Проектирование выпарной установки для концентрированного водного раствора хлорида аммония, производительностью 22 кг/с по концентрирован

Исходный раствор хлорида  кальция с начальной концентрацией  масс. долей из емкости Е1 подается центробежным насосом Н2 в теплообменник АТ1, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения , а затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата 4. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. Выпариваемый раствор, двигаясь в греющей камере по трубе вскипания, нагревается и кипит при средней температуре 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. В выпарном аппарате давление и температура . В барометрическом конденсаторе вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Давление в барометрическом конденсаторе . Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком при гидрометрической трубе с гидрозатвором.

Концентрированный раствор карбоната калия с концентрацией %масс. после выпарного аппарата подается в двухходовой холодильник AT3, где охлаждается до температуры . Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор с помощью центробежного насоса Н2 подается в емкость упаренного раствора.

 

3 Инженерные расчеты

3.1 Материальный баланс  процесса выпаривания

 

Основные уравнения материального баланса:

 

                                                       (3.1)

                                                (3.2)

 

где , - соответственно массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

, - соответственно массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с.

 Из формулы 3.2 получаем:

 

;

 

 кг/с.

Решая совместно уравнения 3.1 и 3.2 получаем:

 

;

 

 кг/с.

Материальный баланс выпаривания

 

Таблица 3.1

Поток	Обозначение	Численное значение, кг/с	Содержание соли, массовые доли
Исходный раствор		4,58	0,12
Упаренный раствор		2,2	0,25
Вторичный пар	W	2,38	-

3.2 Определение температур  и давлений в узловых

точках технологической  схемы

 

3.2.1 Определение температуры  конденсации и давления вторичного пара в барометрическом конденсаторе

Температуру конденсации  вторичного пара в барометрическом  конденсаторе мы определяем по формуле:

 

                     (3.3)

 

где - температура конденсации греющего пара, ;

      - полезная разность температур, К.

      Принимаем  = 40 К.

      - температурная депрессия, К;

       - гидростатическая депрессия, К.

       Принимаем  = 5 К.

       - гидравлическая депрессия, К.

       Принимаем  = 1 К.

Давление греющего пара:

 

 

 

где - атмосферное давление,

- избыточное давление греющего пара.

По, находим по (/1/, табл. LVII,стр. 549) температуру греющего пара :

.

 полагаем равной  при и . По (/1/, рис. XIX, стр. 568), находим :

.

Подставляя, найденные  значения и в уравнение для получаем:

.

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим, что при . По (/1/, табл. LVII, стр. 549) находим температуру в барометрическом конденсаторе при давлении :

.

 

3.2.2 Определение температур  и давлений в выпарном аппарате

Температура в сепараторе :

;

.

По [1, табл. LVI] находим давление вторичного пара в сепараторе при температуре :

.

Температура кипения  раствора в сепараторе выпарного  аппарата, при которой конечный раствор  выводится из аппарата определяется по формуле: См. приложение.

 

;           (3.4)

 

где , , - давление, Па.

.

Уточненное значение температурной депрессии определяем по формуле:

;

.

Оптимальная высота уровня по водомерному стеклу определяем по формуле:

 

                          (3.5)

 

где и - соответственно плотности раствора конечной концентрации и воды при средней температуре кипения , . Так как не известно, то принимаем . - рабочая высота труб, принимаем Плотность воды можно рассчитываем по формуле:

 

                           (3.6)

 

.

Плотность раствора определяем по формуле:

 

                  (3.7)

 

где , , .

Откуда

Подставляя найденные значения и в формулу 3.5 получаем:

Гидростатическое давление в середине высоты труб при определяем по формуле:

 

                                          (3.8)

 

.

Подставляя в формулу 3.4 давление , находим среднюю температуру кипения раствора:

.

Находим уточненное значение гидростатической депрессии  :

.

Находим уточненное значение полезной разности температур :

 

 

 

.

Начальную температуру  раствора принимаем равной .

