И.М. ИВАНОВА Л.Г. ШУЛЬЦ А.С. ГОРШЕНИН

Проектирование выпарных установок

Учебно-методическое пособие

Самара

Самарский государственный технический университет

2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а « Промышленная теплоэнергетика»

И.М. ИВАНОВА Л.Г. ШУЛЬЦ А.С. ГОРШЕНИН

Проектирование выпарных установок

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия

Самара

Самарский государственный технический университет

2009

УДК 621.17.001.63 (075.8)

И 21

Р е ц е н з е н т : д-р техн. наук, проф. А.А. Кудинов

Иванова И.М.

И 21 Проектирование выпарных установок: учеб.-метод. пособ. / И.М. Иванова, Л.Г. Шульц, А.С. Горшенин. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. – 36 с.: ил.

Рассмотрены теоретические основы работы выпарных установок. Составлены и проанализированы основные уравнения процессов теплопередачи и теплового баланса корпуса установки. Приведены выражения для расчетов полезного температурного напора, распределения тепловой нагрузки по корпусам установки, поверхности теплообмена корпуса.

Дан пример расчета двухкорпусной выпарной установки.

Предназначено для курсового и дипломного проектирования для студентов, обучающихся по специальностям «Промышленная теплоэнергетика», «Энергетика теплотехнологий», «Энергообеспечение предприятий».

УДК 621.17.001.63 (075.8)

И 21

ã И.М.Иванова, Л.Г.Шульц, А.С.Горшенин, 2009

ã Самарский государственный

технический университет, 2009

Теоретические основы выпарных установок

Многие твердые вещества в промышленности первоначально получаются в виде водяных растворов. Для повышения концентрации вещества в растворе или получения вещества в чистом виде необходимо частично или полностью удалить растворитель (воду). Это достигается в выпарных установках.

Процесс выпаривания можно осуществить в любой емкости при подводе к ней тепла, достаточного для организации кипения раствора, при этом будет получаться пар растворителя, отводимый из емкости и возрастать концентрация исходного раствора. За концентрацию раствора принимается отношение массы сухого растворенного вещества к массе всего раствора, выраженное в процентах:

.

Здесь в – массовая концентрация раствора, %;

W – масса растворителя, кг;

G_сух – масса сухого вещества, кг.

Масса сухого вещества при выпаривании не меняется. Выпаривание раствора близко к выпариванию чистого растворителя, но есть некоторые особенности.

Температура кипящего раствора больше температуры кипения чистого растворителя на величину физико-химической температурной депрессии. Величина депрессии зависит от концентрации и давления кипящего раствора и определяется по формуле Тищенко И.А.

,

где D₁^¢ – физико-химическая температурная депрессия кипящего раствора при атмосферном давлении и фактической концентрации, °С;

Т и r – абсолютная температура кипения (К) и скрытая теплота парообразования растворителя при давлении кипения раствора, кДж/кг.

Значение депрессии D₁^¢ приводится в соответствующих справочниках.

По принципу действия различают выпарные установки периодического и непрерывного действия. Установки непрерывного действия более экономичные и их применение является наиболее предпочтительным.

Установки периодического действия применяются в небольших производствах и когда окончательный (готовый) продукт имеет настолько большую вязкость, что транспортировать его по трубопроводу становится невозможным.

Для отопления корпуса выпарного аппарата могут использоваться разнообразные источники тепла – пар, перегретая вода, высокотемпературные теплоносители, электричество, продукты сгорания. В промышленности в основном применяется пар. Принцип работы паровых выпарных установок следующий.

Выпарной корпус установки представляет собой вертикальный теплообменный аппарат. Нижнюю часть объема аппарата заполняет кипящий раствор, а верхняя часть является объемом, в котором происходит сбор и сепарация пара растворителя, выделяющегося из кипящего раствора. В теплообменник выпарного аппарата со стороны греющего теплоносителя направляется пар. Пар через поверхность теплообмена отдает свою теплоту и конденсируется. Раствор получает тепло от пара и кипит. Пары растворителя поднимаются в паровой объем аппарата, сепарируются и отводятся из корпуса. За счет выпаривания растворителя концентрация раствора растет. В корпус вводится свежий раствор, а отводится – концентрированный.

Составим тепловой баланс корпуса паровой выпарной установки на 1 кг исходного раствора без учета потерь тепла в окружающую среду:

I II III

………………………………………….,

где r – скрытая теплота парообразования греющего пара, кДж/кг;

d – количество греющего пара на 1 кг исходного раствора, кг/кг;

С_р – теплоемкость исходного раствора, кДж/(кг гр.);

t_к и t_р – температуры кипения раствора в корпусе и подводимого раствора, °С;

W – количество выпариваемого растворителя (пара вторичного вскипания) на 1 кг исходного раствора, кг/кг. W зависит от изменения концентрации раствора (в %) в корпусе и определяется , кг/кг;

i_вп – энтальпия пара вторичного вскипания, кДж/кг;

С_в – теплоемкость растворителя (воды), кДж/(кг гр.)

Физический смысл уравнения: I – тепло греющего пара, поступающее в выпарной аппарат на 1 кг исходного раствора, кДж/кг; II – тепло, затрачиваемое в аппарате для нагрева 1 кг поступающего раствора от начальной температуры раствора до температуры кипения в выпарном аппарате, кДж/кг; III – тепло, затрачиваемое на выпаривание кипящего растворителя из 1 кг исходного раствора, кДж/кг.

Таким образом, тепло, подводимое к корпусу выпарного аппарата на 1 кг раствора, затрачивается на подогревание раствора до температуры кипения раствора в корпусе и выпаривание кипящего растворителя.

Если поделить на r, то получим

.

Первый член правой части уравнения называется коэффициентом самоиспарения () и определяет расход пара на подогревание 1 кг раствора до температуры кипения. Отношение называется коэффициентом испарения (a) и определяет расход греющего пара на получение 1 кг пара вторичного вскипания. Тогда

.

Если температура поступающего в корпус аппарата раствора больше температуры кипения, то коэффициент b имеет отрицательное значение. В этом случае раствор вносит в выпарной аппарат дополнительное тепло, которое будет использовано на выпаривание раствора и уменьшит расход греющего пара. Как правило, температура раствора, поступающего в корпус, близка к температуре кипения раствора (t_к » t_р), т.е. b имеет нулевое значение. Значение разницы величин близко к скрытой теплоте парообразования растворителя, т.е. . Таким образом, d »W, т.е. количество выпаренного пара вторичного вскипания примерно равно количеству затраченного пара. Следовательно, 1 кг греющего пара выпаривает 1 кг растворителя, т.е. позволяет получить 1 кг пара вторичного вскипания. Если 1 кг вторичного пара направить в следующий выпарной корпус и в него же направить выпаренный раствор из первого корпуса, то 1 кг пара вторичного вскипания первого корпуса выпарит во втором корпусе из раствора еще 1 кг растворителя, т.е. 1 кг пара позволяет выпарить 2 кг растворителя. Таким образом, применение нескольких корпусов позволяет уменьшить расход греющего пара первого корпуса пропорционально числу примененных корпусов. В действительности из-за наличия тепловых потерь в окружающую среду эффект от применения нескольких последовательных корпусов меньше теоретического, поэтому в промышленности как правило применяются выпарные установки, имеющие не более 3¸5 последовательных корпусов.

В многокорпусной выпарной установке пар вторичного вскипания, полученный в предыдущем корпусе, является греющим паром последующего корпуса. Работа корпусов взаимосвязана. Для решения задачи необходимо определить расход пара вторичного вскипания, получаемого в каждом корпусе, а также расход греющего пара первого корпуса, т.е. количество неизвестных равно n + 1, где n – число корпусов. Решение задачи требует составления n + l уравнений. Тепловые балансы по каждому из выпарных корпусов позволят получить n балансовых уравнений, и еще одно уравнение может быть получено из материального баланса растворителя по корпусам установки. Тогда

(1)

…………………………………………………

; (n)

. (n+1)

Здесь D и W_i – часовые расходы острого пара и пара вторичного вскипания по корпусам установки, кг/ч;

W – общий расход выпариваемого растворителя установки, кг/ч;

h – коэффициент сохранения тепла каждого корпуса установки;

h » 0,97 (принимается).

