Тема: Рассчитать трехкорпусную выпарную установку с принудительной циркуляций для концентрирования кон g=2,2 кг/с, b1=10%, b2=50% Давление греющего пара Р=0,5 мpа, ост давл в баром конд. 0,25 атм План

2.Описание схемы процесса

Полная технологическая схема многокорпусной установки представляет собой совокупность технологических узлов, объединенных в соответствии с целью производства получением упаренного раствора.

При разработке полной технологической схемы необходимо предусмотреть меры, повышающие надежность работы непрерывно действующей выпарной установки и снижающие капитальные и эксплуатационные затраты.
Известно, что непрерывно действующие выпарные установки отличаются большой производительностью, возможностью механизации и автоматизации технологического процесса. Однако пуск и остановка непрерывно действующих технологических линий значительно сложнее, чем периодически действующих, следовательно, остановка всей линии из-за выхода из строя одного аппарата недопустима. По этой причине трубопроводные коммуникации выпарной установки должны предусматривать возможность отключения отдельных аппаратов для периодических кратковременных чисток и ремонтов и возможность предотвращения попадания в них горячего раствора и пара при отключении. Все материальные потоки в этом случае направляются в обход отключенного аппарата в оставшиеся работающие аппараты. Возможность быстрого отключения отдельных аппаратов от работающей выпарной установки особенно важна при аварийных ситуациях, возникающих в работающих аппаратах образование свищей в кипятильных трубках, нарушение герметичности уплотнений и т.д.). При проектировании трубопроводной обвязки необходимо обходиться минимальной протяженностью труб и минимумом арматуры. Несоблюдение этого правила может привести не только к значительному росту гидравлических сопротивлений, но и к увеличению стоимости всей установки.
С учетом изложенных рекомендаций разработана схема трехкорпусной прямоточной выпарной установки представленная на рисунке 1.



Рисунок 1 – Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора

Исходный раствор со склада готовой продукции поступает в емкость исходного раствора А 7 откуда центробежными насосами Н 1, Н 2 подается по коммуникации раствора в подогреватель исходного раствора А 5. Нагретый в подогревателе до температуры кипения раствор подается в первый корпус А 1 выпарной установки. В случае временной остановки подогревателя А 5 на чистку или ремонт, последний отключается запорной арматурой, и холодный раствор подается по коммуникации раствора непосредственно в корпус А 1. Разумеется, при отключении подогревателя А 5, производительность установки может снизится, но не произойдет ее остановки.

Из корпуса А 1 раствор самотеком (за счет разности давлений) по коммуникации раствора переходит в корпус А 2, а из корпуса А 2 а корпус А 3. На приведенной технологической схеме для перепуска раствора из одного корпуса в другой используется общая коммуникация раствора, установленном на ней необходимой запорной арматурой. Это экономит трубы и дает возможность гибко управлять работой установки. Переключая соответствующим образом запорную арматуру можно направлять раствор в обход любого из корпусов в случае временного его отключения на чистку или кратковременный ремонт (без остановки всей технологический схемы).
Из последнего корпуса раствор направляется в емкости А 8, А 9 каждая из которых находится либо под вакуумом – при заполнении раствором, либо под атмосферным давлением – при перекачке упаренного раствора на дальнейшую переработку.

Рисунок 2 – Технологическая схема: 1-емкость исходного раствора; 2, 9-насосы; 3, 4, 5-выпарные аппараты; 6-емкость упаренного раствора; 7-гидрозатвор; 10-барометрический конденсатор

Для подвода пара к каждому корпусу установки используются, паропроводы, составляющие паровую коммуникацию. Паровая коммуникация 2 обеспечивает возможность временного отключения любого из аппаратов установки (подогревателя А 5 и корпусов А 1, А 2 или А 3) при минимальном количестве паровых трубопроводов. Это достигается установкой запорной арматуры на подводящих паропроводах к каждому аппарату. На паровой коммуникации устанавливаются также разобщающие вентили, чтобы не допустить смешения греющего пара каждого корпуса с его вторичным паром. При нормальной работе установки вентили на подводящих паропроводах открыты, а разобщающие вентили закрыты.

3. Расчетная часть

1. 
   Количество воды, выпариваемой в трех корпусах установки:
   

2. 
   Распределение нагрузки по корпусам.
   

Сделаем это распределение на основании практических данных, приняв следующее соотношение массовых количеств выпариваемой воды по корпусам:
1:2:3 = 1,0:1,1:1,2.
Следовательно, количество выпариваемой воды:
В 1 корпусе
Во 2 корпусе
В 3 корпусе
_____________________________________
итого: W = 1,57 кг/c

3. 
   Расчет концентраций раствора по корпусам.
   