Таблица 3.2 - Температурный режим работы выпарной установки

Узловые точки технологической  схемы	Температура,		Давление,
Барометрический конденсатор		90		0.715
Паровое пространство аппарата		91		0.740
Выход кипящего раствора в сепаратор		98.57	в сепараторе	0.740
Трубное пространство (середина высоты труб)		99.48		0.801
Межтрубное пространство греющей  камеры		142,9		4,03
Вход исходного раствора в выпарной аппарат		92,0	-	-

 

3.3 Тепловой баланс выпарного аппарата

 

3.3.1 Расход теплоты на выпаривание

Тепловая нагрузка выпарного аппарата равна:

 

  ,                              (3.9)

 

где - расход теплоты на нагревание раствора, кВт; - расход теплоты на испарение влаги кВт; - теплота дегидратации. Обычно, эта величина мала по сравнению с другими статьями теплового баланса и ею можно пренебречь; - расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду.

Расход теплоты на нагревание раствора , определяется по формуле:

 

,                                           (3.10)

 

где - теплоемкость разбавленного раствора, определяется по формуле:

 

                 (3.11)

 

где , , , , - удельная теплоемкость воды, определяется по формуле:

 

                                            (3.12)

 

где - температура воды,

.

Тогда по формуле 3.11 будет равна:

и по формуле 3.10 получим:

.

Расход теплоты на испарение определяется по формуле:

 

                                                    (3.13)

 

где - энтальпия вторичного пара, при температуре .

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим :

.

Теплоемкость воды по формуле 3.12 при температуре  будет равна:

,

тогда по формуле 3.13 находим  расход теплоты на испарение:

.

Расход теплоты на компенсацию  потерь в окружающую среду  ,при расчете выпарных аппаратов принимают 3-5% от суммы . Таким образом, равняется:

.

Следовательно, количество теплоты, передаваемой от греющего пара к кипящему раствору, по формуле 3.9 равняется:

.

 

3.3.2 Определение расхода  греющего пара

Расход греющего пара (в кг/с) в выпарном аппарате определяем по уравнению:

 

,                                                                 (3.14)

 

где - паросодержание (степень сухости) греющего пара; - удельная теплота конденсации греющего пара,  . Из (/1/, табл. LVII, стр. 550) находим для температуры ,

.

И получаем:

.

Удельный расход греющего пара:

 

 

3.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата

 

Выпарная установка  работает при кипении раствора в  трубах при оптимальном уровне. При  расчете выпарного аппарата мы приняли  высоту труб . При расчете установки мы приняли: тепловая нагрузка ; средняя температура кипения раствора хлорида аммония ; температура конденсации сухого насыщенного водяного пара . Для кипящего раствора коэффициент теплопроводности раствора NH4Cl мы рассчитываем по формуле:

 

,                                               (3.15)

 

где , - коэффициент теплопроводности воды, :

 

,               (3.16)

 

.

Тогда по формуле 2.15 получаем:

Средняя разность температур:

 

 

 

Находим  коэффициент  теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к поверхности вертикальных труб по формуле:

 

,                                          (3.17)

 

где (/1/, табл. 4.6, стр. 162).

;

Следовательно,

.

Коэффициент теплоотдачи  от стенки труб к кипящему раствору:

 

,                                           (3.18)

 

где

 

,                                       (3.19)

 

и - соответственно плотности раствора и его пара при средней температуре кипения , К; - динамический коэффициент вязкости, ; - поверхностное натяжение раствора, Н/м, при и .

Плотность раствора, рассчитанная по формулам 3.6 и 3.7, равна:

;

.

Плотность пара находим по (/1/, табл. LVI, стр. 548):

.

Таким образом, по формуле 3.19 получаем:

.

Динамический коэффициент  вязкости рассчитывается по формуле:

 

 ,                              (3.20)

 

где - температура раствора, , , , ; - вязкость воды, :

 

                                           (3.21)

 

При средней температуре  кипения раствора получаем:

.

.

Поверхностное натяжение  берем по (/1/, табл. XXIII, стр. 526) для хлорида аммония 10% концентрации:

.

Подставляя найденные  значения в формулу 3.18 получаем: