Проектирование однокорпусной выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора производительностью по исходно

В аппаратах с принудительной циркуляцией  скорость ее 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 протекает  при малых полезных разностях  температур, не превышающих 3-5 К и при значительных вязкостях растворов.

В выпарных аппаратах 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 нагревательную камеру того же аппарата. В отдельных случаях выпарные аппараты с тепловым насосом могут  конкурировать с многокорпусными  выпарными установками.

 

 

2 Цели и задачи проекта

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять  ряду общих требований, к числу  которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи  при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в  эксплуатации, легкость очистки поверхности  теплообмена, удобство осмотра, ремонта  и замены отдельных частей.

Вместе с тем, выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.).

 

3 Основная часть

 

В однокорпусной выпарной установке, принципиальная схема которой показана на рисунке 1, подвергается выпариванию  раствор( карбонат натрия).

 

Греющий пар подают в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется, конденсат выводится из нижней части межтрубного пространства греющей камеры. Теплота, выделяющаяся при конденсации насыщенного пара, передается через стенки кипятильных трубок раствору. В трубах греющей камеры раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Эта парожидкостная смесь, поступает в сепаратор выпарного аппарата, где происходит отделение пара от раствора.

 

Вследствие различия плотностей сред в циркуляционной трубе и кипятильных трубах греющей камеры в аппарате возникает направленная естественная циркуляция раствора, при которой раствор по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубкам поднимается вверх. 

 

В результате смешения поступающего в конденсатор вторичного пара и охлаждающей воды, происходит конденсация пара. Смесь конденсата и охлаждающей воды самотеком выводится из конденсатора через барометрическую трубу, погруженную в жидкость для создания гидравлического затвора, препятствующего проникновению в конденсатор атмосферного воздуха.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Принципиальная схема однокорпусной выпарной установки.

4 Инженерные расчеты

4.1 Расчет выпарного аппарата

Материальный баланс процесса выпаривания

 

Основные  уравнения материального баланса:

 

 

                                      

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

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

 –  расход вторичного пара, кг/с.

 

Из  формулы (2) получаем:

 

 

 

 

 

 

 

Из (1) получаем:

 

 

 

 

Поток	Обозначение	Численное значение, кг/с	Концентрация, %
Исходный раствор
Упаренный раствор
Вторичный пар

 Таблица  1. Расходы и составы потоков.

 

 

 

 

 

 

Температурный режим работы выпарной установки

 

Найдем  абсолютное давление греющего пара:

 

 

/

 где - абсолютное давление греющего пара, Па;

- атмосферное давление, Па;

- избыточное давление  греющего пара, Па.

 

По  значению абсолютного давления по таблице из  ([2] стр. 549) найдем температуру конденсации греющего пара: .

При известной температуре  температуру кипения раствора на среднем уровне кипятильных труб можно найти по формуле:

  (6)

 

Давление  в среднем слое кипящего в кипятильных  трубах раствора выразим из формулы (7):

 

 

где a=-1.667, b=-0.746;

x- конечная концентрация раствора:

 

Тогда, давление в сепараторе рассчитаем по формуле

  (8)

 

Для нахождения рассчитаем плотность вод и плотность раствора конечной концентрации при температуре

  (9)

  (10)

где , , 

 

По  формуле (9) рассчитаем :

/

 

Из  формулы (10) рассчитаем :

 

/

 

При расчете  рекомендуется выбрать максимальную для данного типа аппарата рабочую высоту труб, т. е. .

 

=(0.26+0.0014(1059.3-973.133))*5=1.9 м

 

 

 

По  формуле (7) при давлении и конечной концентрации раствора вычислим температуру кипения раствора в сепараторе:

 

 

Найдем  температуру вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата при давлении .

 

Запишем формулу интерполяции:

 

 

            

            

 

Температуру вторичного пара в барометрическом конденсаторе мы определяем по формуле:

 

 

где – гидравлическая депрессия, К.

 

Принимаем .

 

По  формуле  (12) рассчитаем

 

 

 

По  найденной температуре по паровой таблице из [2] с помощью интерполяции находим давление в барометрическом конденсаторе :

 

 

Расход  теплоты на выпаривание

 

Расход теплоты  на компенсацию потерь в окружающую среду при расчете выпарных аппаратов  обычно принимают в размере 3-5% от суммы (. Примем по формуле (13):

 

где – расход вторичного пара, кг/с;

 – удельная теплота конденсации вторично пара. Ее определяем по давлению по паровой таблице из [2] путем интерполяции по формуле (11):

 

 

 

 – удельная теплоемкость разбавленного раствора, определяется при . Ее найдем по формуле

 

 

где

 – удельная теплоемкость воды, находится по формуле:

 

 

 

 

Тогда по формуле (14) теплоемкость разбавленного раствора будет равна:

 

Начальную температуру  зададим сами. Так как разбавленный раствор в подогревателе нагревается греющим паром, примем Тогда, подставив полученные значения в формулу (13), можем рассчитать тепловую нагрузку:

