Выпарная установка непрерывного действия
 Скачать 5.37 Mb.
|
|
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ на тему: выпарная установка непрерывного действия Введение Процессы выпаривания получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. Выпарные установки в большинстве случаев размещаются в отдельных зданиях и оснащены многочисленными приборами контроля и средствами автоматизации с весьма сложной схемой регулирования параметров и режимов работы установки. В целлюлозно-бумажной промышленности выпаривание применяется для концентрирования растворов щелоков при производстве целлюлозы различными способами, в основном, с целью возврата химикатов в производство. Эти растворы обладают различными физическими параметрами которые определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, противо- и прямоточные, одно- и многостадийные многокорпусные выпарные установки), а также к конструкции выпарных аппаратов. Выпаривание черных щелоков сульфатного производства, содержащих поверхностно-активные вещества, приводящие к образованию пены при его выпаривании, чаще всего проводятся в вертикальных пленочных аппаратах с восходящей пленкой, а сульфитных щелоков - в аппаратах с принудительной циркуляцией и, как правило, с вынесенной зоной кипения. Современные выпарные установки целлюлозно-бумажной промышленности включают 6-9 аппаратов при пяти - или шестиступенчатой схеме выпаривания. Питание корпусов раствором, как правило, осуществляется по смешанной схеме. При этом в первых корпусах установки может быть применено выпаривание с тепловым насосом, а отдельные корпуса установки могут работать при параллельном питании аппаратов раствором. Расчет таких установок представляет собой сложную задачу. 1. Температурный режим работы установки В соответствии со схемой питания установки раствором (Рис.1.) исходный раствор из бака слабого щелока 16 центробежным насосом 8 подается в циркуляционную трубу корпуса 4 установки, нагретым до температуры кипения в этом корпусе в подогревателе 15. Из корпуса 4 выпариваемый раствор центробежным насосом 9 подается в циркуляционную трубу корпуса 3. На этом противоточном участке выпарной установки раствор нагревается в подогревателе 12 до температуры кипения в третьем корпусе. Аналогично из корпуса 3 раствор центробежным насосом 10 подается в циркуляционную трубу корпуса 2, нагретым до температуры кипения в этом корпусе в подогревателе 13. Из корпуса 2 раствор центробежным насосом 11 подается в циркуляционную трубу корпуса 1, предварительно подогретым до температуры кипения в этом корпусе в подогревателе 14. Из корпуса 1 раствор направляется на дальнейшую переработку. Подвод теплоты к раствору для обеспечения процесса выпаривания в корпусе 1 осуществляется свежим греющим паром, который называют первичным. Образовавшийся в первом корпусе из раствора соковый пар (иначе - вторичный пар) используется в качестве греющего пара во втором, соковый пар корпуса 3 используется в качестве греющего в корпусе 4, а соковый пар четвертого корпуса конденсируется в барометрическом конденсаторе 5. Смесь конденсата и охлаждающей воды отводится по барометрической трубе, а неконденсированные газы после отделения капель жидкости в ловушке 6 отсасываются вакуум-насосом 7. В схеме используется выпарные аппараты с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. При размещении греющей камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб. Выносная греющая камера легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет чистку и ремонт. Ревизию и ремонт греющей камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две камеры. Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку греющей камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора. 1.1 Предварительный выбор поверхности нагрева выпарных аппаратов Общее количество выпариваемой воды W нахожу из уравнения материального баланса установки:  где - производительность установки по начальному раствору, кг/с = 54 т/час = 15 кг/с и - начальная и конечная концентрации раствора, %  кг/сДля аппарата с принудительной циркуляцией удельная паропроизводительность корпусов u = (13÷20)кг/м2×ч. [1]Принимаю u = 20 кг/м2×ч = 0,0056 кг/м2×c Тогда поверхность нагрева выпарного аппарата составит:  где - число корпусов в установке.  