Расчет и проектирование выпарной установки для выпаривания раствора гидроксида натрия

 

 

1 – греющая  камера; 2 – сепаратор; 3 – отбойник; 4 – брызгоотделитель; 5 – труба  вскипания; 6 – циркуляционный насос; 7 – электропривод; 8 – циркуляционная  труба; 9 – соединительное колено

 Рисунок  2.1 ‒ Аппарат с принудительной  циркуляцией и соосной греющей  камерой (Тип II. Исполнение 1)

 

Конструкции вала насоса, опоры и кронштейна для насосов указанных марок унифицированы. Кроме сальникового уплотнения вала насоса, может быть применено двойное торцовое уплотнение. Вал насоса под сальником защищен от истирания сменной защитной втулкой. Детали проточной части насоса изготовляют из сталей Х18Н10Т или Х17Н13МЗТ.

Насосы комплектуют электродвигателями серий А и АО. По требованию заказчика допускается установка электродвигателей во взрывозащитиом или других исполнениях.

В аппарате используется циклонный  брызгоотделитель. Циклонные брызгоотделители применяют при упаривании чистых, пенящихся, кристаллизующихся и загрязненных (с механическими включениями) растворов. Эти брызгоотделители наиболее универсальны, но имеют значительное сопротивление.

При выборе циклонных брызгоотделителей  рекомендуется принимать скорость пара при входе в щели 15... 30 м/с при атмосферном давлении в сепараторе и 30... 70 м/с при вакууме.

Циклонные брызгоотделители при одном и том же диаметре сепаратора изготовляют в нескольких исполнениях, отличающихся количеством щелей.

Исполнение выбирают в зависимости от количества вторичного пара, приведенного к объему при атмосферном давлении.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

КП 000000 03 ПЗ

Разраб.

Кажарнович О.Ю.

Провер.

Вилькоцкий А.А.

 

 Реценз.

 

Н. Контр.

 

Утверд.

Вилькоцкий А.А.

 

 

Описание конструкции и принципа действия вспомогательного оборудования

Лит.

Листов

5

БГТУ

7140613

3 Описание конструкции  и принципа действия вспомогательного  оборудования

3.1 Барометрический  конденсатор

Для конденсации вторичного пара и создания разряжения в установке  используется барометрический конденсатор. Схема барометрического конденсатора представлена на рисунке 3.1 [3].

 

1 - корпус; 2 – полки; 3,8 – барометрические  трубы; 4 – штуцер для ввода  пара; 5 – патрубок для ввода  воды; 6 – патрубок для отсасывания  воздуха;  
7 – брызгоуловитель-ловушка

Рисунок 3.1 – Схема барометрического конденсатора

 

Сухой противоточный барометрический  конденсатор состоит из корпуса 1, снабженного полками 2 для орошения водой, и барометрической трубы 3 для стока охлаждающей воды и  конденсата. Пар поступает в конденсатор  снизу через штуцер 4, вода подводится по патрубку 5 и стекает последовательно  через отверстия борта тарелок.

Воздух отсасывается через  патрубок 6 и проходит брызгоуловитель-ловушку 7 с барометрической трубой 8. В  брызгоуловителе воздух меняет направление, а частицы воды, унесенные воздухом из конденсатора, как более тяжелые, продолжают по инерции двигаться  вниз и стекают через трубу 8. Осушенный  воздух отсасывается вакуум-насосом.

3.2 Насос для  подачи исходной смеси

Основными типами насосов, применяемых  в химической технологии, являются центробежные, поршневые и осевые насосы. Насосы отличаются между собой  производительностью, напором и  принципом действия.

Центробежные насосы имеют  значительные преимущества по сравнению  с поршневыми: равномерность подачи, быстроходность, компактность, простоту устройства, возможность перекачивания  загрязненных жидкостей, так как  в центробежных насосах имеются  большие зазоры между кожухом  и колесом и отсутствуют клапаны. Для установки центробежных насосов  не требуются массивные фундаменты.

