Проектирование вакуум-выпарной установки

Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара на вертикальных трубах

α=2,04*At/(                                                                      (12)

где α - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара, Вт/м2 ∙К;

At –коэффициент, численное значение приведено в таблице 1;

H – высота труб, м;

tгр.п. – температура конденсации греющего пара, 0С;

tст1.– температура поверхности стенки, соприкасающейся с пленкой конденсата,0С.

Таблица 1

Температура конденсации водяного пара , 0С	100	110	120	140	160	180
At	6960	7100	7240	7420	7490	7520

Теплоотдача при кипении раствора

α=b3*                                                                                     (13)

где α - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности вертикальных труб к

кипящему раствору , Вт/м2 ∙К;

b – численный коэффициент, см                                                              

λ –коэффициент теплопроводности раствора при температуре кипения tкип.;

q – удельный тепловой  поток, Вт/м2;

ρ – плотность раствора при температуре кипения tкип., кг/м3;

μ- динамический коэффициент вязкости раствора при температуре кипения tкип., Па∙с;

σ- коэффициент поверхностного натяжения раствора при температуре кипения tкип, Н/м;

tкип. - температура кипения раствора на среднем уровне кипятильных труб (при давлении Pср.), 0С ;

tст2 -температура поверхности  стенки, соприкасающейся с кипящим  раствором,0С ;

Tкип. =tкип. +273.K;

b=0.075+0.75*2/3                                                                                   (14)

где ρп – плотность насыщенного водяного пара при tкип. , кг/м3 .

2.2.2 Расчет барометрического  конденсатора смешения

Расход охлаждающей воды

Gв=W*(iвт.п.- cв tвк) /(cв*( tвк- tвн))                                                               (15)

где Gв- расход охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор, кг/с;

iвт.п.- энтальпия вторичного пара в барометрическом конденсаторе (при давлении Р0), Дж/кг;

св - удельная теплоемкость воды, Дж/кг∙К;

tвн и tвк - начальная и конечная температура воды в барометрическом конденсаторе

Диаметр барометрического конденсатора

d=                                                                                                 (16)

где d – диаметр конденсатора, м;

W – расход вторичного  пара, кг/с;

ρвт.п. – плотность вторичного пара при давлении Р0, кг/м3;

vвт.п. – скорость пара, м/с.

Скорость воды в барометрической трубе

γв=4(Gв+W)/(ρв*π*)                                                                                   (17)

где vв – скорость воды в барометрической трубе, м/с;

ρв – плотность воды, кг/м3;

dб.т. – диаметр барометрической трубы, м.

Высота барометрической трубы

Hб.т.=(+0.5+(1+Σξ)/(1-*                                                      (18)

где Hб.т. – высота барометрической трубы, м;

B –вакуум в барометрическом  конденсаторе, Па;

Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе и из нее;

λ – коэффициент трения.

Режим течения воды в барометрической трубе

Re=γв*dб.т.*ρв./μв                                                                                                          (19)

где Re – критерий Рейнольдса;

μв – вязкость воды, Па∙с.

2.2.3 Расчет вакуум-насоса

Количество воздуха, откачиваемого вакуум- насосом из барометрического конденсатора

Gвозд.=2,5*10-5*(W+Gв)+0,01W                                                                   (20)

где Gвозд. – производительность вакуум-насоса, кг/с.

Объемная производительность вакуум-насоса

Vвозд.=R*(273+tвозд.)* Gвозд./(Мвозд.* Рвозд.)                                                     (21)

где Vвозд. – объемная производительность вакуум-насоса, м3/с

R – универсальная газовая  постоянная, Дж/кмоль∙К;

tвозд. –температура воздуха,0С;

Mвозд. – молярная масса воздуха, кг/кмоль;

Pвозд. - парциальное давление воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

tвозд.=tвн+4+0,1*(tвк-tвн)                                                                                   (22)

Рвозд.=Р0-Рп                                                                                                                     (23)

где P0 - давление в барометрическом конденсаторе, Па;

Pп – давление сухого насыщенного пара при tвозд.

2.2.4 Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов

    Определение площади  поверхности теплопередачи теплообменных  аппаратов осуществляется на основании расчетов теплового баланса, средней разности температур теплоносителей для данного теплообменника и выбранным коэффициентам теплопередачи, рекомендованным по практическим данным для различных видов теплообмена.

Площадь поверхности теплопередачи теплообменника

F=Q/(K* Δtср.)                                                                                                (24)

где F-площадь поверхности теплопередачи, м2;

Q –тепловая нагрузка  аппарата, Вт;

К-коэффициент теплопередачи, Вт/м2 ·К;

Δtср - средняя разность температур между теплоносителями, К(0С).

