Розрахунок та проектування випарної установки для концентрування розчину КОН

(приклад) 

Завдання

Розрахувати та запроектувати випарну установку для концентрування розчину КОН від початкової концентрації 10%(мас) до кінцевої 35%(мас) продуктивністю 2,0 кг/с. Тип апарату – плівковий. Тиск гріючої пари – 0,3 МПа, тиск в конденсаторі – 0,1 МПа, розчин поступає в корпус нагрітим до температури кипіння, температура води, що надходить в конденсатор – 18^оС.

Зміст

№	Назва	Стор.
1.	Вступ	4
2.	Опис технолгічної схеми	5
3.	Технологічний розрахунок	8
3.1.	Температура кипіння розчину	8
3.2.	Корисна різниця температур	9
3.3.	Визначення теплових навантажень	9
3.4.	Вибір конструкційного матеріалу	10
3.5.	Розрахунок коефіцієнту теплопередачі	10
3.6.	Визначення товщини теплової ізоляції	15
3.7.	Розрахунок барометричного конденсатора	16
3.7.1.	Витрата охолоджуючої води	16
3.7.2.	Діаметр конденсатора	16
3.7.3.	Висота барометричної труби	17
3.8.	Розрахунок продуктивності вакуум-насоса	18
4.	Список використаної літератури	20

1.Вступ

         Випарювання це процес концентрування розчинів твердих не летких речовин шляхом видалення леткого розчинника у виді пари. Суть випарювання полягає в переводі розчинника в пароподібний стан та відводі отриманої пари від сконцентрованого розчину. Випарювання як правило проводиться при кипінні, тобто в умовах, коли тиск пари над розчином дорівнює тиску в робочому просторі апарату.

До властивостей розчинів, які мають вплив на процес випарювання відносяться температурна депресія, теплоємність та теплота розчинення. Температурна депресія це різниця між температурою кипіння чистого розчинника і розчину. Як правило температурну депресію не розраховують, а знаходять на основі дослідних даних. Пара, яка утворюється над киплячим розчином, називається вторинною парою.

В промисловості використовують наступні методи випарювання: просте випарювання, яке проводиться як неперервним, так і періодичним способом; багатократне випарювання, яке проводиться тільки неперервно; випарювання із застосуванням теплового насосу. Два останніх методи забезпечують значну економію тепла. Всі переаховані процеси проводять як під тиском, так і під вакуумом, в залежності від параметрів гріючої пари і властивостей випарюваних розчинів.

2.Опис технологічної схеми

         Спрощена технологічна схема процесу кинцентрування розчину КОН випарюванням в однокорпуснфій випарній установці наведена на рис.2.1.

Вихідний розчин з проміжної ємності Є1 відцентровим насосом Н1  подається у підігрівач П де нагрівається до температури кипіння. Потім розчин поступаї в корпус випарної установки АВ. Попереднє підігрівання розчину підвищує інтенсивність кипіння у випарному апараті.

         Вихідний розчин кипить у кип’ятильнику випарного апарату, а з розчину у вигляді пари виділяється вода, яка є розчинником. В результаті проходить концентруваня розчину. Після досягнення необхідної кінцевої концентрації КОН розчин виводиться з випарного апарату у холодильник кінцевого продукту, а звідси після охолодження збирається у ємності Є2.

         Обігрівання підігрівача вихідної суміші та кип’ятильника випарного апарату здійснюється за допомогою глухої насиченої водяної пари, яка подається з магістального парапроводу. Конденсат гріючої пари відводиться з теплообмінних пристроїв за допомогою конденсатовідводчиків КВ1 і КВ2 і поступає в лінію оборотнього водопостачання.

         У випарному апараті в процесі крпіння розчину утворюється вторинна водяна  пара, яка відводиться у барометричний конденсатор БК. Барометричний кондесатор зрошується холодною водою, яка в робочому просторі конденсатора змішується із вторинною водяною парою. В результаті охолодження пара конденсується. Кондесація вторинної пари призводить до зменшення її об’єму і зменшення тиску в об’ємі конденсатора. Так як барометричний кондесатор з’єднаний парапроводом з сепероатором випарного апарату, то відповідно понижується парціальний тиск водяної пари і над киплячим розчином. Це в свою чергу сприяє пониженню температури кипіння розчину та зменшенню енергетичних затрат на проведення процесу випарювання.