Начальная концентрация раствора х_Н = 5%. Из 1 корпуса во 2 переходит раствора:

Концентрация раствора, конечная для первого и начальная для 2, будет равна:

из 2 корпуса в 3 переходит раствора

с концентрацией

из 3 корпуса выходит раствора

с концентрацией
, что соответствует заданию.

4. 
   Распределение перепада давлений по корпусам.
   

Разность между давлением греющего пара и давлением пара в барометрическом конденсаторе:

Предварительно распределим этот перепад давлений между корпусами поровну, т.е. на каждый корпус примем:
, тогда абсолютное давление по корпусам будут:
В 3 корпусе р₃ = 0,2
Во 2 корпусе р₂ = 0,2 + 1,93 =2,13
В 1 корпусе р₁ = 2,13 + 1,93 = 4,06
Давление греющего пара:
р = 4,06 + 1,93 =5,99=6
По паровым таблицам находим температуры насыщения паров воды и удельные теплоты парообразования для принятых давлений в корпусах:
Для 3 корпуса:
t_H = 68,7 ⁰C
r = 2336 КДж/кг
Для 2 корпуса:
t_H = 104,2 ⁰C
r = 2249 КДж/кг
Для 1 корпуса:
t_H = 119,6 + (132,9 – 119,6) ∙ 0,1/1 = 120,3 ⁰C
r = 2208 + (2171 – 2208 ) ∙ 0.1/1= 2204 КДж/кг
Для греющего пара:
t_H = 132,9 ⁰C
r = 2171 КДж/кг

	Температура насыщенного пара, ^0C	Удельная теплота парообразования, КДж/кг
1 корпус	132,9	2204
2 корпус	104,2	2249
3 корпус	68,7	2336
Греющий пар	132,9	2171

Эти температуры и будут температурами конденсации вторичных паров по корпусам.

5. 
   Расчет температурных потерь по корпусам.
   

От депрессии
В справочных таблицах находим температуры кипения растворов при атмосферном давлении
Для 3 корпуса:
t_кип = 101 + (102 –101 ) ∙ 2,55/3,28= 101,8 ⁰C
Для 2 корпуса:
t_кип = 103 + (104 – 103 ) ∙ 1,44/2,36 = 103,2 ⁰C
Для 1 корпуса:
t_кип = 115 + (120 – 115 ) ∙ 1,68/4,76 = 117,5 ⁰C

	Концентрация NaOH, %	Температура кипения, ^0C	Депрессия, К или ^0C
1 корпус	6,67	101,8	1,8
2 корпус	10,59	103,2	3,2
3 корпус	30	117,5	17,5

Следовательно, по трем корпусам:
∆t_депр = 1,8 + 3,2 + 17,5 = 22,5⁰C = 22,5 К.
От гидростатического эффекта
В справочных таблицах находим плотность раствора при 20 ⁰C
Для 1 корпуса:
ρ = 1075 кг/м³
Для 2 корпуса:
ρ =1108,9 + (1130,99– 1108,9) ∙ 0,43/2 = 1115,2 кг/м³
Для 3 корпуса:
ρ = 1328 кг/м³

Концентрация NaOH, %	9,25	12,43	20
Плотность, кг/м^3	1075	1115,2	1328

Эти значения примем и для температур кипения по корпусам.
Расчет ведем для случая кипения в трубках при оптимальном уровне.
1 корпус

при р₁=2,1 ат; t_кип = 120,3 ⁰C;
при р_ср =2,18ат; t_кип = 119,6 + (132,9 – 119,6) ∙ 0,18/1 = 122⁰C.
∆t_{г. эф} =122 – 120,3 = 1,7 К.
2 корпус

при р₁=1,2 ат; t_кип = 104,2 ⁰C;
при р_ср =1,29 ат; t_кип = 106 ⁰C.
∆t_{г. эф} =106 - 104,2 = 1,8 К.

