Трехкорпусная выпарная установка

Рис .6 Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка

 
Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном  движении греющего пара и раствора, показана на рис. 6.

       Рис. 7 Барботажный  выпарной аппарат 

        Типичный барботажный аппарат для концентрирования серной кислоты (рис 7) состоит из выносной топки и горизонтального цилиндрического корпуса 2        Часть объема аппарата заполняется слабым раствором кислоты, подаваемой по трубе 3 Топочные газы поступают по трубам 4, концы которых погружены в раствор кислоты При перемешивании раствора и теплоносителя происходит интенсивное испарение растворителя и частично кислоты. Из камеры III (третьей по ходу кислоты) газы поступают по барботажной трубе 5 в камеру II. Для повышения температуры парогазовой смеси в эту камеру по барботажной трубе б подается дополнительно некоторое количество свежих топочных газов. Из камеры II газы вместе с парами кислоты и воды по барботажной трубе 7 направляются в камеру I, где отдают тепло на подогрев исходного слабого раствора кислоты. Упаренная кислота удаляется по трубе 8 из камеры III.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Технологическая  схема

Рис .2.1 Схема трёх корпусной  выпарной установки

     Исходный разбавленный раствор NaOH из промежуточной емкости центробежным насосом подается в теплообменник (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

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

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

    Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Расчет випарних аппаратов

   Спроектировать трехкорпусную  выпарную установку  для концентрирования  G_н=18000 кг/час или G_н=5 кг/с водного раствора NaOH от начальной концентрации х_нач=4% до конечной х_кон=10% при следующих   условиях:

1. Обогрев производится насыщенным водяным паром давлением

    Р_г.п=0,5 МПа;

2)Давление в барометрическом  конденсаторе Р_бк=0,0147 МПа;

3) выпарной аппарат –тип 1,исполнение 2

4)взаимное направление   пара и раствора -прямоток;

5) раствор поступает в  первый корпус подогретым до  температуры кипения.

 

3.1.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

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

F=Q/(K∆t_п)                                                  (3.1)

Для определения тепловых нагрузок Q,коэффициентов теплопредачи 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 приблежений.

Первое приближение 

Производительность  установки  по выпариваемой воде определяют из уравнения  материального баланса:

W= G_н(1- х_нач/ х_кон)                                       (3.2)

Подставим получим:

W= 5(1- 4/ 10)=3 кг/с.

 

3.1.2 Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит  от соотношения нагрузок по выпариваемой  воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимаем, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

w₁: w₂: w₃=1,0:1,1:1,2. (3.3)

Тогда

w₁=1,0W/(1,0+1,1+1,2)                                    (3.4)

w₁=1,0W/(1,0+1,1+1,2)=1,0·3/3,3=0,9 кг/с

w₂=1,1W/3,3                                               (3.5)

w₂=1,1·3/3,3=1 кг/с

w₃=1,2W/3,3                                               (3.6)

w₃=1,2·3/3,3=1,09 кг/с

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

x₁= G_нx_н/( G_н-w₁)                                             (3.7)

x₁= 5·0,04/( 5-0,9)=0,04,или 4%;

х₂=G_нx_н/(G_н- w₁- w₂)                                        (3.8)

х₂=5·0,04/(5- 0,9- 1)=0,06,или 6%;

х₃=G_нx_н/(G_н- w₁- w₂- w₃)                                    (3.9)

х₃=5·0,04/(5- 0,9- 1-1,09)=0,1,или10%

Концентрация раствора в  последнем корпусе х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_к.

3.1.3 Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в  установке равен:

∆P_об= P_г1- P_бк                                                  (3.10)

∆P_об= 0,5- 0,0147=0,4853 МПа

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

P_г1=0,5;

P_г2= P_г1-∆P_об/3                                               (3.11)

P_г2= 0,5-0,4853/3=0,3383;

P_г3= P_г2-∆P_об/3                                               (3.12)

P_г3= 0,3383-0,4853/3=0,1766.

Давление пара в барометрическом  конденсаторе

Р_бк= P_г3-∆P_об/3                                               (3.13)

Р_бк= 0,1766-0,4853/3=0,0147 МПа,

Что соответствует заданному  значению Р_бк.

По давлению паров находим  их температуры и энтальпии 

Р,МПа t,⁰C І,кДж/кг

P_г1=0,5 t_г1=151.11 І₁=2750

P_г2=0,3383 t_г2=136,24 І₂=2741

P_г3=0,1766 t_г3=116,54 І₃=2725

P_бк=0,0147 t_бк=53,6 І_бк=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 преодаление гидростатических 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 ⁰C) равны:

t_вп1= t_г2+∆₁^'"                                                    (3.14)

t_вп1=136,24 +1=137,24⁰C

t_вп2= t_г3+∆₂^'"                                                       (3.15)

t_вп2=116,54 +1=117,54⁰C

t_вп3= t_бк+∆₃^'"                                                    (3.16)

t_вп3= 53,6+1=54,7⁰C

Сумма гидростатических депрессий

∑∆'"=∆₁^'"+∆₂^"'+∆₃^'"                                            (3.17)

∑∆'"=1+1+1=3 ⁰C.

По температурам вторичных  паров определим их давления. Они  равны соответственно (в МПа):

t_вп1=137,24⁰C                                           P_в1=0,3383

t_вп2=117,54⁰C                                            P_в2=0,1766

t_вп3=54,7⁰C                                                P_в3=0,0147

Определение гидростатической  депрессии. Давление  в среднем  слое кипящего раствора каждого корпуса  определяется по уравнению:

Р_ср=Р_в+Нрq(1- Ɛ)/2,                                               (3.18)

где 

        Р_ср- давление вторичного пара в корпусе ,Па;

         Н-высота кипятильных труб в  аппарате,м;

Р- плотность кипящего раствора ,кг/м³;

Ɛ – паронаполнение (обьёмная доля пара в парожидкостной смеси),м³/м².

Для выбора величины  Н  необходимо ориентировочно оценить  поверхность теплопередачи выпарного  аппарата. Можно принять удельную нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией раствора q=30000-50000Вт/м²,аппаратов с принудительной циркуляцией раствора в корпусах  q=80000-100000Вт/м². Примем q=40000Вт/м²,тогда для 1-го корпуса ориентировочная поверхность будет равна:

F_cp==(3.19)

F_cp===46,5м²

 

где

-теплота парообразования вторичного пара,Дж/кг.

По ГОСТу аппарата с принудительной циркуляцией, сосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения имеют высоту кипятильных труб 4 и 6 м при диаметре труб d_H=38 мм и толщине стенки ơ_ст=2 мм.

Примем  высоту кипятильных  труб Н=5м.

При пузырьковом режиме кипения  паронаполнение составляет Ɛ-0,4 0,6. Примем Ɛ =0,5. Плотность водных растворов NaOH по  корпусам при t=15⁰C равна:

p₁=1049кг/м³;

p₂=1063кг/м³;

p₃=1109кг/м³.

При определении плотности  раствора в корпусах  пренебрегаем изменением её с повышением температуры  от 15 ⁰C до температуры кипения в связи с малым значением коэффициента обьёмного расширения и ориентировочным значением величины Ɛ.

Давление в среднем  слое кипятильных труб по корпусам равно:

Р_1ср=Р_в1+Н· p₁·g(l- Ɛ)/2;                                             (3.20)

Р_1ср=33,83·10⁴ +5· 1049·9,8(1-0,5)/2=35,11·10⁴ Па

Р_2ср=Р_в2+Н· p₂·gl· Ɛ/2;                                              (3.21)

Р_2ср=17,66·10⁴ +5· 1063·9,8(1-0,5)/2=18,96·10⁴ Па

Р_3ср=Р_в3+Н· p₃·gl· Ɛ/2;                                               (3.22)

Р_3ср=1,47+5· 1109·9,8(1-0,5)/2=2,82⁴ Па

Этим давлениям соответствует  следующие температуры кипения  и теплоты испарения растворителя:

Р_1ср=35,11·10⁴                                         t_1cp= 138,3   r_в1=2092

 

Р_2ср =18,96·10⁴                                                  t_2cp= 118,6 r_в2=2174

 

Р_3ср=2,82 ·10⁴                                                       t_3cp= 67,9                             r_в3=2351

 

 

Гидростатическая депрессия  по корпусам:

∆₁^'"=t_1cp-t_в1                                                        (3.23)

∆₁^"=138,3-137,24=1,6 ⁰C

∆₂^'"=t_2cp-t_в2                                                        (3.24)

∆₂^"=118,6-117,5=1,3⁰C

∆₃^'"=t_3cp-t_в3                                                       (3.25)

∆₃^"=67,9-54,7=13,2⁰C

 

Сумма гидростатических депрессий  равна:

∑∆"=∆₁^'"+∆₂^"'+∆₃^'"                                              (3.26)

∑∆"=1,6+1,3+13,2=16,1⁰C

 

Температурная депрессия  ∆' определяется по уравнению:

∆'=1,62·10^-2 ∆'_АТМ,                              (3.27)