Схема расчета многокорпусной выпарной установки

 

Свойства растворов, применяемых в промышленности, концентрируемых методом выпаривания, отличаются широким диапазоном изменения физико-химических показателей: плотность, вязкость, температура кипения, склонность к пенообразованию, кристаллизации, термостабильность и т.д. На основе указанных свойств растворов осуществляется выбор условий проведения процесса (давление в системе аппаратов, их количество), конструкции выпарных аппаратов и схемы организации процесса (соединения выпарных аппаратов между собой: прямоточные, противоточные и другие установки). Многовариантность выполнения поставленной задачи разрешается сравнением технико-экономических показателей каждого варианта и выбором оптимального.

Рассмотрим технологическую часть расчета прямоточной многокорпусной выпарной установки. Пусть в качестве задания на проектирование известны: G_н – массовый расход исходного раствора, поступающего на концентрирование; Х_н – массовая доля растворенного вещества в исходном растворе; Х_к – массовая доля вещества в упаренном растворе; p_{г.п .} – давление греющего (первичного) пара; p_{б.к .} – давление в барометрическом конденсаторе.

1. Из уравнений материального баланса (12.5), (12.6), рассматривая всю установку в целом, определяются количество удаленного растворителя:

(12.44)

и расход получаемого упаренного раствора:

. (12.45)

2. В первом приближении задается число корпусов N и распределение на основе практического опыта нагрузки по выпариваемому растворителю по корпусам:

(12.46)

. (12.47)

Допустим, что число корпусов в установке N = 3. Тогда (12.46) и (12.47) примут вид

;

; ; .

 

3. Провоиздится расчет концентраций и расходов растворов на выходе из корпусов

, (12.48)

(12.49)

где при i = 1 G₀ = G_н, X₀ = X_н.

4. Производится распределение в первом приближении перепада давлений между корпусами поровну (Dр_i = idem) и определение давлений, температур и энтальпий греющих и вторичных паров в корпусах:

, (12.50)

. (12.51)

По давлению греющего пара в корпусе p_г,i из таблиц определяются температуры насыщенного пара и энтальпии в корпусах

, (12.52)

, , , ,

, (12.53)

, , , , . (12.54)

 

5. Определение температурных потерь и температур кипения раствора в корпусах. При интенсивной циркуляции раствора в аппаратах выпаривания структура потока близка к модели идеального смешения. Поэтому концентрацию в корпусе принимают обычно равной концентрации выходящего из аппарата упаренного раствора. Таким образом, по известным концентрациям X_i, давлениям р¢_в,i и температурам Т¢_в,i в корпусах по соотношениям (12.23) – (12.28) находятся температурные потери в каждом корпусе, а затем по (12.32) – суммарные температурные потери всей выпарной установки. Далее определяется температура кипения растворов в корпусах:

. (12.55)

 

6. Определяются полезные разности температур по корпусам:

(12.56)

и общая полезная разность температур:

(12.57)

Правильность расчетов можно проверить, сравнив полученное значение общей полезной разности температур по уравнению (12.57) и выражению

, (12.58)

в котором разность – общая разность температур.

7. Определяются тепловые нагрузки аппаратов , расход греющего пара D_г, производительности каждого аппарата по испаряемому растворителю W_i на основе совместного решения уравнений теплового и материального балансов по корпусам (12.12), (12.18):

(12.59)

(12.60)

где , , , , а e = 1,03-1,05 – коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду. Напомним, что – теплоемкость раствора с концентрацией при температуре , а
– теплоемкость чистого растворителя при температуре . Иско-мые величины: .

Если распределение выпариваемого растворителя по корпусам, найденное из решения данной системы уравнений, не соответствует принятому ранее, то расчет повторяется, начиная с пункта 3, используя новое распределение W_i.

8. Рассчитываются коэффициенты теплопередачи K_т,i по корпусам установки. Для этого используется уравнение аддитивности термических сопротивлений (11.15) и расчетные зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи в выпарном аппарате, рассмотренные в предыдущих главах, а также имеющиеся в справочной литературе.