Конденсат в суміші з охолоджуючою водою виводиться з конденсатора за допомогою барометричної труби з гідрозатвором. Несконденсовані гази відкачуються з конденсатора за допомогою вакуум-насоса.

3.Технологічний розрахунок

         технологічний розрахунок випарного апарату полягає у визначенні необхідної площі теплообміну та виборі на його основі стандартного типу випарнго апарату. Поверхню теплообміну корпуса випарної установки визначають за основним рівнянням теплопередачі [1]:

При розрахунку температури кипіння в плівкових випарних апаратах гідростатичну депресію не враховують. Температуру кипіння в таких апаратах знаходять як середню між температурами кипіння розчинів з початковою та кінцевою концентраціями при тиску в даному корпусі.

Температури кипіння початкового та кінцевого розчинів знаходимо за довідниковими таблицями [1]: t_поч = 102,2 ^оС, t_кін = 117,0 ^оС. Тоді температура кипіння розчину:

Гідродинамічна депресія обумовлена втратою тиску пари на подолання гідравлічного опору трубопроводу при переході від корпуса до барометричного конденсатора. Як правило в розрахунках приймають Δ''' = 1,0÷1,5 град. Приймаємо Δ''' = 1 град. Тоді температура вторинної пари дорівнює:

3.4.Вибір конструкційного матеріалу

Вибираємо конструкційний матеріал, стійкий в середовищі киплячого КОН в інтервалі зміни концентрацій від 10 до 35 %. В даних умовах хімічно стійкою є сталь марки Х17. Швидкість корозії не більше 0,1 мм/рік, коефіцієнт теплопровідності λ_ст = 25,1 Вт/(м´К).

3.5.Розрахунок коефіцієнту теплопередачі

Коефіцієнт теплопередачі визначають за рівнянням адитивності термічних опорів:

приймаємо, що сумарний термічний опір дорівнює опору стінки δ_ст/λ_ст та накипу δ_н/λ_н. Термічний опір зі сторони пари не враховуємо.

Для подальшого розрахунку коефіцієнту теплопередачі необхідно орієнтовно оцінити поверхню теплопередачі випарного апарата F_ор. При кипінні водних розчинів можна прийняти питоме теплове навантаження апарату з природньою циркуляцією q = 20000 ÷ 50000 Вт/м². приймаємо q = 25000 Вт/м². Тоді поверхня теплопередачі апарата орієнтовно дорівнює:

де ν – кінетична в’язкість розчину, м²/с – 3,6´10^-7;

re = 4Г/μ – критерій Re для плівки розчину; Re = 4´0,0625/0,45´10^-3 = 556.

Г = G/П – лінійна масова швидкість зрошення, кг/(м´с); Г = 2,0/32 = 0,0625.

П = F/H – змочений периметр, м; П = 160/5 = 32.

μ – в’язкість киплячого розчину, Па´с – 0,45´10^-3.

         Значення коефіцієнтів і показників степеней в рівнянні (3.9) при q < 20000 наступні: с =163,1, п = -0,264, т = 0,685.

         Тоді:

Для розрахунку в третьому наближені будуємо графічну залежність питомого теплового навантаження від різниці температур між парою і стінкою (рис3.1). По графіку визначаємо Δt = 5,3 град. Тоді отримуємо:

Як бачимо значення питомих теплових навантажень задовільно співпадають. Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі при цьому закінчуємо. Тоді значення коефіцієнту теплопередачі дорівнює:

Приймаємо випарний апарат з висхідною плівкою з наступними характеристиками:

-         площа теплообміну – 125 м²;

-         довжина теплообмінних труб – 5 м;

-         діаметр теплообмінної труби - 38´2 мм;

-         діаметр гріючої камери – 1000 мм;

-         діаметр сепаратора – 2200 мм;

-         висота сепараційної зони – 2500 мм.

3.6.Визначення товщини теплової ізоляції

Товщину теплової ізоляції δ знаходять з рівності питомих теплових потоків через шар ізоляції від поверхні ізоляії в навколишнє середовище: