Расчет и подбор выпарной установки

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твёрдых веществ при температуре кипения путём частичного удаления растворителя в парообразном состоянии. Выпариванию подвергают водные растворы твёрдых веществ, и удаляемый растворитель представляет собой водяной пар, так называемый вторичный пар.

Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространённых технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. Число действующих выпарных установок исчисляется многими сотнями.

Единой классификации выпарных аппаратов не существует, но целесообразными являются классификации по поверхности нагрева и свойствам используемых теплоносителей. Наибольшее распространение получили аппараты, обогреваемые конденсирующимся водяным паром, реже – топочными газами и высокотемпературными органическими теплоносителями, очень редко – электрическим током.

Наиболее простыми являются выпарные аппараты в виде вертикальных полых цилиндров или чашеобразные. Аппараты бывают:

· С внутренними вертикальными нагревательными камерами;

· С наружными циркуляционными трубами;

· С подвесной нагревательной камерой;

· С соосными и выносными нагревательными камерами;

· Плёночные аппараты.

Также бывают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией. Движущей силой естественной циркуляции является разность гидростатических давлений жидкости в циркуляционной трубе или кольцевом канале и парожидкостной смеси.

В данном курсовом проекте мной рассмотрен выпарной аппарат с выносной греющей камерой и кипением в трубках. Выпариваемым раствором является сульфат аммония.

Место постройки проектируемой установки - город Ижевск. Последний корпус этой трёхкорпусной выпарной установки работает под разряжением.

Преимуществами такой выпарной установки являются:

1. благодаря вакууму может быть создана большая полезная разность температур, что и даёт возможность осуществить многократное использование тепла и этим снизить расход пара на выпаривание;

2.  низкая температура кипения в последних корпусах служит большей гарантией от пригорания и разложения продукта в случае упаривания растворов органических веществ;

3.  большая гибкость выпарной установки в работе и приспособляемость к колебаниям нагрузки, так как конденсатор служит буфером, воспринимающим эти колебания.

Недостатки этой установки:

1. несколько более сложное оборудование, так как необходимо иметь барометрический конденсатор смешения для создания вакуума;

2. несколько большая площадь здания для установки под разряжением;

3. потеря вторичного пара из последнего корпуса, используемого лишь частично в виде тепла охлаждающей воды в смеси с конденсатом при температуре около 50⁰С;

4. пониженная температура вторичного пара последних корпусов, это требует увеличения поверхности нагрева теплообменной аппаратуры, обогреваемой экстра-паром из выпарной установки.

2. Описание технологической схемы выпарной установки.

Исходный разбавленный раствор из промежуточной ёмкости Е1 подаётся центробежным насосом в теплообменник Т, где исходный раствор подогревается до температуры кипения экстра-паром, отведённым из первого корпуса. Затем раствор подаётся в первый корпус выпарной установки АВ1.

Тип всех корпусов выпарной установки – выпарной аппарат с выносной греющей камерой и кипением в трубках. Здесь выпариваемый раствор поднимается по трубкам камеры, через подъёмную циркуляционную трубу поступает в сепаратор, откуда отделившийся вторичный пар, пройдя через брызгоуловитель, покидает аппарат. Раствор же опускается по нижней циркуляционной трубе в нижнюю часть нагревательной камеры, вновь поднимается по её трубам и т. д. Исходный раствор вводится в спускную циркуляционную трубу, а упаренный - отводится из нижней части сепаратора.

Первый корпус обогревается водяным паром, поступающим с ТЭЦ. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус АВ2. Как уже было ранее сказано, часть вторичного пара - экстра-пар – направляется в качестве греющего в теплообменник Т и на бытовые нужды. Во второй корпус АВ2 направляется частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус АВ3 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 КБ, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующейся паро-воздушной смеси вакуум-насосом. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подаётся в промежуточную ёмкость упаренного раствора Е2.

Конденсат греющего пара из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.

3. Теплотехнический расчёт выпарных аппаратов.

3.1. Расчёт общего количества выпаренной воды.

W = S₀*(1-a₀/a₃) = 12000*(1-7/49) = 10285,7кг/ч

Предположим, что с учётом отвода экстра-пара в первом корпусе выпаренная вода между корпусами распределилась следующим образом:

 W₂ = W₃ = (W-E₁)/3 = (10285,7-300)/3 = 3328,5 кг/ч

 W₁ = W₂+E₁ =3328,5 +300 = 3628,5 кг/ч

Найдём концентрации а₁ и а₂:

 W₁ = S₀*(1-a₀/a₁)

 a₁ = a₀/(1-W₁/s₀)=7/(1-3628,5/12000) = 10,04% масс.

 W₁+W₂ = S₀*(1-a₀/a₂)

 a₂ = a₀/(1-(W₁+W₂)/S₀)=7/(1-6957/12000)=16,67% масс.

3.2. Расчет депрессий.

3.2.1. Гидравлические депрессии между корпусами принимаем равными 1.5⁰С.

3.2.2. Температурные депрессии.

Для корпусов 1 и 2 депрессии берутся в предположении, что давления в них мало отличаются от атмосферного: d_ и d2 берутся при а₁ и а₂ как стандартные.

а₁=10,04%масс. d_ =100,4-100,0=0,4⁰С (1, стр. 37) 

а₂=16,67%масс. d₂ =1,2⁰С (1, стр. 37)

Для третьего корпуса значения t_3, d₃ и q3 находятся строго, т. к. здесь точно известны концентрация а₃ и давление Р₃: по правилу Бабо, если нужно, то с поправкой Стабникова В.Н.

Согласно правилу Бабо, отношения давления паров растворителя над раствором Р к давлению паров над чистым растворителем Рs при температуре кипения раствора не зависит от рабочего давления и температуры его кипения:

 Р/Рs = (Р/Рs)ст = const

Т. о. Температура кипения раствора 49% (NH₄)₂SO₄ при атмосферном давлении

t = 107⁰С. (3, стр. 510) Рsст = 1,294 бар=1,294*10⁵ Па (2, стр. 17)

Const = (Р/Рs)ст =9,81*10⁴/1,294*10⁵ = 0,758

Тогда Рs=Р/ const=0,197/0,758=0,260 бар

По (2, стр. 23) находим искомую температуру кипения раствора, равную температуре кипения воды: t₃ = 64,08⁰С. Найдём q3:Р₃=0,197 бар, то по (2, стр. 23) q3=58,7⁰С.

Тогда d_3реал = t₃ - q3=64,08 - 58,7 = 5,38 ⁰С.

3.3. Суммарная полезная разность температур:

Dс= Т₁q₃d_d2-d3d_гd2_г = 147,1-58,7-0,4-1,2-5,38-1=80,42⁰С

d2_г примерно от 1 до 3 С. Принимаем d_г = 1С

где давление греющего пара 0,4МПа (= 3,94ат), то по (2, стр.43) Т₁=147,1 ⁰С.

Dс=DD2+D3

D1:D2:D3=1 : 1,1 : 1,5

D1= 22,34⁰С

D2= 24,57⁰С

D3= 33,51⁰С.

3.4. Заполнение предварительной таблицы.

Значения давлений и энтальпий взяты из (2, стр. 17).