2. Технологическая часть.
Описание технологической схемы.
В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор карбоната калия под вакуумом.
Исходный раствор MgCl2 из емкости Е1 подается центробежным насосом Н в теплообменник АТ, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата АВ. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.
Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создоваемого барометрическим конденсатором КБ и вакуум-насосом НВ. В барометрическом конденсаторе КБ вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по барометрической трубе с гидрозатвором. Конденсат греющих паров из выпарного аппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчиков КО. Концентрированный раствор MgCl2 после выпарного аппарата подается в одноходовые холодильники Х1-2, где охлаждается до определённой температуры. Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники Е2-3, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора Е5.
3.1 Расчёт выпарного аппарата.
3.1.1. Материальный баланс процесса выпаривания.
Основные уравнения материального баланса:
где
- массовые расходы начального и конечного
раствора, кг/с;
хнач, хкон – массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;
W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с:
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи :
F=Q/(K*tср )
Для определения тепловых нагрузок Q , коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур tср необходимо знать распределение упариваемой воды , концентрации растворов и их температур кипения по корпусам. Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:
W=Gн*(1-Xн/Xк)
W=3.61*(1-0.03/0.22)=3.118 кг/с
Где W-массовый расход выпариваемой воды , кг/с;
Gнач,Gкон- массовые расходы начального ( исходного) и конечного (упаренного ) растворов , кг/с;
Хнач , Хкон – массовые доли растворённого вещества в начальном и конечном растворе;
F- поверхность теплопередачи, м ;
К- коэффициент теплопередачи, Вт/м *К;
Q-расход теплоты.
Тепловая нагрузка может быть найдена как сумма:
Q=Qнагр+Qисп+Qпот
Расход теплоты на нагревание находится по формуле;
Qнагр= снач*Gнач(tкон-tнач)
Однако приняв tкон=tнач , можно расход теплоты на нагревание принять за ноль.Расход теплоты на испарение вычисляется по формуле:
Qисп = W * (I в.п. –Св*tк )
Где Iвп- удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата , Дж/с .Эту величину находим по значению давлени в аппарате , из таблицы приложения на странице 550 . Для данного случая: Р1=0,55, Iвп=2646*10^3 Дж/с.
Св – удельная теплоёмкость воды равная 4190 Дж/ кг*К:
tк- температура конечного раствора на выходе из аппарата , расчитываемая по формуле:
tк=1669,6/(10.0888-Lg(0.55*10^4*9.81)+Lg(-3.457*0.22^2-0.417*0.22+1))-228.4=91.04C
Отсюда:
Qисп = 3,118*(2646000-4190*91,04)=7.06 МВт
Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Qпот при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (Qнагр+ Qисп)
/ 2, с 247 /. Следовательно:
Q = 1.05(Qнагр+ Qисп)
Для того чтобы найти полезную разность температур необходимо знать температуру греющего пара. Эта величина находится по схеме:
tг.п.=tкип+20
Температура кипения для данного случая находится по формуле:
Tкип=1,669,6/(10,0888-Lg(68221.659)+Lg(-3.457*0.22^2-0.417*0.22-1))-228.4=97.39C
Отсюда :tг.п=97,39+20=117,39
По полученной температуре греющего пара , по таблице ( пр-е стр. 550) , подбираем близкую по значению температуру и абсолютное давление. В данном случае:
tг.п.=116,3
рабс=1,8 атм
По температуре греющего пара и температуре кипения может быть найдена
полезная разность температур:
tср=116,3-97,32=18,98
Из полученных значений находим площадь поверхности теплопередачи :
F=(7.06*10^6*1.05)/(1000*18,98)=390,616 м
Удельный расход пара на выпаривание d представляет собой отношение расхода греющего пара Gгп к расходу испаряемой воды W. Расход греющего пара , в свою очередь, находят по формуле:
Gг.п.=(1,05*Qисп)/(x*r)
Где х-паросодержание ( степень сухости ) греющего пара;
r-удельная теплота конденсации греющего пара , Дж/кг.
Gг.п.=(1,05*7,06*10^6)/(0.95*2217*10^3)=3.5 кг/с
Отсюда:
d=Gг.п./W=3.5/3.118=1.129 кг гр. Пара/кг исп. Воды
Выбор выпарного аппарата по каталогу.
|
F |
Dmm |
D1 mm |
D2 mm |
H mm |
M kg |
L mm
|
|
400 |
1600 |
3800 |
1000 |
15000 |
26500 |
5000
|
Основные размеры выпарных аппаратов выбраны по ГОСТ- 11987- 81.
Высота парового пространства Н1- не более 2500 мм
Условное давление в греющей камере - от 0,014 до 1,0 Мпа
Условное давление в сепараторе - от 0,0054 до 1,0 Мпа
Диаметр трубы d=38*2 мм
F- номинальная поверхность теплообмена м
D- диаметр греющей камеры мм
D1- диаметр сепаратора мм
D2- диаметр циркуляционной трубы мм
H- высота аппарата мм
M- масса аппарата кг
L- длина трубы мм
Выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. Наиболее подходящим аппаратом для вычесленной поверхности теплопередачи является аппарат с поверхностью равной
400 м . Аппарат с вынесенной греющей камерой характеризуются тем , что упаривание растворов происходит с выделением незначительного осадка ,
удаляемого механическим путём .([3], стр. 182)