос; 9 — гидрозатвор; 11 — емкость упаренного раствора; 12 — конденсатоотводчик.

 

В приведенном  ниже типовом примере расчета  трехкорпусной установки, состоящей  из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной греющей камерой) и кипением раствора в трубах, даны также рекомендации по расчету выпарных аппаратов некоторых других типов: с принудительной циркуляцией, вынесенной зоной кипения, пленочных.

Принципиальная  схема трехкорпусной выпарной установки  показана на рисунке   . Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости / центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем — в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

Первый  корпус обогревается свежим водяным  паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в  первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает частично концентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего и  второго корпуса.

Самопроизвольный  переток раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 18). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов  Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3  Проектирование трехкорпусной выпарной установки

3.1 Расчёт концентраций упариваемого раствора

Поверхность теплопередачи каждого корпуса  выпарной установки определяют по основному  уравнению теплопередачи:

                                                                                        (1)

Для определения  тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур ∆t_П необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое  приближение. Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W=G_H(1-x_н/х_к)                                                                               (2)

Где G_H – производительность , кг/с; (из задания);

x_н – начальная концентрация, %; (из задания);

х_к – конечная концентрация, %; (из задания).

Получим:

W=4,17(1-9/38)=3,18 кг/с

 

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:

ω₁ : ω₂: ω₃ = 1,0 : 1,1 : 1,2

Тогда

= 0,96 кг/с

= 1,06 кг/с

= 1,16 кг/с

Где W - производительность установки, кг/с, (2).

Проверяем

W = ω₁ + ω₂+ ω₃ =0,96 + 1,06 + 1,16 = 3,18 кг/с

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

= 0,117(11,7 %)

= 0,175 (17,5 %)

= 0,38 (38 %)

где G_H – производительность , кг/с; (из задания);

x_н – начальная концентрация, %; (из задания);

х_к – конечная концентрация, %; (из задания).

Концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной Концентрации упаренного раствора х_к.=38%.

 

3.2 Определение температур кипения растворов

 

Общий перепад давлений в установке  равен:

∆Р_об = P_r1 – P_бк = 1,079 – 0,0147 = 1,064 МПа

 где P_r1 - обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р_r1 = 1,079 МПа (из задания);

P_бк - давление в барометрическом конденсаторе, Р_бк = 0,0147 МПа (из задания)

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

Р_r1 = 1,079 МПа (из задания)

Р_r2 = Р_r1 - ∆Р_об /3 = 1,079 - 1,064/3 = 0,7242 МПа

Р_r3 = Р_r2 - ∆Р_об /3 = 0,7242 - 1,064/3 = 0,3694 МПа

Давление пара в барометрическом  конденсаторе

Р_бк = Р_r3 - ∆Р_об /3 = 0,3694 - 1,064/3 = 0,0147 МПа

что соответствует заданной величине Р_бк из задания

По  давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

 

Таблица 1

 

Давление, МПа	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг
Рr1 = 1,079	tr1 = 183,2	I1 = 2787
Рr2 =0,7242	tr2 = 166,3	I2 =2772
Рr3 =0,3694	tr3 = 140,6	I3 =2741
Рбк =0,0147	tбк = 53,6	Iбк =2596

 

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 °С) равны:

Сумма гидродинамических депрессий

По  температурам вторичных паров определим  их давления [1](см список используемой литературы):

 

Температура, °С	Давление, МПа
tВП1 = 167,3	РВП1 = 0,745
tВП2 = 141,6	РВП2 = 0,378
tВП3 = 54,6	РВП3 = 0,0154