Выпарная установка К2СО3

1. Обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р_r1 = 1,3 МПа.
2. Давление в барометрическом Конденсаторе Р_бк = 0,02 МПа.
3. Выпарной аппарат — тип 1, исполнение 2.
4. Взаимное направление пара и раствора — прямоток.
5. Отбор экстрапара не производится.
6. Раствор поступает в первый корпус подогретым до температуры кипения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  Проектирование трехкорпусной выпарной установки

 

1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

 

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

                                                                                        (1)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи 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 приближений.

Первое приближение. Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W=G_H(1-x_н/х_к)                                                                               (2)

Где G_H – производительность , кг/с; (из задания);

x_н – начальная концентрация, %; (из задания);

х_к – конечная концентрация, %; (из задания).

Получим:

W=10,56(1-7/47)=8,98 кг/с

 

4.1 Расчёт концентраций 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 принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

ω₁ : ω₂: ω₃ = 1,0 : 1,1 : 1,2

Тогда

= 2,72 кг/с

= 2,99 кг/с

= 3,27 кг/с

Где W - производительность установки, кг/с, (2).

Проверяем

W = ω₁ + ω₂+ ω₃ =2,72 + 2,99 + 3,27 = 8,98 кг/с

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

= 0,094 (9,4 %)

= 0,152 (15,2 %)

= 0,47 (47 %)

где G_H – производительность , кг/с; (из задания);

x_н – начальная концентрация, %; (из задания);

х_к – конечная концентрация, %; (из задания).

Концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной Концентрации упаренного раствора х_к.=47%.

 

4.2 Определение температур кипения растворов

 

Общий перепад давлений в установке равен:

∆Р_об = P_r1 – P_бк = 1,3 – 0,02 = 1,28 МПа

где P_r1 - обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р_r1 = 1,3 МПа (из задания);

P_бк - давление в барометрическом конденсаторе, Р_бк = 0,02 МПа  (из задания)

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

Р_r1 = 1,3 МПа (из задания)

Р_r2 = Р_r1 - ∆Р_об /3 = 1,3 - 1,28/3 = 0,8733 МПа

Р_r3 = Р_r2 - ∆Р_об /3 = 0,8733 - 1,28/3 = 0,4466 МПа

Давление пара в барометрическом конденсаторе

Р_бк = Р_r3 - ∆Р_об /3 = 0,4466 - 1,28/3 = 0,02 МПа

что соответствует заданной величине Р_бк из задания

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1, Таблица LVII](см список используемой литературы) методом интерполирования:

 

Таблица 1

 

Давление, МПа	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг
Рr1 = 1,3	tr1 = 191,6	I1 = 2793
Рr2 =0,8733	tr2 = 174	I2 =2780
Рr3 =0,4466	tr3 = 147	I3 =2749
Рбк =0,02	tбк = 59,7	Iбк =2607

 

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 преодоление гидравлических 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 °С) равны:

Сумма гидродинамических депрессий

По температурам вторичных паров определим их давления [1](см список используемой литературы):

 

Таблица 2

 

Температура, °С	Давление, МПа
tВП1 = 175	РВП1 = 0,8972
tВП2 = 148	РВП2 = 0,4516
tВП3 = 60,7	РВП3 = 0,02

 

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению

                                                                   (3)

где Н — высота кипятильных труб в аппарате, м;

       ρ — плотность кипящего раствора, кг/м³;

       ε — паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе),  м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_op. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q =20000 — 50000 Вт/м², аппаратов с принудительной циркуляцией q = 40000 — 80000 Вт/м².

Примем q = 45000 Вт/м².

Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

м²

где r₁ — теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг

      ω₁ - производительность по выпариваемой воде в первом корпусе, ω₁= 2,95 кг/с (см 1.1)

По ГОСТ 11987—81 [2] (см список используемой литературы) трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре d_H = 38 мм и толщине стенки б_ст = 2 мм.

Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε = 0,4—0,6.

Примем ε = 0,5.

Плотность водных растворов, в том числе раствора К₂СO₃ (см список используемой литературы), при температуре 20°С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

ρ₁ = 1044 кг/м³,

ρ₂  = 1130 кг/м³,

ρ₃= 1535 кг/м³,

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 °С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны

Па

Па

Па

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1 ] (см список используемой литературы):

 

Таблица 3

 

Давление, МПа	Температура, 0С	Теплота испарения, кДж/кг
Р1ср= 0,9074	t1cр = 175,67	rвп1 = 2036
Р2ср= 0,4627	t2cр = 148,8	rвп2 = 2124
Р3ср= 0,035	t3cр = 71,1	rвп3 = 2330

 

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам (в °С):

Сумма гидростатических депрессий равна:

 ⁰С

Температурная депрессия определяется по уравнению

                                                                 (4)

где Т — температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

— температурная депрессия при атмосферном давлении (см список используемой литературы).

Находим значение по корпусам (в °С):

=

=

=

Сумма температурных депрессий равна:

⁰С

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °С):

 

4.3 Расчет полезной разности температур

 

Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:

Тогда общая полезная разность температур

°С

Проверим общую полезную разность температур:

°С

 

4.4 Определение тепловых нагрузок

 

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

                        (8)

            (9)

     (10)

                                                                                     (11)

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду.

При решении уравнений (8)—(11) можно принять

;

;

;

Q_1Конц, Q_2Конц, Q_3Конц - теплота концентрирования по корпусам, кВт;

t_Н — температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе, °С:

°С

где - температурная депрессия для исходного раствора.

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры (см список используемой литературы) показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса:

Q_3Конц = G_сух∆q = G_Hx_H∆q                                                              (12)

где G_сух - производительность аппаратов по сухому Са₂СO₃, кг/с;

       ∆q - разность интегральных теплот растворения при концентрациях х₂ и х₃, кДж/кг

Q_3Конц = 10,56 · 0,07(955,2-825,4)=95,95 кВт

Сравним Q_3Конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q_3ор:

кВт

Поскольку Q_3Конц составляет значительно меньше 3 % от Q_3оp, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_Конц.

 

Получим:

 

Решение системы уравнений дает следующие результаты:

D = 2,89 кг/с;

ω₁ = 2,75 кг/с;

ω₂ = 3,02 кг/с;

ω₃ = 3,21 кг/с;

Q₁ = 5829 кВт;

Q₂ = 5715 кВт;

Q₃ = 6523 кВт;

Полученные величины сводим в таблицу.

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (ω₁ = 2,72 кг/с, ω₂ = 2,99 кг/с, ω₃ = 3,27 кг/с) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать Концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

 

Таблица 4 Параметры растворов и паров по корпусам

 

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде ω, кг/с	2,75	3,02	3,21
Концентрация растворов х, %	9,4	15,2	47
Давление греющих паров Рr, МПа	1,3	0,8733	0,4466
Температура греющих паров tr, 0С	191,6	174	147
Температурные потери , град	3,27	4,24	18,79
Температура кипения раствора tк, 0С	177,27	151,24	78,49
Полезная разность температур , град	14,33	22,76	68,51