Общая и полезная разность температур многокорпусной выпарной установки

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

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: Gн – массовый расход исходного раствора, поступающего на концентрирование; Хн – массовая доля растворенного вещества в исходном растворе; Хк – массовая доля вещества в упаренном растворе; pг.п. – давление греющего (первичного) пара; pб.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 = Gн, X0 = Xн.

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

, (12.50)

. (12.51)

По давлению греющего пара в корпусе pг,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 Xi, 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 Dг, производительности каждого аппарата по испаряемому растворителю Wi 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 Wi.

8. Рассчитываются коэффициенты теплопередачи Kт,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 (Fi = 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 DТпол.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 Fi = idem на 10% и более, то предпочтителен вариант minF,в противном случае выбирается Fi = idem.

На основе рассчитанных поверхностей теплопередачи производится выбор стандартных аппаратов.

Найденное распределение полезной разности температур по корпусам (из условий Fi = idem или min F) может отличаться от полученного ранее в пункте 6 из условия равного перепада давлений по корпусам Dрi = 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 Dг ~ 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, Noptсоставляет 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?

По аналогии с материальным балансом однокорпусного выпарного аппарата составляется материальный баланс для многокорпусной выпарной установки.

;                                                 (5.54)

;                                       (5.55)

.                                     (5.56)

Данная система уравнений позволяет определить расход упаренного раствора и суммарный расход вторичного пара. В расчете многокорпусных выпарных установок необходимо определить концентрацию упаренного раствора, покидающего каждый корпус. Для этого записываются уравнения материального баланса для каждого корпуса (по потокам и по концентрации растворенного вещества).

I корпус

;                                          (5.57)

.                                    (5.58)

Тогда получим

;                                        (5.59)

;                                    (5.60)

.                                (5.61)

Общая разность температур и суммарная полезная разность температур и ее распределение по корпусам

Для многокорпусной установки общая разность температур ( ) есть разность между температурой  первичного пара, греющего первый корпус, и температурой вторичного пара , поступающего из последнего корпуса в конденсатор:

.                                       (5.62)

Общая разность температур не может быть полностью использована ввиду наличия температурных потерь. Поэтому полезная разность температур для всей установки ( )будет меньше .

Для однокорпусной установки полезная разность равна разности между температурой конденсации Т греющего пара и температурой кипения  раствора или с учетом депрессий:

.                          (5.63)

Для многокорпусной установки общая полезная разность температур равна разности между температурой  свежего пара, греющего первый корпус, и температурой конденсации  вторичного пара, выходящего из последнего (n-го) корпуса, за вычетом суммы температурных потерь  во всех корпусах установки (с учетом ), т.е.

.                            (5.64)

Общая полезная разность температур  должна быть распределена между корпусами с учетом условий их работы. Из уравнения теплопередачи поверхность F нагрева корпуса при заданных тепловой нагрузке  и коэффициенте теплопередачи  определяется величиной . Поэтому поверхность нагрева всей выпарной установки при данных тепловых нагрузках корпусов будет также зависеть от распределения  между корпусами.

Распределение суммарной полезной разности температур при условии равенства поверхностей нагрева корпусов

Такой принцип распределения  по корпусам позволяет использовать одинаковые по размерам аппараты установки и обеспечить их взаимозаменяемость.

Из уравнения теплопередачи можно записать:

;

;                                        (5.65)

………………..

.

По условию . Тогда общая полезная разность температур выпарной установки

               (5.66)

или .                                   (5.67)

Откуда

.                                                   (5.68)

Подставляя полученное значение  в выражения (5.65) находим:

;

;                                    (5.69)

……………………..

,

где .

Можно определить  при условии минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов. При распределении по этому принципу получают неодинаковые поверхности нагрева корпусов, что удорожает изготовление и эксплуатацию выпарной установки. Поэтому этот метод распределения  целесообразен, например, при необходимости изготавливать выпарные аппараты из дефицитных дорогостоящих коррозионностойких материалов.

Выбор числа корпусов

С увеличением числа корпусов многокорпусной установки снижается расход греющего пара на каждый килограмм выпариваемой воды. Из практических данных следует, что при переходе от однокорпусной установки к двухкорпусной экономия греющего пара составляет примерно 50%; при переходе от четырехкорпусной к пятикорпусной установке эта экономия уменьшается до 10% и становится еще меньше при дальнейшем возрастании числа корпусов.

Таблица 5.1

Основной причиной, определяющей предел числа корпусов выпарной установки, является возрастание температурных потерь с увеличением числа корпусов. Для осуществления теплопередачи необходимо обеспечить в каждом корпусе некоторую полезную разность температур, т.е. разность температур между греющим паром и кипящим раствором, равную обычно 5-7  для аппаратов с естественной циркуляцией и менее 3  для аппаратов с принудительной циркуляцией.

При увеличении числа корпусов сверх допустимого предела сумма температурных потерь может стать равной или даже больше общей разности температур, которая не зависит от числа корпусов установки. В результате выпаривание раствора станет невозможным.

Чем больше число корпусов установки, тем меньшая полезная разность температур приходится на каждый корпус, и, следовательно, тем больше, при одной и той же производительности, общая поверхность нагрева выпарной установки. Приближенно общая поверхность нагрева выпарной установки увеличивается пропорционально числу ее корпусов. Практически вследствие температурных потерь, возрастающих с увеличением числа корпусов, увеличение общей поверхности нагрева установки становится еще большим. Таким образом, в многокорпусных установках экономия греющего пара связана с увеличением общей поверхности нагрева.

Чем выше концентрация выпариваемого раствора, тем больше температурные потери и тем меньшее число корпусов может быть последовательно соединено в одну установку.

Пример. Определить возможное число корпусов выпарной установки при следующих условиях =160 ; =60 ; =25 .

1 корпус: =160-60-25=75 ;

2 корпуса: =(160-60-2*25)/2=25 ;

3 корпуса: =(160-60-3*25)/3=8,33 ;

4 корпуса: =(160-60-4*25)/4=0 .