Центробежный одноступенчатый  насос (рисунок 3.2) имеет рабочее колесо 1 с загнутыми назад лопатками, которое с большой скоростью вращается в корпусе 2 спиралеобразной формы. Жидкость из всасывающего трубопровода 3 поступает по оси колеса и, попадая на лопатки, приобретает вращательное движение. Под действием центробежной силы давление жидкости увеличивается и она выбрасывается из колеса в неподвижный корпус 2 и напорный трубопровод 4.

 

1 - рабочее колесо; 2 - корпус; 3 - всасывающий  трубопровод; 4 - напорный трубопровод; 5 - приемный клапан с всасывающей сеткой

Рисунок 3.2 – Схема центробежного одноступенчатого насоса

 

При этом на входе в колесо создается пониженное давление и, вследствие разности давлений, жидкость из приемного  резервуара поступает в насос.

Без заполнения корпуса жидкостью  колесо насоса при вращении не может  создать достаточной разности давлений, необходимой для подъема жидкости по всасывающей трубе.

Поэтому перед пуском в  ход центробежный насос должен быть залит жидкостью. Чтобы жидкость не выливалась из насоса и всасывающей  трубы при заливке насоса или  его остановке, на конце всасывающей  трубы устанавливают приемный (обратный) клапан 5 с всасывающей сеткой. Одноступенчатые  центробежные насосы предназначены  для создания небольших напоров - до 50 м.

3.3 Теплообменники  для подогрева исходной смеси

В качестве теплообменников  как вспомогательного оборудования применяют кожухотрубчатые теплообменники. Они состоят из кожуха, трубной  решетки, трубки, сферического днища, штуцера  для подвода и отвода первого  теплоносителя, и штуцера для  подвода и отвода второго теплоносителя. Схема теплообменника (одноходового) представлена на рисунке 3.3.

 

1 - корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки  
Рисунок 3.3 - Одноходовой кожухотрубчатый теплообменник

 

Трубы в решетках таких  теплообменников размещают по периметрам правильных шестиугольников, то есть по вершинам равносторонних треугольников. Трубы в трубных решетках закрепляют чаще всего развальцовкой.

Действие теплообменника основано на прохождении одного теплоносителя  через трубное пространство и  второго через межтрубное пространство, а имеющаяся между ними разность температур позволяет передавать тепло  через разделительные стенки труб.

В таких теплообменниках  при небольших расходах теплоносителя  достигаются высокие скорости движения жидкости и обеспечивается интенсивная  теплоотдача и теплопередача; спиральные теплообменники, которые компактны, работают при высоких скоростях  теплоносителей.

Для конденсации водяного пара применяют поверхностные теплообменники, в которых отсутствует непосредственный контакт теплоносителей. В качестве такого теплообменника используем кожухотрубчатый  теплообменник, принцип работы приведен выше.

3.3 Вакуумный  насос

Для создания вакуума используем водокольцевой вакуумный насос (рисунок 3.4).

 

1 –  корпус; 2 – всасывающий патрубок; 3 – всасывающее окно; 4 – колесо; 
5 – нагнетательный патрубок; 6 – водяное кольцо; 7 – нагнетательное окно

Рисунок 3.4 – Водокольцевой вакуумный насос

 

Рабочая жидкость таких вакуумных  насосов - вода. Конструкция насосов: вакуумные водокольцевые простого действия. Исполнение насосов: горизонтальные с оссвым направлением газа через  всасывающие и нагнетательные окна. Конструктивная особенность - отсутствие трущихся частей в рабочем пространстве. Материалы исполнения вакуумных  водокольцевых насосов ВВН - ссрый чугун и стали обычных марок, насосов ЖВН-12Н - нержавеющая сталь 12Х18Н9Т.

Отличительной особенностью жидкостно-кольцевых (водокольцевых) вакуумных  насосов является то, что сжатие газа в них осуществляется водяным кольцом 6, которое приводится в движение лопаточным рабочим колесом 4, эксцентрично расположенным в корпусе 1.

