Процессы и аппараты химических технологий

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ                                5

1 РАСЧЕТ ДВУХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ                              7

1. Расчет установки               7

1.1.1 Расчет в первом  приближении             7

1.1.2. Расчет во втором приближении        16  1.2 Расчет выпарного аппарата        17

1.3. Расчет барометрического  конденсатора         19

1.4. Выбор вакуум-насоса          21

1.5. Расчет подогревателя  исходного раствора       22

1.6. Подбор емкости  для концентрированного раствора       23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ              24

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ        26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Выпариванием называется процесс концентрирования растворов  твердых нелетучих или малолетучих  веществ путем испарения при  кипении летучего растворителя и  отвода образовавшихся паров. Этот процесс широко используется в химической промышленности. В целлюлозно-бумажной промышленности выпаривание применяется для концентрирования растворов отработанных щелоков при регенерации химикатов, в производстве химических волокон  - для концентрирования мерсеризационной щелочи NaOH - при выработке вискозного волокна, для концентрирования капролактама – при выработке капроамидного волокна, для упаривания раствора радонита натрия при получении волокна «нитрон» и т.д.

Процесс выпаривания  может производиться непрерывно или периодически. Аппараты периодического действия используются в основном в производствах малого масштаба. В крупнотоннажных производствах применяются действующие непрерывно выпарные установки, поверхность нагрева которых достигает 6 000-10 000 м². При таких размерах решающим фактором, который определяет экономичность установки, является расход греющего пара.

Основным методом экономии греющего пара является метод многократного выпаривания, сущность которого заключается в том, что выпаривание протекающего раствора проводится в нескольких последовательно соединенных аппаратах, т.е. в многокорпусных установках. Раствор во всех аппаратах, кроме первого, выпаривается за счет тепла вторичных паров, поступающих из предыдущего корпуса. Этим достигается значительная экономия греющего насыщенного водяного пара.

Многократное выпаривание  можно осуществить при использовании  греющего пара высокого давления, либо при использовании вакуума в выпарной установке.

Давление в корпусах установки должно поддерживаться таким, чтобы температура поступающего в корпус вторичного пара была выше, чем температура кипения раствора в этом корпусе. Оптимальное давление греющего пара в последнем корпусе определяется технико-экономическим расчетом.

Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому требуется греющий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяется для концентрирования термически стойких растворов.

При выпаривании под  избыточным давлением требуется автоматическое регулирование давление пара и плотности упаренного раствора, но установка в целом несколько упрощается, так как отпадает необходимость в постоянно действующем барометрическом конденсаторе.

Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора на прямоточные, противоточные и комбинированные.

Противоточные установки  в основном используются для выпаривания 

растворов, вязкость которых  резко увеличивается с увеличением  концентрации, а также, если возможно выпадение твердого вещества из раствора в последнем корпусе. Для перемещения раствора из корпуса в корпус используются насосы.

Преимуществом прямоточной  схемы является то, что раствор  самотеком перетекает из корпуса  с более высоким давлением в корпус с меньшим давлением. Недостатком прямоточных установок является низкий средний коэффициент теплопередачи, по сравнению с противоточными конструкциями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. РАСЧЕТ ДВУХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

 

 

ЗАДАНИЕ. Рассчитать двухкорпусную прямоточную выпарную установку для выпаривания 2750 кг/ч мерсеризационной щелочи NaOH от начальной концентрации 7 % до 40% (масс). Давление греющего пара в первом корпусе 0,4 МПа. Остаточное давление в конденсаторе 0,02 МПа. Раствор подается в выпарной аппарат при температуре кипения. Выпарные аппараты трубчатые с естественной циркуляцией, тип 1 А по ГОСТ 11987-66.

 

 

1.1 Расчет установки

 

Расчет двухкорпусной  прямоточной установки, схема которой  приведена на рис. 1, производим методом  последовательных приближений. В первом приближении предварительно задаемся неизвестными необходимыми величинами, значения которых уточняются в результате расчета.

 

1.1.1 Расчет в первом приближении

 

1. Количество воды, выпариваемое установкой:

                    

,                  (1.1)

где - количество исходного раствора, кг/ч;

  - начальная и конечная концентрации раствора, масс. %.

Количество упаренного раствора:

                      

.      (1.2)

2. Количества воды, выпариваемое в каждом корпусе, принимаем предварительно одинаковыми, т.е:

                                                           (1.3)

3. Концентрация растворов по корпусам.

Полагая, что в выпарном аппарате происходит идеальное перемешивание раствора, концентрация на выходе из аппарата будет равна средней концентрации в аппарате:

в первом корпусе               (1.4)

во втором корпусе 

4. Общая разность температур:

                               (1.5)

где - температура греющего пара в первом корпусе, ^оС;

- температура вторичного пара  на входе в конденсатор, ^оС.

Температуры определяются по заданным давлениям пара по таблицам для насыщенного водяного пара.

5. Полезная разность температур для всей установки

                       

.                              (1.6)

Депрессионные потери по корпусам определяем по таблицам, зная концентрации растворов в каждом корпусе.