при р₁=0,3 ат t_кип = 68,7 ⁰C
при р_ср =0,46 ат t_кип = 68,7 + (118,7 – 68,7) ∙ 0,16/1,63 = 73,7 ⁰C.
∆t_{г. эф} =73,7– 68,7 = 5 К.
Всего ∑∆t_{г. эф} = 1,7 + 1,8 +5 = 8,5 К
От гидравлических сопротивлений
Потерю разности температур на каждом интервале между корпусами принимаем в 1 К. интервалов всего 3, следовательно,
∆t_{г. с} =1∙3 =3 К
сумма всех температурных потерь для установки в целом:
∑∆t_пот = 22,5 + 8,5 + 3 = 34 К
6.Полезная разность температур.
Общая разность температур 132,9 – 68,7 = 64,2 К; следовательно, полезная разность температур:
∆t_пол=64,2 – 34 = 30,2 К

6. 
   Определение температур кипения в корпусах:
   

В 3 корпусе t₃ = 68,7 + 1 + 5 + 17,5= 92,2 ⁰С
В 2 корпусе t₂= 104,2+ 1 + 1,8 + 3,2= 110,2 ⁰С
В 1 корпусе t₁= 132,9+ 1 + 1,7 + 1,8= 137,4 ⁰С

7. 
   Расчет коэффициентов теплопередачи по корпусам
   

По найденным температурам кипения и концентрациям растворов в корпусах подбираем в справочниках расчетные константы – физические характеристики растворов. Далее задаем диаметр труб и их длину. По этим данным рассчитываем коэффициенты теплоотдачи для конденсирующегося пара и кипящего раствора и коэффициенты теплопередачи. На основании таких предварительных расчетов примем:
В 1 корпусе К₁ = 1700 Вт/м²∙К
В 2 корпусе К₂ = 990 Вт/м²∙К
В 3 корпусе К₃ = 580 Вт/м²∙К
Соотношение коэффициентов теплопередачи по координатам при выпаривании водных растворов солей:
К₁ ׃ К₂ ׃ К₃ = 1 ׃ 0,58׃ 0,34
8.Составление тепловых балансов по корпусам.
Для упрощения приближенного расчета составляем тепловые балансы без учета тепловых потерь и принимаем, что каждого последующего корпуса в последующий раствор поступает при средней температуре кипения.
По условию раствор подается на выпарку подогретым до температуры кипения в 1 корпусе. Тогда расход теплоты в 1 корпусе:
Q₁ = W₁ ∙ r₁ =0,21 ∙ 2204000=462840 Bт
Раствор приходит во 2 корпус перегретым, следовательно, Q_нагр отрицательно и расход теплоты во 2 корпусе:
Q₂ = W₂ ∙ r₂ – G₁ ∙ c₁(t₁ – t₂) =0,23 ∙ 2249000 – 0,62∙ 4190 ∙0,834(137,4 – 110,2) = 458439 Bт
Количество теплоты, которое даст вторичный пар 1 корпуса при конденсации, составляет W₁ ∙ r₁ = 462840 Bт. Расхождения прихода и расхода теплоты в тепловом балансе 2 корпуса менее 1% (0,9%).
Расход теплоты в 3 корпусе:
Q₃ = W₃ ∙ r₃ – G₂ ∙ c₂(t₂ – t₃) =0,25 ∙ 2336000 – 0,39 ∙ 4190 ∙ 0.825(110,2 – 92,2) = 559734 Bт
Вторичный пар 2 корпуса дает теплоты при конденсации
W₂ ∙ r₂ = 0,23 ∙ 2249000 =517270 Вт.

8. 
   Расход греющего пара в 1 корпусе:
   

G_Г.П = 462840/2171000 = 0,2 кг/с
Удельный расход пара:
d = G_{Г. П.}/W = 0.2 / 0,69 = 0.31 кг/кг

9. 
   Распределение полезной разности температур по корпусам.
   

Распределение полезной разности температур по корпусам сделаем в двух вариантах: из условия равной площади поверхности и из условия минимальной общей площади поверхности корпусов, т.е. пропорционально Q/К и пропорционально √ Q/К..
Найдем факторы пропорциональности:

Отношение	Q/К	√ Q/К∙10^3
1 корпус	272	522
2корпус	463	681
3корпус	965	982
Сумма	1700	2185

Полезные разности температур по корпусам:

Отношение	Вариант равной площади поверхности корпусов	Вариант минимальной общей площади поверхности корпусов
∆t1	4,8	7,2
∆t2	8,3	9,4
∆t3	17,1	13,6
Сумма	30,2	30,2

1. 
   Определение площади поверхности нагрева:
   

Отношение	Вариант равной площади поверхности корпусов	Вариант минимальной общей площади поверхности корпусов
F1	56,3	37,8
F2	56,3	49,2
F3	56,3	71,0
Сумма	168,9	158

Следовательно, при равных площадях поверхностей корпусов общая площадь поверхности нагрева больше лишь на 6,5 %.

Принимаем поэтому вариант равной площади поверхности корпусов, обеспечивающей однотипность оборудования.