 

Тепловая нагрузка аппарата.

Тепловая нагрузка аппарата определяется по уравнению теплового баланса. Вид расчетного соотношения зависит от того, изменяется агрегатное состояние теплоносителя в процессе теплообмена или нет.

Если агрегатное состояние теплоносителя в процессе теплообмена не изменяется, то для процесса охлаждения теплоносителя :

Q=G*c*( tнач- tкон.)                                                                                      (25)

где Q- тепловая нагрузка аппарата, Вт;

G – массовый расход  теплоносителя, кг/с;

с- удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/кг∙К;

tнач., tкон. – начальная и конечная температуры теплоносителя.

Для процесса нагревания теплоносителя:

Q=G*c*( tкон- tнач.)                                                                                         (26)

При изменении агрегатного состояния теплоносителя (конденсация насыщенного пара, кипение жидкости):

Q=G*r                                                                                                               (27)

где r – удельная теплота конденсации (парообразования), Дж/кг.

Коэффициент теплопередачи

Таблица 2 - Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи К, Вт/( м2К)

Вид теплообмена	Вынужденное движение
От жидкости к жидкости (углеводороды)	120 – 300
От жидкости к жидкости (вода)	800 – 1700
От конденсирующегося пара к воде (конденсаторы, подогреватели)	800 – 3500
От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели)	120 – 500
От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы)	300 – 800

Средняя разность температур теплоносителей

 

Δtср=                                                                                                          (28)

где ΔtI и ΔtII - разности температур теплоносителей на концах теплообменника.

   Определение средних  температуры теплоносителей

Для теплоносителя, температура которого в теплообменнике изменяется на меньшее число градусов, средняя температура tср.1 определяется как средняя арифметическая между начальной tнач.и конечной tкон. температурами:

tср.1=(tвн+tвк)/2                                                                                              (29)

   Для другого теплоносителя  среднюю температуру находят  по формуле:

tср.2= tср.1± Δtср

   Это уравнение  справедливо и тогда, когда температура  первого теплоносителя постоянна  вдоль поверхности теплообмена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 Технологическая  схема установки

     Технологическая схема выпарной установки показана на листе 1 графической части. Исходный разбавленный раствор с концентрацией 3 % масс и температурой 20 0С из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом Н1 подаётся в теплообменник Т1(ГОСТ 15118-79), где подогревается до температуры близкой к температуре кипения вторичным паром , который поступает в верхнюю часть теплообменника . Пар, сконденсировавшийся в межтрубном пространстве теплообменника, выводится из нижней части теплообменника с помощью конденсатоотводчика КО1.Теплообменник Т1 работает под избыточным давлением. Затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата АВ (ГОСТ 11987-81).В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения.  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, создаваемого 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. Конденсат греющих паров из выпарного аппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчика КО2. Вакуум в системе поддерживается вакуум-насосом, который установлен ниже конденсатора и присоединяется к конденсатору в верхней его части.

     Концентрированный  раствор NH4NO3 после выпарного аппарата подается в одноходовой холодильник Т2, где охлаждается до определённой температуры. Концентрированный раствор охлаждается холодной водой. Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора Е2. После чего идёт далее на производство.

     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.

 

 

 

 Технологическая схема

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Расчет выпарного  аппарата

Материальный баланс процесса выпаривания

   В соответствии  с уравнениями материального  баланса (1), (2) найдем неизвестные  расходы концентрированного раствора  и вторичного пара:

Gн=10000/3600=2,77 кг/с

Gк=Gн*xн/xк=2,77*(0,03/0,12)=0,694 кг/с

W= Gн- Gк=3.06-0.77=2.076 кг/с

Температурный режим работы выпарной установки

   Найдем абсолютное  давление греющего пара:

Pгр.п.=Pатм+Pизб=1*105+2*105=3*105 Па ,

где Ргр.п. - абсолютное давление греющего пара, Па;

Ратм.- атмосферное давление, Па;

Ризб.- избыточное давление греющего пара, Па.

   Для определения  температуры конденсации греющего  пара tгр.п. по его

абсолютному давлению используем таблицу Б.1: tгр.п = 132,9 0С.

   При известной  температуре tгр.п температуру кипения раствора на среднем уровне кипятильных труб tкип. можно найти из соотношения (9).

Δtпол.= tгр.п- tкип.

   Предварительно, необходимо  задать полезную разность температур, исходя из того, что для аппаратов  с естественной циркуляцией раствора  рекомендуется: Δtпол.= 15-30 К. При дальнейшем увеличении полезной разности температур интенсивность процесса теплопередачи может резко снизиться, из-за возникновения кризиса кипения раствора в кипятильных трубах [1,2]. Принимаем Δtпол.= 25 К.