По значению в [1] по ГОСТу 11987-81 выбираю стандартный аппарат с поверхностью нагрева 500 м2. Диаметр труб d = 38×2 мм; длина труб l = 6000 мм; Число труб (как целое) в греющей камере выпарного аппарата определяется условием: где - наружный диаметр труб, м; = 0,038 м H – их высота, м; H = 6 м;  1.2 Предварительное распределение выпариваемой воды по корпусам Количество выпариваемой воды в конкретном корпусе выпарной установки зависит от схемы ее работы и определяется расходом греющего пара в этом корпусе, температурой и расходом поступающего в него щелока. Следовательно, распределение выпариваемой воды по корпусам можно определить при решении системы уравнений теплового баланса для конкретной схемы работы установки. Однако, на данном этапе расчета решение этой системы не представляется возможным из-за отсутствия данных для определения теплофизических параметров пара и щелока по каждому корпусу. Разрывая круг взаимосвязи между собой физических величин и параметров, определяющих работу каждого корпуса установки, задаюсь условным распределением выпариваемой воды по корпусам, исходя из схемы работы установки. При этом будем учитывать, что весь соковый пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара в следующем корпусе, так как отбор экстра-пара между корпусами отсутствует. Рассматриваю соотношение между количествами выпариваемой воды в корпусах установки для ранее приведенной схемы (4-3-2-1). На схеме видно, что в корпус 1 щелок поступает после подогревателя. Следовательно, приняв W1 равной одной доле, имеем W1: W2 = 1: 0,98. В третий корпус щелок поступает также после подогревателя. Поэтому долевое соотношение между W2 и W3 (с учетом ранее приведенного соотношения) можно записать в виде W2: W3 = 0,98: 0,96. В четвертый корпус щелок поступает также после подогревателя, поэтому соотношение будет следующим W3: W4 = 0,96: 0,94. Таким образом долевое соотношение между расходами выпариваемой воды (сокового пара) в корпусах установки можно представить следующим образом: W1: W2: W3: W4 = 1: 0,98: 0,96: 0,94 Сумма долей равна: ∑Wi = W1 + W2 + W3 + W4 = 1 + 0.98 + 0.96 + 0.94 = 3,88 Следовательно, для рассматриваемой установки: W1 = W / 3,88 где W – количество выпариваемой воды во всех корпусах одной установки определенное в разделе 1.1.  В соответствии с предполагаемым распределением найдем: 1.3 Расчет концентраций на выходе раствора из корпусов установки Так как при выпаривании раствора в аппарате в паровую фазу переходит только растворитель (вода), а твердый компонент остается в растворе и в паровую фазу не переходит, то концентрации твердого компонента в щелоке на выходе из любого корпуса установки определяются на основании уравнения материального баланса по твердому компоненту в растворе:  Где j = 1,2, …,m, …,n - номера отсчета корпусов по ходу раствора;  - сумма расходов испаряемой воды в предыдущих по ходу раствора в корпусах и в данном корпусе;Индекс i обозначает номер корпуса (по ходу пара), а индекс 2 означает, что концентрация рассчитывается на выходе из корпуса.     1.4 Определение температурного режима работы установки (первое приближение) Определяю все виды температурных потерь. Приближенные значения концентрационных депрессий во всех корпусах установки для различных щелоков по концентрации твердого компонента в щелоке на выходе из аппарата можно найти в монографии [3]. Более точные их значения рассчитываю по формуле  где x – концентрация щелока в массовых %, А и В – постоянные, зависящие от природы щелока Для сульфитного щелока на кальциевом основании из таблицы 6 [1] А=0,21; В=0,043.     Изменениями температур кипения раствора [1] вследствие изменения давления по высоте труб в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией можно пренебречь. Значение гидродинамической депрессии в паропроводах между корпусами, связанное с изменением давления пара вследствие гидравлических сопротивлений паропровода, обычно не превышает 3ºС. С целью упрощения расчета этой величиной задаюсь в пределах (1÷3)ºС, учитывая, что с уменьшением абсолютного давления в паропроводе ее численное значение возрастает, т.е. между первыми корпусами задаюсь меньшими, а между последними – большими значениями.  При известной величине вакуума в последнем корпусе расчёт начинают с определения абсолютного давления в сепараторе этого корпуса. Рnc = P – B где Р = 101.3 кПа атмосферное давление; В – вакуум по заданию. Так как в задании на расчёт указаны давление греющего пара в первом корпусе и вакуум в последнем корпусе, то определив по таблице свойств насыщенного водяного пара [3] температуры сокового пара последнего корпуса tnc и греющего пара первого корпуса t1г, рассчитываю видимую (общую) разность температур и полезную разность для всей установки при общt1Г – t4c=121.628-65.1=56.558 0C пол= общ – (  + ) = 56,558-(4,313+6)=46,2450CI =  = 0CПолученные результаты представлены в виде таблицы I. Таблица 1 - Приблизительный температурный режим (этап 1)
