2. Технологическая часть.

Описание технологической схемы.

Исходный раствор NaOH из емкости подается центробежным насосом в теплообменник, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, подогревается греющим паром, который поступает в верхнюю часть теплообменника. Пар, сконденсировавшийся в трубах теплообменника, подогревается и возвращается обратно. Теплообменник работает под избыточным давлением. Затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата. В данном варианте применяется двухкорпусная выпарная установка, с кипением в межтрубном пространстве. 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. В барометрическом конденсаторе 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 выводится с помощью конденсатоотводчиков. Концентрированный раствор NaOH после выпарного аппарата подается в одноходовые холодильники, где охлаждается до определённой температуры. Концентрированный раствор охлаждается холодной водой. Затем концентрированный раствор отводится в сборник. Сборник опорожняется периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора. После чего идёт далее на производство.

3. Технологические расчеты.

3.1 Расчёт выпарного аппарата.

3.1.1. 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:

кг/с

=2.78 кг/с

3.1.2. Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы.

3.1.2.1 Определение давления и температуры в сепараторе Р₁, t₁

(3)

где P₁ – давление сепараторе;

Р_ср – давление в трубах;

- плотность раствора в трубах кг/м³;

g - ускорение свободного падения м²/с;

мм.рт.ст.

3.1.2.2. Определение давления и температуры вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀, t₀ . Определение давления и температуры в выпарном аппарате Р₁, t₁

_.

Давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀, Па,

Находим конечную температуру на выходе из сепаратора t_кон, ^оС

Воспользуемся формулой (приложение 1 п.5)

t_кон= , ^оС

находим т-ру вторичного пара t₁

t₁= ,^оС

t=2 ,^оС

находим

температуру вторичного пара в барометрическом конденсаторе t₀, С:

t₀=t₁ –2 =86.5-2=84.5 ,^оС

По температуре вторичного пара в барометрическом конденсаторе t₀, С, находим двление вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀ , Па

Р₀=56612 Па

3. Определение давления в среднем слое выпариваемого раствора Р_ср.

Оптимальная высота уровня Н_опт

Н_опт=(0.26+0.0014­­­­(_р-_в))Н_тр (4)

Где (_р-_в) – разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения

Н_тр – рабочая высота труб, м

Плотность раствора _р, и воды _в при температуре t_кип=100.2С, и концентрации X_кон (приложение 1 п.1)

_в=1000-0.62* t_кип-0.00355* t_кип²

_в=1000-0.62*100.2 -0.00355*100.2 ²=958 кг/м³

_р=10^{(log(958)+(0.393743+3.7031*10e*100.2-2.7164e-6*100.2^2)*Xк)}

_р= 1150 кг/м³

Примем Н_тр=5 м, тогда

Н_опт=(0.26+0.0014­­­­(1150-958))5=2.64 м

Температуру кипения на середине кипятильных труб при Р_ср

=100.3 С

2. Тепловой баланс выпарного аппарата.

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

Q = Q_нагр+ Q_исп+ Q_пот (8)

где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;

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

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

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

3.1.3.1. 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 (Q_нагр+ Q_исп)

/ 2, с 247 /. Следовательно:

Q = 1.05(Q_нагр+ Q_исп) (9)

Температуру исходного раствора t_нач, поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 5С меньше t_кон:

t_нач= t_кон-5

t_нач=84.5-5=79.5 С

2. Расход теплоты на нагрев:

Q_нагр= G_начс_нач(t_кон-t_нач) (10)

где G_нач – производительность по разбавленному раствору

с_нач – удельная теплоёмкость раствора при t_нач и начальной концентрации Х_нач , Дж/(кгК)

с_нач=3878.5 Дж/(кгК)

Q_нагр= 5.563878.5 (94.2-79.5)=316997 Вт

3. Расход теплоты на испарение:

Q_исп=W(i_вт.п - с_вt_кон) (11)

где i_вт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t₁, из таблицы / 2, табл.LVI /, кДж/кг;

с_в – удельная теплоёмкость воды при t_кон, Дж/(кгК) по формуле (приложение 1 п.3)

i_вт.п =2643 кДж/кг,

с_в=4223.6+2.476*84.384*log(84.384/100)=4208 Дж/(кгК)

Q_исп=2.78(264310³ - 420884.384)=6138240 Вт

Q=316997+6138240+645523.7=7100760.7 Вт

2. Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата.

