2. Технологическая часть

Описание технологической схемы

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор Na₂CO₃ под вакуумом.

Исходный раствор Na₂CO₃ Р1 из емкости Е1 подается центробежным насосом Н1 в теплообменник АТ1, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, подогревается 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. 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, 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 Na₂CO₃ после выпарного аппарата подается в одноходовой холодильник АТ2, где охлаждается до определённой температуры. Концентрированный раствор охлаждается холодной водой. Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора Е2. После чего идёт далее на производство.

3. Расчёт выпарного аппарата

Материальный баланс процесса выпаривания

Основные уравнения материального баланса:

(1)

(2)

где - массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

х_нач, х_кон – массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с:

(3)

(4)

	Обозначение	Численное значение, кг/с	Содержание соли, масс. доли
Исходный раствор	Gнач.	5.555	0.06
Упаренный раствор	Gкон.	1,449	0.23
Вторичный пар	W	4,106	-

Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы

Определение температуры парового пространства сепаратора и температуры кипения раствора в сепараторе, t₁, t_кон

По давлению в сепараторе P₁=0,4 атм (3.921*10⁴ Па) найдем температуру вторичного пара над кипящим раствором t₁ [2], табл. LVII

По давлению в сепараторе мы можем найти температуру кипения раствора в верхних слоях t_кон, °С (Приложение 1 п.5)

Определим температуру и давление в барометрическом конденсаторе t₀, P₀

Температура в барометрическом конденсаторе t₀, °С

t₀= t₁ – D``` (5)

Зададимся значением гидродинамической депрессии из промежутка 1.0-1.5 °С:

D```_.=1 K

t₀= 75.4 – 1= 74.4 °С

По температуре в барометрическом конденсаторе мы можем найти давление в барометрическом конденсаторе P₀, атм. [2], табл. LVI

Определение давления и температуры в среднем слое кипящего раствора Р_ср, t_ср и тмпературы кипения в аппарате t_кип

Для нахождения давления в выпарном аппарате найдем Н_опт , м.

Н_опт=(0.26+0.0014(r_р-r_в)) Н_тр (6)

Где (r_р-r_в) – разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения, если температуре кипения неизвестна то можно взять при t=20°С [2], с.252

Н_тр – рабочая высота труб, м

Плотность раствора r_р, и воды r_в при температуре t=20 °С, и концентрации X_кон (Приложение 1, п.1)

Примем Н_тр=5 м, тогда

Н_опт=(0.26+0.0014(1.252 10³-997.34)) 5=3,081 м (7)

Находим давление в среднем слое кипящего раствора P_ср, Па

, (8)

где - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе). При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет

Найдем температуру кипения раствора в среднем слое кипящего раствора t_ср, °С:

Определим гидростатическую депрессию:

D``= t_ср – t₁ (9)

D``= 82,34 – 75,4 = 6,94 K

Температурную депрессию найдем по формуле:

, (10)

где - температурная депрессия при атмосферном давлении [3], приложение 4,5

Сумма температурных депрессий:

(11)

Температура кипения раствора в корпусе равна:

(12)

Определение давления и температуры в греющего пара Р_гр.п, t_гр.п

Найдём температуру греющего пара t_гр.п °С:

t_{конд.гр.п.}= Dt_{полезн.}+ t₀ + SD (13)

Зададимся полезной разностью температур Dt_{полезн.£} 25 °С

Dt_{полезн.}= 20 °С

t_{конд.гр.п.}= 20 +74.4 + 10.28 = 104.68 °С

По температуре греющего пара t_гр.п=104.68°С найдём давление насыщенного пара p_гр.п [2], табл. LVI/

P_{конд.гр.п} = 1.219 ат

Таблица 1. Давление и температура в основных узлах аппарата

Барометрический конденсатор	P0 = 0.384 ат.	t0 = 74.40 0С
Паровое пространство сепаратора	P1 = 0.400 ат.	t1 = 75.40 0С
Кипение раствора в сепараторе	P1 = 0.400 ат.	tкон = 76.05 0С
Кипение в среднем слое кипящего раствора	Pср = 0.572 ат.	tср = 82,34 0С
Температура кипения раствора в корпусе		tкип = 84,68 0С
Греющий пар	Pгр.п = 1.219 ат.	tгр.п = 104,680С
Разбавленный раствор (поступающий в выпарной аппарат)		tнач = 74,05 0С

Тепловой баланс выпарного аппарата

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

(14)

гд – расход теплоты на выпаривание, Вт;

– расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

– расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

– расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Q_пот при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы ( + ) [2], с 247. Следовательно:

(15)

Температуру исходного раствора t_нач, поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 2°С меньше t_кип:

t_нач = t_кон-2 (16)

t_нач = 76,05 – 2 = 74,05 °С

Расход теплоты на нагрев:

Q_нагр= G_нач с_нач (t_кип-t_нач) (17)

где G_нач – производительность по разбавленному раствору

с_нач – удельная теплоёмкость раствора при t_нач и начальной концентрации Х_нач , Дж/(кг К) (Приложение 1, п.3)

Q_нагр= 5,555 3,992*10³ (76,05-74,05)=4,436 10⁴ Вт

Расход теплоты на испарение:

Q_исп=W×(i_вт.п - с_в×t_кон) (18)

гдеi_вт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t_кон, из таблицы [2], табл.LVI, кДж/кг;

с_в – удельная теплоёмкость воды при t_кон, (Приложение 1, п.3) Дж/(кг К)

i_вт.п =2638 кДж/кг,

с_в=4201 Дж/(кг К)

Q_исп=4,106×(2638×10³ - 4201×76,05)=9,52×10⁶ Вт

Q = 1.05 (Q_нагр+ Q_исп)

Q=1.05 (4.436×10⁴+9,52×10⁶) = 1,004×10⁷ Вт

Определим удельный расход пара на выпаривание по формуле:

(19)

где G_грп – расход греющего пара.

Определим расход греющего пара:

r_грп=2248,8 кДж/кг ([2] табл. LVI при температуре конденсации греющего пара)

кг/с

Тогда удельный расход греющего пара:

кг_гр.п/кг_{исп.влаги}

Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

Q=K F Dt_{полезн.} (20)

где К – коэффициент теплопередачи Вт/(м² К)

F – площадь поверхности теплообмена, м²;

Коэффициент теплопередачи примем ориентировочно: [2], таблица 4.8

Найдем площадь поверхности теплообмена:

Выбор выпарного аппарата по каталогу

Произведём выбор аппарата по ГОСТ 11987-81. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

F_в.ап.=1.1 F, (21)

Где F_в.ап. – площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м²;

F_в.ап.=1.1 502,15=552,4м²

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией, кипением в трубах и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи м²

Таблица 2. Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 11987-81)

F, м2	D, мм не менее	D1, мм не более	D2, мм не более	Н, мм не более	М, кг не более	d, мм
l=5000 мм
560 м2	1800	4500	1200	17000	38300	38х2

F – номинальная поверхность теплообмена;

D – диаметр греющей камеры;

D₁ – диаметр сепаратора;

D₂ – диаметр циркуляционной трубы;

Н – высота аппарата;

М – масса аппарата;

d – диаметр кипятильных труб.