9. Производится распределение полезной разности температур по корпусам и определение поверхностей нагрева корпусов. Такое распределение проводится либо на основе равенства поверхностей теплопередачи корпусов (F_i = idem) (12.36), либо на основе обеспечения минимума поверхности теплопередачи всей установки (min F) (12.43). Для выбора одного из этих способов необходимо рассчитать полезные разности температур DТ_пол.i по (12.36) и (12.43), из уравнения теплопередачи поверхность каждого аппарата

(12.61),

а затем суммарную поверхность теплопередачи установки для обоих способов. Окончательное решение следует принимать на основе технико-экономического расчета. Однако в качестве упрощающей процедуры в учебных целях можно рекомендовать следующую: если суммарная поверхность теплопередачи варианта minF меньше поверхности варианта F_i = idem на 10% и более, то предпочтителен вариант minF,в противном случае выбирается F_i = idem.

На основе рассчитанных поверхностей теплопередачи производится выбор стандартных аппаратов.

Найденное распределение полезной разности температур по корпусам (из условий F_i = idem или min F) может отличаться от полученного ранее в пункте 6 из условия равного перепада давлений по корпусам Dр_i = idem, поэтому заново распределяются температуры и давления по корпусам на основе выбранного варианта:

, (12.62)

, (12.63)

, . (12.64)

Расчет по формулам (12.62)-(12.64) производится последовательно от первого корпуса к последнему.

Если разницы между принятыми давлениями в корпусах (п.4) и найденными (п.9) не будут превышать заданную величину e, обычно составляющую 3%, то сходимость можно считать удовлетворительной.

. (12.65)

В противном случае принимается найденное в пункте 9 распределение давлений, подставляется в пункт 4, и расчеты производятся вновь до выполнения условия (12.65).

10. Выбирается оптимальное число корпусов. Как было показано выше, с увеличением числа корпусов расход греющего пара уменьшается обратно пропорционально их количеству D_г ~ N^-1. Однако при этом возрастают температурные потери, уменьшаются полезные разности температур, что приводит к увеличению суммарной поверхности нагрева корпусов. Можно записать суммарные затраты на функционирование выпарной установки в виде двух слагаемых, одно из которых пропорционально поверхности нагрева F, а другое – расходу греющего пара:

. (12.66)

Коэффициент А будет учитывать стоимость материалов, изготовления, монтажа, ремонта, срок службы аппаратов, а В – стоимость греющего пара. Рассчитывая величину затрат для различного числа корпусов, выбирается оптимальный вариант, обеспечивающий минимум затрат. Как правило, N_opt составляет 3-5 (рис. 12.18).

 

 

Рис. 12.18 Зависимость затрат на функционирование выпарной установки от числа корпусов

Контрольные вопросы к главе 12

1. Что называется выпариванием и с какими целями оно может осуществляться?

2. Дайте определение следующих понятий: греющий (первичный) и вторичный пар, экстра-пар, полезная разность температур, температурные потери.

3. По каким признакам и как подразделяются способы выпаривания?

4. Приведите классификацию выпарных аппаратов.

5. Приведите примеры выпарных аппаратов со свободной неорганизованной циркуляцией раствора, изобразите схематично их устройство.

6. Приведите примеры и схемы выпарных аппаратов с естественной организованной циркуляцией раствора.

7. Схематично изобразите аппараты с принудительной циркуляцией раствора.

8. Приведите примеры и схемы выпарных аппаратов без циркуляции раствора.

9. Приведите примеры и схемы выпарного аппарата контактного типа.

10. Проведите сравнительный анализ выпарных аппаратов различных конструкций.

11. Изобразите схемы многокорпусных выпарных установок: прямоточную, противоточную и с параллельным питанием корпусов; проанализируйте их преимущества и недостатки.

12. Запишите материальный и тепловой балансы однокорпусной выпарной установки.

13. Из каких составляющих складываются температурные потери и как их определить?

14. Какие способы распределения полезной разности температур вам известны? Проанализируйте их преимущества и недостатки.

15. Сформулируйте основные этапы расчета многокорпусной выпарной установки.

 

Вопросы для обсуждения

1. Выполнение какого условия необходимо для функционирования многокорпусной выпарной установки?

2. Для чего требуется определять температурные потери?

3. В чем заключаются преимущества и недостатки многокор-пусных выпарных установок?