Перед пуском насос до оси заполняется жидкостью. При вращении рабочего колеса 4 жидкость лопатками отбрасывается к корпусу, и между ступицей рабочего колеса 4 и водяным кольцом 6 образуется серпообразное пространство, разделённое лопаткам рабочего колеса на рабочие ячейки, объем которых изменяется в зависимости от угла поворота рабочего колеса. На угле поворота рабочего колеса, при котором объём рабочих ячеек увеличивается, они соединяются со всасывающим окном 3 и через него заполняются откачиваемым газом. Когда объём рабочей ячейки станет максимальным она отсоединяется от окна всасывания. При дальнейшем повороте рабочего колеса объём рабочей ячейки уменьшается, и в ней происходит сжатие газа. На определённом угле поворота рабочая ячейка соединяется с нагнетательным окном, и газ благодаря уменьшению объёма рабочей ячейки выталкивается через нагнетательное окно в нагнетательный патрубок.

Привод водокольцевого насоса осуществляется непосредственно от электродвигателя. Вал электродвигателя соединяется с валом насоса через  упругую муфту. Так как газ  сжимается жидкостью, в вакуумном  водокольцевом насосе осуществляется хороший теплообмен между сжимаемым  газом и жидкостью, и большая  часть тепла сжатия отводится  от газа. Чтобы поддерживать температуру  жидкостного кольца стабильной, постоянно  вводятся новые порции холодной жидкости. Излишнее количество жидкости отводится  из жидкостного кольца через нагнетательное окно и нагнетательный трубопровод  в отделитель жидкости.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

КП 000000 04 ПЗ

 

БГТУ 01.00 ПЗ

 

 Разраб.

Кажарнович О.Ю.

 Провер.

Вилькоцкий А.А.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

Вилькоцкий А.А.

 

 

 

Расчет выпарной установки

Лит.

Листов

16

 

БГТУ

7140613

4 Расчет выпарной установки

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи [1] формула (4.1):

 \* MERGEFORMAT (.)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δt_п необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение. Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса [2] уравнения (19) и (21):

 \* MERGEFORMAT (.)

 \* MERGEFORMAT (.)

где W – расход вторичного пара, кг/с;

G_н – расход исходного раствора, кг/с;

х_н – концентрация исходного раствора гидроксида натрия, кг/кг;

х_к – концентрация конечного раствора гидроксида натрия, кг/кг.

По заданию расход исходного  раствора равен G_н=4150 кг/ч = 1,153 кг/с, концентрация исходного раствора х_н=0,10 кг/кг, конечного – х_к=0,25 кг/кг.

4.1 Концентрации  упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит  от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

Тогда

 

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

 \* MERGEFORMAT (.)

 \* MERGEFORMAT (.)

 \* MERGEFORMAT (.)

Подставив ранее  рассчитанные значения в формулы (4.4) – (4.6), получим:

 

Концентрация раствора в  последнем корпусе х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_к.

4.2 Температуры  кипения растворов

Общий перепад давлений в  установке равен:

 \* MERGEFORMAT (.)

где Р_г1 – давление греющего пара в первом корпусе, Па;

Р_бк – давление в барометрическом конденсаторе, Па.

Примем греющий пар  со стандартным давлением Р_г1=0,3924 МПа [2]. Давление в барометрическом конденсаторе Р_бк=12000 Па (по заданию).

В первом приближении общий  перепад давлений распределяют между  корпусами поровну. Тогда давления греющего пара во втором корпусе равно:

 \* MERGEFORMAT (.)

Давление греющего пара в  третьем корпусе:

 \* MERGEFORMAT (.)

Давление пара в барометрическом  конденсаторе

 \* MERGEFORMAT (.)

что соответствует заданному значению Р_бк.

По давлениям паров  находим их температуры, энтальпии  конденсата, энтальпии пара, удельные теплоты конденсации [3] с. 548. Данные приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Параметры греющего пара

Рг, МПа	tг,°С	i, Дж/кг	Iг, Дж/кг	rг, Дж/кг
0,3924	142,85	601918	2743987	215760
0,2656	129,38	544153	2725010	2180856
0,1388	109	457102	2694192	2236812
0,012	49,32	-	2588188	2381528