 

 

Определение расхода греющего пара

 

Расход  греющего пара в выпарном аппарате определяем по формуле:

 

 

где – удельная теплота конденсации греющего пара, определяем при температуре  по паровой таблице из ([2] стр.548)

 

 

 

Теперь  по формуле (16) определяем :

 

 

 

Удельный  расход греющего пара определим по формуле

 

 

 

Расчет  площади поверхности греющей камеры выпарного аппарата

 

Запишем уравнение теплопередачи:

 

 

где – коэффициент теплопередачи, ;

 – поверхность теплообмена, м²;

 – движущая сила процесса теплопередачи,

 

Коэффициент теплопередачи  определяется по формуле:

 

 

где – коэффициенты теплоотдачи, ;

 – сумма термических сопротивлений стенки, включая слои загрязнений, .

 

 найдем по формуле

 

 

где – термические сопротивления загрязнений стенки,

 – толщина стенки,

 – коэффициент теплопроводности стали,

 

Значения  определяем из [2]:

 

 

 

Теперь  по формуле (20) найдем суммарное термическое сопротивление стенки:

 

 

Коэффициенты  теплоотдачи  определяются по формулам:

 

 

 

 

Определим величины, входящие в уравнения (21), (22).

 

Величину  функции  находим из [2] для температуры путем  интерполяции  по формуле (11):

 

 

 

Функция определяется по формуле:

 

 

 

 определяем по паровой  таблице из  [2] путем интерполяции  по формуле (11):

 

 

 

Теперь определяем  по формуле (23) значение :

 

 

 

Коэффициент теплопроводности рассчитываем по формуле

 

 

где

 – коэффициент теплопроводности воды, .

 

 

 

При и получаем

 

 

 

 

Динамический  коэффициент вязкости рассчитываем по формуле

 

 

где ,

  – вязкость воды, .

 

 

 

При и получаем

 

 

 

 

 

Теперь  найдем кинематическую вязкость по формуле:

 

 

 

 

Поверхностное натяжение  находим по таблице из ([2] стр. 526) путем интерполяции при по формуле (11):

 

 

Метод итераций

 

Примем температуру  стенки со стороны пара Тогда

 

Находим по формуле (21):

 

 

 

Удельный тепловой поток от пара к стенке равен:

 

 

 

Находим температуру стенки со стороны раствора

 

 

 

 

Находим по формуле (22), где

 

 

 

Температуру кипения  переведем в систему СИ:

 

 

 

 

 

Удельный  тепловой поток от стенки к раствору 

 

 

 

 

Найдем  погрешность 

 

 

 

 

 

По  полученным данным найдем коэффициент теплопередачи по формуле (19):

 

 

 

Поверхность теплообмена  выразим из уравнения теплопередачи (18):

 

 

 

 

С учетом запаса в  получим .

 

По  полученной поверхности теплообмена по [1] выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой.

 

 

 

 

 

Таблица 2. Основные размеры выпарного аппарата.

, м2	, мм	, мм не менее	, мм не более	, мм не более	, мм не более	, кг не более

 

 – диаметр греющей камеры

 – диаметр сепаратора

 – диаметр циркуляционной трубы

 – высота аппарата

 – масса аппарата

 – длина трубы

 – номинальная поверхность теплообмена

4.2 Расчет барометрического конденсатора

 

Расход  охлаждающей воды   определяют из теплового баланса конденсатора:

 

 

где – расход вторичного пара, кг/с;  

 – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

 – теплоемкость воды,

 – конечная температура смеси воды и конденсата, ;

 – начальная температура охлаждающей воды,

По  [2] находим при :

 

 

 

Разность  температур между паром и жидкостью  на выходе из конденсатора должна быть , поэтому принимаем . Теплоемкость воды принимаем равной

 

 

 

Диаметр барометрического конденсатора определяем из уравнения расхода:

 

 

где – плотность паров, кг/м³;

 – скорость паров, м/с. Принимаем

 

Плотность паров определяем по паровой таблице из [2]:

 

 

 

Рассчитаем  диаметр барометрического конденсатора по формуле (39):

 

 

Выбираем  конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему большему по ([1]  прил. 4.6, стр. 187):

 

Барометрический конденсатор: 

внутренний  диаметр

условный проход штуцера для барометрической трубы

 

Найдем  скорость воды в барометрической  трубе:

 

 

где – плотность воды, кг/м³,

 

 

 

Высоту  трубы определяем по формуле:

 

 

где – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па,

 – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

 – коэффициент трения в барометрическом конденсаторе;

 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений

 

 

где – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

 

  (43)

Найдем  критерий Рейнольдса (43). Для этого определим динамический коэффициент вязкости воды при конечной температуре смеси воды и конденсата t по формуле (30):

 

 

 

 

Для гладких труб при Re>100000 для определения коэффициента трения можно использовать:

 

 

Подставляя  найденные значения в формулу () получаем: