Двухкорпусной выпарной аппарат производительностью 9 т/ч исходного раствора NaОН. Начальная концентрация 10%, конечная 30%. Раствор поступает при температуре кипения. Давление греющего пара 0,25 МПа, давление в БК 0,03 МПа.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

      Выпаривание – процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. 

      Этот  процесс подучил широкое распространение  в химической промышленности, в связи с тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др. получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

      Для нагревания выпариваемых растворов  до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

      Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении.

      Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых  очень разнообразны, что значительно  усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

      Выпарные  аппараты с паровым обогревом  состоят из двух основных частей:

             - кипятильник (греющая камера) в  котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

             - сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

        В зависимости от характера  движения кипящей жидкости в  выпарном аппарате различают:

            - выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

            - выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

            - выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;  

      - пленочные выпарные: аппараты.

      Выпарные  аппараты с естественной циркуляцией  отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.

      Раствор, находящийся в кипятильных трубках  закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

      Существует  несколько типов аппаратов с  естественной циркуляцией: с центральной; циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т.д.

      Выпарные  аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение  из-за простоты конструкции и легкоти  очистки и ремонта. В тоже время  наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность  циркуляции.

1. Выбор конструкции  аппарата

Так как при  упаривании раствора NaOH возможно выделение незначительного осадка, удаляемого механическим путем, то выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой – тип 1 исполнение 2 ГОСТ 11987 – 81 [3c.182].

2. Выбор конструкционного материала

      Так как водный раствор NaОН при температуре кипения является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632 – 72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 °С.

3. Технологическая схема

Рис. 1 Технологическая  схема двухкорпусной выпарной установки. 

      Исходный  раствор  центробежным насосом Н  подается в кожухотрубный теплообменник ТО, где нагревается до  температуры кипения и поступает в первый корпус выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой ВА1. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации  греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в линию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упаренный раствор из 1-го корпуса поступает во второй корпус ВА2 выпарного аппарата. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар из первого корпуса подается во второй в качестве греющего пара, а вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор БК, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.

4. Материальный расчет

1. Производительность установки по выпариваемой воде:

      W = G_н(1 – х_н/х_к) = 2,50(1 –10/30) = 1,67 кг/с,

 где  G_н = 9000/3600 = 2,50 кг/с – массовый расход исходного раствора.

2. Производительность  установки по упаренному раствору:

      G_к = G_н – W = 2,50 – 1,67 = 0,83 кг/с.

3. Распределение количества выпариваемой воды по корпусам

      Принимаем, что w₁:w₂ = 1:1,1, тогда

      w₁ = 1W/(1+1,1) = 1×1,67/2,1 = 0,79 кг/с

      w₂ = 1,1W/(1+1,1) = 1,1×1,67/2,1 = 0,88 кг/с

4. Концентрация  раствора по корпусам

x₁ = G_нх_н/(G_н – w₁) = 2,50×0,10/(2,50 – 0,79) = 0,15 = 15%

x₂ = G_нх_н/(G_н – w₁ – w₂) = 2,50×0,10/(2,50 – 0,79 – 0,88) = 0,30 = 30%

5. Температура кипения раствора

3. Перепад давлений

Общий перепад  давлений в установке:

DР_об = Р_г1 – Р_вп2 = 0,25 – 0,03 = 0,22 МПа

Принимаем, что  перепад давлений между корпусами  распределен как 1:1, тогда

Р_г1 = 0,25 МПа ® t_г1 = 127,4 °С,

Р_г2 = 0,25 – 0,220×1/2 = 0,140 МПа ® t_г2 = 109,3 °С,

Р_бк2 = 0,030 МПа ® t_бк = 69,1 °С,

4. Гидродинамическая депрессия

Принимаем гидростатическую депрессию D``` = 1°С, тогда температура и давление вторичного пара:

      t_вп1 = t_гп2 + D``` = 109,3 + 1 = 110,3 °С ® Р_вп1 = 0,145 МПа,

      t_вп2 =  t_бк2 +D``` = 69,1+1 = 70,1 °С ® Р_вп1 = 0,031 МПа,

5. Гидростатическая  депрессия

      Оптимальная высота раствора в трубках:

      h_опт = Н[0,26+0,0014(r – r_в);

      где Н = 4 м – высота кипятильных трубок;

             r₁ = 1117 кг/м³ – плотность раствора [2 c. 90];

             r₂ = 1190 кг/м³;

      h_опт1 = 4[0,26+0,0014(1117 – 957)] = 1,94 м.

      h_опт2 = 4[0,26+0,0014(1190 – 977)] = 2,23 м.

      Давление  в среднем слое раствора:

      Р_ср= Р_вп + 0,5h_оптrg

      Р_ср1= 0,145×10⁶ + 0,5×1,94×1117×9,8 = 0,156 МПа,

      Р_ср2= 0,031×10⁶ + 0,5×2,23×1190×9,8 = 0,044 МПа,

Этим  давлениям соответствуют следующие  температуры и теплоты испарения  [1c.550]:

      P_cp1 = 0,156 МПа ® t_cp1 = 112,5 °C,  r_вп1 = 2223 кДж/кг,

      P_cp2 = 0,044 МПа ® t_cp2 =  78,2 °C, r_вп2 = 2313 кДж/кг.

      Гидростатическая  депрессия:

      D₁`` = t_cp1 – t_вп1 = 112,5 – 110,3 = 2,2 °С.

      D₂`` = t_cp2 – t_вп2 = 78,2 – 70,1 = 8,1 °С.

      SDt``= 2,2+8,1 =10,3°С.

6. Температурная депрессия

где D`_ат – температурная депрессия при атмосферном давлении,

      D₁`<sub>ат</sub> = 5,5 °С,                D<sub>2</sub>`_ат =17,0 °С   [1 c.535],

      D₁` = 16,2(273+112,5)²×5,5/2223000 = 6,0 °C.

      D₂` = 16,2(273+ 78,2)²×17/2313000 =14,7 °C.

      SDt`= 6,0+14,7 = 20,7 °С.

7. Температура кипения растворов

      t_к1 = t_г2+D₁``` +D₁``+D₁` = 109,3+1+2,2+6,0 = 118,5 °C,