Выносная греющая камера легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт греющей камеры можно производить без полной остановки аппарата(а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две камеры.

Конструкция теплообменных аппаратов выбирается на основе расчета по определению поверхности теплопередачи.До температуры кипения исходный раствор подогревается в отдельном теплообменнике за счет тепла греющего пара, что позволяет избежать увеличения поверхности. Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых, который состоит из корпуса и приваренного к нему трубных решеток. В теплообменнике одна среда движется внутри труб, а другая в межтрубном пространстве. Среды направляются противотоком друг к другу. Раствор подаётся снизу вверх, а насыщенный водяной пар в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения её плотности при нагревании. Кроме того, при указанном направлении движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата.

Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае второго) отводится в барометрический конденсатор, в котором при конденсации пара создается требуемое разряжение. Сухой полочный барометрический конденсатор работает при противоточном движении охлаждающей воды и пара. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку главным образом с охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель вакуум-насосом.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.

2.3 Принцип действия проектируемой установки

Технологическая схема выпарной установки показана на листе 1 графической части. Исходный разбавленный раствор с концентрацией 4 % масс и температурой 25 0С из промежуточной емкости центробежным насосом подаётся в теплообменник (ГОСТ 15118-79), где подогревается до температуры близкой к температуре кипения, а затем в выпарную установку (ГОСТ 11987-81). Предварительный подогрев раствора производится насыщенным водяным паром.

Выпарной аппарат обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора, направляется в барометрический конденсатор.

Самопроизвольный перетек раствора и вторичного пара в корпусе возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара, а в барометрическом конденсаторе смешения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся концентрированный раствор центробежным насосом подаётся в промежуточную емкость упаренного раствора концентрацией 19 % масс.

Конденсат греющего пара из выпарного аппарата выводится с помощью конденсатоотводчика.

Важное значение имеет охрана окружающей среды. Поэтому необходимо строгое соблюдение технологии очистки сточных вод, отходящих газов и т.д. Целесообразно применение мер профилактики по предотвращению опасных выбросов.

3. РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F=Q/(K*Дtп). (3.1)

Для определения тепловой нагрузки Q, коэффициента теплопередачи К и полезной разности температуры ?t(n) необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов и их температуры кипения. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение:

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W=Gн *(1-хн/хк). (3.2)

Подставив, получим:

18 т/ч =5 кг/с

W=5(1-4/19) =3,95 кг/с

3.1.1 Концентрации 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: w1:w2=1,0:1,1.

Тогда:

w1=1,0W/(1,0+1,1)=3,95/2,1=1,88 кг/с

w2=1,1W/(1,0+1,1)=4,345/2,1=2,068 кг/с

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

х1=Gн*хн/(Gн-w1)=5*0,04/(5-1,88)=0,064, или 6,4%

х2=Gн*хн/(Gн-w1-w2)= 5*0,04/(5-1,88-2,068)=0,19, или 19%

Концентрация раствора в последнем корпусе х2 соответствует заданной концентрации упаренного раствора.

3.1.2 Температура кипения раствора

Принимаем, что обогрев производится греющим паром - насыщенным водяным паром давлением Рг1=4 ат или 0,3924 МПа.

Общий перепад давлений в установке равен:

ДРоб=Рг1-Рбк=0,3924-0,011=0,3814 МПа.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Р, МПа. t, °C. I, кДж/кг.

Рг1=0,3924 tг1=142,9 I1=2744

Рг2=0,2017 tг2=120,3 I2=2711

Рбк=0,011 tбк=47,42 Iбк=2585

При определении температуры кипения раствора в аппарате исходим из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с естественной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимаем равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяем при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости, температуру кипения раствора в корпусе принимаем 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 УД от температурной (Д'), гидростатической (Д") и гидродинамической (Д'") депрессий:

УД=Д'+Д"+Д'"

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Д"'=1,0 -1,5 °С на корпус.

Примем Д'"=1,0 °С.

Тогда температура вторичных паров в корпусах равна:

tвп1=tг2+Д1'"=120,3+1,0=121,3°С;

tвп2=tбк+ Д2'"=47,42+1,0=48,42°С;

Сумма гидродинамических депрессий

У Д'"=1+1=2, °С

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно (в МПа): Рвп1=0,208 МПа; Рвп2=0,0115 МПа.

Определяем гидростатическую депрессию. Давление в среднем слое кипящего раствора Pср равно:

Рср=Рвп+с•g•Н•(1-е)/2, (3.4)

где Н - высота кипятильных труб в аппарате, м; с- плотность кипящего раствора, кг / куб.м; е - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), куб.м/куб.м.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fop. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000 Вт/кв.м.

Примем q=40000 Вт/кв.м. Тогда поверхность теплопередачи ориентировочно равна: Fop=Q/q=w1•r1/q=1,88•2187•103/40000=102,79 м2.

где r1- теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг, r1=2187 кДж/кг.

По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и выносной греющей камерой состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5м при диаметре dн=38 мм и толщине стенки дст=2 мм.

Примем высоту кипятильных труб Н=4 м. При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет е=0,4-0,6.

Примем е =0,5. Плотность водных растворов, в том числе раствора CuSO4 при температуре 25 °С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

с1=1063 кг/м3

с2=1218 кг/м3

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 25°С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения е.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равно:

Р1ср=Рвп1+с1•g•Н•(1-е)/2=208000 +1063•9,81•4•(1-0,5)/2=0.2184 МПа

Р2ср=Рвп2+с2•g•Н•(1-е)/2=11400 +1218•9,81•4•(1-0,5)/2=0,0231 МПа

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:

Р, Мпа. t, °C. r, кДж/кг.

Р1ср=0,2184 tcp1=122,6 rвп1=2187

Р2ср=0,0231 tcp2=62,85 rвп2=2344

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °С):

Д"1=tcp1-tвп1=122,6-121, 3 =1,3°С.

Д"2=tcp2-tвп2=62,85-48,42=14,43°С

Сумма гидростатических депрессий:

У Д"= Д1"+ Д2"=1,3+14,43=15,73°С

Температурную депрессию Д' определим по уравнению Тищенко:

Д'=1,62•10-2•Д'атм•(Т2)/rвп, (3.5)

где Т - температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; Д'атм - температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение Д'атм1= 0,192 °С; Д'атм2=0,57 °С.

Д'1=1,62•10-2•Д'атм1•(Т12)/rвп1;

Д'1=1,62•10-2• (122,6+273)2 •0,192/2187 =0,22 °С;

Д'2=1,62•10-2•Д'атм2•(Т22)/rвп2;

Д'2=1,62•10-2•(66+273)2•0,57/2344=0,44 °С.

Сумма температурных депрессий:

УД'=Д'1+Д'2=0,22+0,44=0,66°С

Температуры кипения растворов равны (в °С):

tк1=tг2+Д'1+Д"1+Д'"1=120,3+0,22+1,3+1=122,82 °С

tк2= tбк+Д'2+Д"2+Д'"2=47,42+0,44+14,43+1=63,29 °С

3.1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

УДtп=Дtп1+ Дtп2

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

Дtп1=tг1-tкl=142,9-122,82=20,08°С

Дtп1=tг1-tкl=120, 3-63,29=57,01°С

Тогда общая полезная разность температуры равна:

УДtп=20,08+57,01=77,09 °С.

Проверим общую полезную разность температуры:

УДtп=tг1-tбк-(УД'+УД"+УД'")=142,9-47,42-(0,66+15,73+2)=77,09°С

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

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

Q1=D•(Iг1-i1)=1,03•[Gн•Сн•(tк1-tн)+w 1•(Нвп1-Св•tк1)+Qконц1]; (3.6)

Q2= w1•(Iг2-i2)=1,03•[(Gн- w1)•С1•(tк2-tк1)+w 2•(Iвп2-Св•tк2)+Qконц2]; (3.7)

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

Сн, С1 - теплоемкости растворов соответственно исходного и в первом корпусах. кДж/(кг*К); Сн =4.14кДж/(кг*К), С1=3.994кДж/(кг*К).Св- теплоемкость воды, кДж/(кг*К).;tн - температура кипения исходного раствора при давлении в корпусе,0С; D- расход греющего пара, кг/с;

При решении уравнения можно принять:

Iвп1 ? IГ2; Iвп2 ? Iбк;

Qконц1, Qконц2-теплоты концентрирования по корпусам, кВт; так как эти величины имеют небольшое значение, то ими пренебрегаем.

Q1=D•(2744-104.6)=1,03•[5•4.14•(122.82-122.6)+w1•(2711-4,19•122.82)]

Q2=w1•(2711-516.1)=1,03[(5-w1)•3,994•(63.29-122.82)+w2•(2585-4.19•63.29)]

W=w1+w2=3.95

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D=2.384 кг/с; w1=1.859 кг/с; w2=2.091 кг/с;

Q1=6292 кВт; Q2=4080 кВт

Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5