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

Q=KFt_{полезн.} (12)

где К – коэффициент теплопередачи Вт/(м²К)

F – площадь поверхности теплообмена, м²;

Коэффициент теплопередачи К найдем из выражения:

(13)

где _кип – коэффициент теплоотдачи кипящего раствора, Вт/(м²К)

_конд - коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара, Вт/(м²К)

∑r_ст – сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м²К)/Вт

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи. Термическое сопротивление со стороны пара не учитываем. Получим:

/=0,002/25,1+0,0005/2=2,87*10^-4 м²*К/Вт

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке ₁ равен

₁=2,04(r₁*²_ж1*³_ж1)/(_ж1*Н*t₁),

где r₁-теплота коденсации греющего пара, Дж/кг;

_ж1, _ж1, _ж1 – соответственно плотность кг/м³, теплоемкость Вт/(м*К), вязкость Па*с

Расчет ₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем t₁=2 град. Тогда

₁=2,04*2208*10³*943²*0,686³/2*4*0,00023=8779 Вт/м²*К

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q=₁t₁=t_ст/(/)=₂*t₂

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; t_ст – перепад температур на стенке, град; t₂ – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град

t_ст=₁*t₁*/=8779*2*2,87*10^-4=5,04 ,град

t₂=t_п-t_ст-t=20-5,04-2=12,96 ,град

Распределение температур в прцессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору показано на рисунке

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора равен

Где  - теплопроводность раствора Вт/(м*К), [приложение 1 пункт 4]

- плотность раствора кг/м³ [приложение 1 пункт 1]

с – теплоемкость раствора Дж/(кг*К) [приложение 1 пункт 3]

 - вязкость раствора Па*с [приложение 1 пункт 2]

 - поверхность натяжения Н/м, [2, с.526]

_п – плотность пара , кг/м³

r_В - теплота парообразования, Дж/кг

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q’=₁t₁=8779*2=17558 Вт/м²

q’’=₂t₂=3884*12.96=50336.6 Вт/м²

как видим q’q’’

Для второго приближения примем t₁=5.0 град

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0 град рассчитаем ₁ по соотношению

₁=8779*2/5=6981,6 Вт/м²*К

Получим:

t_ст=6981,6*5*2,87*10^-4=10 град

t₂=20-5-10=5 град

₂=11,03*(6981,6*5)^0,6=5866 Вт/м²*К

q’=6981.6*5=3498 , Вт/м²

q’’=5866*5=29330 , Вт/м²

Очевидно q’q’’

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем t₁=4.7 град. Получим:

₁=8779*2/4,7=7085 Вт/м²*К

t_ст=6981,6*4,7*2,87*10^-4=9,5 град

t₂=20-9,5-4,7=5,8 град

₂=11,03*(6981,6*4,7)^0,6=5702 Вт/м²*К

q’=6981.6*4,7=33299 , Вт/м²

q’’=5866*4,7=33071,6 , Вт/м²

Как видим q’q’’

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов ₁ и ₂ на этом заканчивают. Находим К:

К=1/(1/7085+1/5702+2,87*10^-4)=1657 , Вт/м²*К

Рассчетная поверхность теплопередачи выпарного аппарата равна:

F=Q/(K*t_п)

F=7100760.7/1657*20=214.3 ,м²

3. Выбор выпарного аппарата по каталогу.

Произведём выбор аппарата по каталогу / 3,приложение 4.2 /. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

F_в.п.=1.2F

F_в.п.=1.2214,3=257,16 м²

где F_в.п. – площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м²;

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией, кипением в трубах и вынесенной греющей камерой Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 280 м²;

Таблица 1. Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 1198781)

F, м2	D, мм Не менее	D1, мм не более	D2, мм не более	Н, мм Не более	М, кг не более
l= 5000 мм
280	1400	3200	900	14500	15000

F – номинальная поверхность теплообмена;

D – диаметр греющей камеры;

D₁ – диаметр сепаратора;

D₂ – диаметр циркуляционной трубы;

Н – высота аппарата;

М – масса аппарата;