Рассчитать и спроектировать трехкорпусную прямоточную выпарную установку для концентрирования Gh

Технологическая схема
Принципиальная схема трехкорпусной прямоточной выпарной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной камерой) и кипением раствора в трубах, показана на рисунке 1.
Исходный раствор из емкости 1 насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения, а затем - в первый корпус 4 выпарной установки.
Рисунок 1 - Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:
1 - емкость исходного раствора; 2, 10 - насосы; 3 - теплообменник;
4-6 - выпарные аппараты; 7 - барометрический конденсатор; 8 - вакуум-насос;
9 - гидрозатвор; 11 - емкость упаренного раствора;
12 - конденсатоотводчик.
Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же перетекает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично корпус 6 обогревается вторичным паром второго корпуса и в нем производится концентрирование раствора, поступающего из второго корпуса.
Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсаций вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7. В барометрическом конденсаторе заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора через барометрическую трубу с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор насосом 10 подается в емкость 11. Конденсат из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.
2. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
Принимаем схему выпарной установки, работающей по принципу прямотока и состоящей из 3-х аппаратов с естественной циркуляцией раствора.
2.1. Общее количество выпариваемой воды. Распределение по корпусам
Общее количество выпариваемой воды на установке
W=Gн1-xнxк=475036001-7,515,3=0,672 кг/с.
Нагрузку распределяем предварительно на основании практических данных. Принимаем следующее соотношение массовых количеств в выпариваемой воде по корпусам [5]:
W1 : W2 : W3 =1,0 : 1,1 : 1,2.
Следовательно, количество выпариваемой воды по корпусам
W1=0,672∙1,01,0+1,1+1,2=0,203 кг/с;
W2=0,672∙1,11,0+1,1+1,2=0,224 кг/с;
W3=0,672∙1,21,0+1,1+1,2=0,244 кг/с.
Тогда концентрации раствора по корпусам:
x1=G∙xнG-W1=1,319∙0,0751,319-0,203=0,088=8,8%;
x2=G∙xнG-W1-W2=1,319∙0,0751,319-0,203-0,224=0,1109=11,09%;
x3=G∙xнG-W1-W2-W3=1,319∙0,0751,319-0,203-0,224-0,244=0,153=15,3%,
что соответствует конечной концентрации упаренного раствора.
2.2. Определение температур кипения
Общий перепад давления в установке равен
P=Pг1-Pбк=3-0,04=2,96 МПа.
Предварительно распределяем перепад давления поровну между корпусами:
∆Pкор=2,963=0,986 МПа.
Тогда абсолютные давления по корпусам:
3 корпус Р1 Рвт3 Рбк = 0,04 МПа,
2 корпус Р2 Рвт2 = 0,04 + 0,986 = 1,026 МПа,
1 корпус Р3 Рвт1 = 1,026 +0,986 = 2,012 МПа.
Давление греющего пара: 2,012 + 0,986 = 2,998 МПа.
По паровым таблицам [3] или [Приложение таблица А.1] находим температуры насыщенных паров, удельные теплоты парообразования и сводим в таблицу 1.
Таблица 1 – Параметры вторичных паров
Корпус
Давление вторичных паров Рвт, МПа Температура вторичного пара tвт, оС Удельная теплота парообразования
r, кДж/кг
1 2,012 212,6 1888,8
2 1,026 181 2010,4
3 0,04 75,8 2798,4
Температурную депрессию определяем по формуле
.
Температурные депрессии при атмосферном давлении находим из Приложения, таблица Б.4 .
Тогда по корпусам:
∆1'=1,62∙10-2∙273+212,621888,8∙0,88=1,78℃;
∆2'=1,62∙10-2∙273+18122010,4∙1,5=2,49℃;
∆3'=1,62∙10-2∙273+75,822798,4∙0,88=5,63℃.
Следовательно, сумма температурных депрессий
∆'=1,78+2,49+5,63=9,9℃.
Далее в расчетах определяем гидростатические депрессии по корпусам. По Приложению таблица Б.1 или [6] находим плотность водных растворов К2СО3 при 20°С и соответствующих концентрациях в корпусах:
ρ1 = 1064,4 кг/м3; ρ2 = 1099,95 кг/м3; ρ3 = 1142 кг/м3.
Определяем оптимальную высоту уровня Нопт, и давление в среднем слое выпариваемого раствора Рср по корпусам:
Нопт1 = [0,26 + 0,0014. (ρ 1 – ρ в)] . Нтр = [0,26 + 0,0014. (1064,4 – 1000)]. 4 = 1,4 м.
Pср1=Pвт1+0,5ρ1gHопт1=2,012+0,5∙1064,4∙9,81∙1,4106=2,019 МПа.
Нопт2 = [0,26 + 0,0014(ρ 2 – ρ в)].Нтр = [0,26 + 0,0014(1099,95 – 1000)]. 4 = 1,59 м.
Pср1=Pвт2+0,5ρ2gHопт2=1,026+0,5∙1099,95∙9,81∙1,59106=1,034 МПа.
Нопт3 = [0,26 + 0,0014(ρ 3 – ρ в)].Нтр = [0,26 + 0,0014(1142 – 1000)]. 4 = 1,83 м.
Pср3=Pвт3+0,5ρ3gHопт3=0,04+0,5∙1142∙9,81∙1,83106=0,05 МПа.
Давлениям Рср, соответствуют следующие температуры:
tср1 = 212,8°С; tср2 = 181,3°С; tср3 = 81,3°С.
Тогда гидростатическая депрессия по корпусам:
1 = tср1 – tвт1 = 212,8 – 212,6 = 0,2°С
2 = tср2 – tвт2 = 181,3 – 181 = 0,3°С
3 = tср3 – tвт3 = 81,3 – 75,8 = 5,5°С
Сумма гидростатических депрессий:
Σ = 1 + 2 + 3 = 0,2 + 0,3 + 5,5 = 6°С.
Принимаем гидравлическую депрессию для каждого корпуса = 1°С. Для трех корпусов Σ= 3°С.
Сумма всех температурных потерь для установки в целом:
ΣΔ = Σ + Σ+ Σ= 9,9 + 6 + 3,0 = 18,9°С.
Температура кипения раствора в каждом корпусе
tк = tвт + + + ,
результаты расчетов сводим в таблицу 2.
Таблица 2 – Температуры кипения растворов по корпусам
Корпус Температура вторичного пара, tвт, °С Сумма температурных потерь, °С Температура кипения раствора,
tк,, °С
1 212,8 2,98 215,78
2 181,3 3,79 185,09
3 81,3 12,13 93,43
2.3. Определение полезной разности температур
Общая разность температур для всей установки
Δtобщ = tг1 – tбк = 233,8 – 75,8 = 158°С.
Общая полезная разность температур равна
ΣΔtпол = Δtобщ – (Σ + Σ + Σ) =
= 158 – (2,98 + 3,79 + 12,13) = 139,1°С.
Полезные разности температур по корпусам сведены в таблицу 3.
Таблица 3 – Полезные разности температур по корпусам
Корпус Температура греющего пара, tг, °С Температура кипения раствора,
tк, °С Полезная разность температур Δtпол, °С
1 233,8 215,78 18,02
2 181,3 185,09 3,79
3 81,3 93,43 12,13
2.4