В дальнейшем данные полученной таблицы уточняем по эмпирическому уравнению 12 [1] Где расход пара составляет:  Кинематическую вязкость щелока определяю по номограмме [4]: Расчет по указанной формуле методом последовательного приближения провожу при помощи ЭВМ. Результаты расчета представлены в табл. 2. Таблица 2 - Уточненный температурный режим по ЭВМ
Значения коэффициентов кинематической вязкости по корпусам, начиная с первого корпуса: 1.5 Уточнение распределения выпариваемой воды по корпусам установки Приблизительный температурный режим работы выпарки, установленный на предыдущем этапе расчета, дает возможность найти все необходимые параметры для решения системы уравнений теплового баланса с целью уточнения ранее принятых расходов выпариваемой воды по корпусам установки и определения расхода греющего пара в первый корпус. Система уравнений теплового баланса установки включает в себя уравнения теплового баланса всех корпусов установки и уравнение материального баланса установки по выпариваемой воде. Определяя приход и расход теплоты а материальными потоками для любого i – того корпуса, составляют уравнения теплового баланса корпусов, каждое из которых, если пренебречь потерями теплоты в окружающую среду, принимает вид: где - расход греющего пара; - расход раствора на входе в корпус; - расход конденсата; - расход раствора на выходе из корпуса;  - расход раствора на выходе из корпуса;- энтальпии греющего и сокового пара; - теплоемкости раствора на входе в корпус и выходе из него; - температуры раствора на входе в корпус и на выходе из него; - теплоемкость и температура конденсата. Таким образом, для выпарной установки из n корпусов получаю систему уравнений, состоящую из n уравнений теплового баланса корпусов, которую надо дополнить уравнением материального баланса установки по выпариваемой воде:  Для полученной системы уравнений в первую очередь необходимо сократить число неизвестных в ней, заменив для всех корпусов кроме первого через , ибо соковый пар предыдущего корпуса согласно схеме работы установки полностью используется в качестве греющего пара в последующем корпусе, который, конденсируясь в межтрубном пространстве греющей камеры аппарата, выводится из него в виде конденсата. Следовательно, для первого корпуса, а для остальных корпусов. Считая, что переохлаждение конденсата греющего пара не происходит, принимаю и при этой температуре из таблиц физических свойств воды (на линии насыщения) нахожу теплоемкость конденсата. Для 4 – х корпусной выпарной установки работающей по схеме 4-3-2-1, система уравнений теплового баланса принимает вид:  При решении эта система уравнений дополняется следующими условиями: Соотношения между температурами на входе в аппараты и на выходе из них будут следующие:     Считая, что переохлаждение конденсата греющего пара не происходит, принимаю: Соотношение между теплоемкостями на входе в аппарате и на выходе из них будут следующие: Теплоемкость раствора на выходе из корпусов рассчитываю по формуле (24)  где c – удельная массовая теплоемкость щелока, Дж/(кг׺К) x – концентрация в массовых %; A и а – постоянные, зависящие от природы раствора и определяемые по таблице 5 [1] Для сульфитного щелока  ; .     Теплоемкость конденсата нахожу методом линейной интерполяции по таблице XXXIX физических свойств воды [3]: Энтальпию греющего пара нахожу методом линейной интерполяции по таблице свойств насыщенного водяного пара в зависимости от давления LVII [3]: Энтальпию сокового пара нахожу методом линейной интерполяции по таблице свойств насыщенного водяного пара в зависимости от давления LVII [3]: Число корпусов – Производительность установки по исходному раствору   Общее количество выпаренной воды W, кг/с  Таблица 3 - Данные для решения уравнений теплового баланса выпарки
После решения системы уравнений теплового баланса на ЭВМ получаю следующие расходы греющего пара и выпариваемой воды которые представлены в табл. 4. Таблица 4
Для проверки точности расчета рассчитываю :     Вывод: так как вновь рассчитанные значения и незначительно отличаются от ранее принятых, то уточнение температурного режима не провожу. В дальнейших расчетах применяю вновь рассчитанные и , оставляя температурный режим без изменения. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||