Пересчет депрессионных потерь для давления в аппарате, отличного  от атмосферного, производится по формуле Тищенко:

                              

,                                          (1.7)

где Т – температура кипения растворителя, ^оК;

r  - теплота парообразования при температуре кипения растворителя, кДж/кг (по таблице насыщенного водяного пара);

   - температурная депрессия при атмосферном давлении.

Температурная депрессия в первом корпусе при концентрации NaOH 11,9%  -   .

Температурная депрессия во втором корпусе при концентрации NaOH 40% и при избыточном давлении 0,02 МПа составляет:

                              ,          

где Т = 273 +60 = 333 ^оК.

Общие температурные  депрессии составят

                                        

6. Потери от гидростатического эффекта определяются как

,            (1.8)

где - температура кипения растворителя посередине греющих труб, т.е. при давлении ;

  - температура кипения растворителя при давлении ;

  - давление вторичного пара над раствором, МПа ;

  - гидростатическое давление в растворе у середины греющих труб, равное:

                                       ,           (1.9)

 

.          (1.10)

Здесь: - расстояние от уровня раствора в аппарате до трубной решетки, м ;

- длина греющих труб, м ;

  - плотность парожидкостной  эмульсии в греющих трубах, кг/м³ :

                                       ,         (1.11)

где     - плотность раствора, которую определяем по концентрации раствора.

Принимаем по ГОСТ 11987-66 греющие  трубы размером 38 х 3 мм и длиной 3 000 мм,  а h_изд = 200 мм, тогда

                                           ,         (1.12)

                                  ,      

                              .      

Перепад давления пара в  каждом корпусе предварительно принимаем равным:

                                 ,      (1.13)

где - давление греющего пара в первом корпусе, МПа;

      - давление вторичного пара во втором корпусе, предварительно принимаем равным давлению пара в конденсаторе, МПа.

Давление вторичных  паров:

в первом корпусе:     ,       (1.14)

во втором корпусе:    .          (1.15)

Давление растворов  у середины греющих труб:

в первом корпусе:  ;    (1.16)

во втором корпусе: .      (1.17)

Температуры кипения  растворителя определяем по таблицам насыщенного водяного пара при давлениях и .

 

 

Гидростатические  потери:

в первом корпусе:   ;       (1.18)

во втором корпусе: .       (1.19)

7. Общие потери за счет гидростатического эффекта:

                             .         (1.20)

В выпарных установках гидравлические потери при прохождении пара из парового пространства аппарата в греющую  камеру следующего составляют 1,0 – 1,5 ^оС.

       Тогда общие гидравлические потери составят:

                                     (1.21)

8. Полезная разность температур в двухкорпусной установке:

                     

9. Распределение суммарной полезной  разности температур по корпусам  производим из условия взаимозаменяемости  корпусов, т.е., чтобы  F1=F2.

Предварительно принимаем тепловые нагрузки, равными для всех корпусов: Q1=Q2, и задаемся соотношениями коэффициентов теплопередачи по корпусам:

.         (1.22) Тогда для первого корпуса:

                          ;        (1.23)

для второго корпуса:

                          .                (1.24)

 

         10. Вычислив полезную разность температур в каждом корпусе, можно определить температуры кипения растворов и вторичных паров.

Температура кипения  растворов у верхнего уровня в 1 корпусе:

                   .       (1.25)

Температура вторичного пара в первом корпусе:

                          .       (1.26)

Температура вторичного пара, поступающего во второй корпус:

                              .       (1.27)

Температура кипения  раствора у верхнего уровня во втором корпусе:

                 .      (1.28)

Температура вторичного пара во втором корпусе:

                         .       (1.29)

По температурам паров  находим по таблицам для насыщенного  водяного пара давления и энтальпии  паров, а по концентрациям – теплоемкости растворов. Полученные результаты расчетов - параметры паров и растворов по корпусам - сводим в таблицу 1.

11. Определяем из теплового  баланса расход греющего пара  во втором корпусе – D_i = D₂.

Тепловые потери в  окружающую среду для обоих корпусов принимаем предварительно равными 3 %. Тогда

           (1.30)

 

 

 

 

 

Таблица 1.1  -  Параметры выпарной установки

№ ПП	Наименование параметров	Корпуса
		1	2
1	Концентрация раствора, Х, масс. %	11,9	40
2	Температура греющего пара, t, 0C	142,9	132,92
3	Полезная разность температур, tср, 0C	8,8	12,6
4	Температура кипения  раствора у середины греющих труб, tкс, 0С	131,56	80,15
5	Температура кипения  раствора на уровне греющих труб, tк, 0С	128,12	99,87
6	Гидростатические потери, , 0С	5,98	20,45
7	Температурная депрессия, , 0С	4	38,3
8	Температура вторичного пара, tВП , 0С	138,9	91,07
9	Давление греющего пара, Р, МПа	0,4	0,314
10	Энтальпия греющего пара, i’’, кДж/кг	2 744	2154,04
11	Теплосодержание конденсата, i’, кДж/кг	601,1	471,9
12	Давление вторичного пара, РВП , МПа	0,365	0,083
13	Энтальпия вторичного пара, i’’ВП, кДж/кг	2503,9	2460
14	Теплоемкость раствора, С, кДж/кг 0С	4,4	3,28
15	Интегральная теплота растворения, NaOH, кДж/кг	109,5	530