Давление в каждом корпусе установки зависит от давления греющего пара и давления в последнем корпусе установки и определяется методом последовательных приближений. Порядок определения давлений в корпусах показан в примере расчета двухкорпусной установки.

Решение системы позволяет определить необходимую тепловую мощность греющего теплообменника каждого корпуса, кВт:

; (1)

; ( i )

. (n)

Поверхность теплообмена каждого корпуса определяется из уравнения теплопередачи, составленного для корпуса, м²:

…………………………

…………………………

.

Здесь K_i х Dt_ni – коэффициент теплопередачи и полезный температурный напор каждого корпуса.

Коэффициент теплопередачи корпуса определяется по уравнениям, приведенным в примере расчета. Полезный температурный напор каждого корпуса определяется из общего полезного напора всей установки. Порядок определения общего полезного напора установки следующий. Предположим, что мы в каждом корпусе испаряем не раствор, а чистый растворитель (воду). Тогда температура пара над кипящей водой в каждом корпусе равнялась бы температуре кипящей воды, при этом температура греющего пара последующего корпуса равнялась бы температуре пара вторичного вскипания предыдущего корпуса. Полезный температурный напор корпуса – разница температура между греющим паром и кипящим раствором.

Тогда для случая выпаривания чистого растворителя получим:

;

……………….

;

.

В нашем случае t_r2 = t_к1; t_r3 = t_к2; t_ri = t_кi-1. Если сложить все полезные напоры корпусов, то получим, что их сумма – общий располагаемый полезный напор установки – равна разнице температур греющего пара в первом корпусе и пара вторичного вскипания последнего корпуса: Dt^¢_побщ. = t_r1 – t_впn ^°С. При кипении действительных растворов наблюдается уменьшение общего полезного температурного напора из-за температурных депрессий, ^°С:

– физико-химической (D^¢);

– гидростатической (D^²);

– гидродинамической (D^²¢).

Физико-химическая депрессия – уменьшение температуры паров над раствором по сравнению с кипящим раствором (D^¢₁ = t_к – t_вп).

Гидростатическая депрессия – уменьшение полезного температурного напора из-за повышения средней температуры кипения раствора в корпусе по сравнению с верхними слоями.

Гидродинамическая депрессия – уменьшение полезного температурного напора из-за снижения температуры конденсации греющего пара в связи с уменьшения давления пара на величину гидравлических потерь при переходе его из корпуса в корпус.

Порядок определения температурных депрессий приведен в примере расчета.

Тогда общий полезный напор установки определяется, ^°С:

.

Этот полезный температурный напор необходимо распределить между всеми корпусами установки. Распределение определено наложенным условием (требованием к установке). Основным требованием является одинаковая поверхность теплообмена всех корпусов установки, т.е. однотипность корпусов:

;



.

Если провести почленное деление одного уравнения на другое, то получим следующее:

………………………………….

…………………………………..

…………………………………..

.

Если сложить все полезные напоры, то получим

,

тогда

.

После чего возможно определить и все остальные полезные напоры каждого выпарного корпуса установки, найти необходимую поверхность теплообмена и подобрать соответствующий выпарной аппарат.

Ниже приводится пример расчета прямоточной выпарной установки, состоящей из двух корпусов, расположенных последовательно как по выпариваемому раствору, так и греющему пару (рис.1).

Рис.1. Схема двухкорпусной выпарной установки:

1,2-выпарные корпусы; 3-барометрический конденсатор; 4-вакуум-насос;

5-барометрическая труба; 6,8,11-конденсатоотводчики; 7,9-водоводяные

теплообменники; 10-пароводяной теплообменник