Курсовая работа: Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3
Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)
Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.
Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.
Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~8 10-3 Па с, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.
Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка ~0.1 Па с, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.
В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.
Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.
Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.
2. Технологическая часть
2.1 Технологическая схема
1-емкость исходного раствора; 2, 9-насосы; 3, 4, 5-выпарные аппараты; 6-емкость упаренного раствора; 7-гидрозатвор; 10-барометрический конденсатор
2.2 Выбор конструкционного материала аппарата
Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaNO3 в интервале изменения концентраций от 10 до 27 %. В этих условиях подходит сталь марки X17 с коэффициентом теплопроводности λст = 25,1 Вт/м˚К. Скорость коррозии ее менее 0,1 мм/год.
2.3 Технологические расчеты
| Основные условные обозначения: | |
| с – теплоемкость, Дж/(кг·К); | r – теплота парообразования кДж/кг; |
| d – диаметр, м; | T, t – температура, град; |
| D – расход греющего пара, кг/с; | W, ω – производительность по испаряемой воде, кг/с; |
| F – поверхность теплопередачи, м2 ; | x – концентрация, % (масс.); |
| G – расход, кг/с; | α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ·К); |
| g – ускорение свободного падения, м/с2 ; | ρ – плотность, кг/м3 ; |
| H – высота, м; | μ – вязкость, Па·с; |
| I – энтальпия пара, кДж/кг; | λ – теплопроводность, Вт/(м·К); |
| i – энтальпия жидкости, кДж/кг; | σ – поверхностное натяжение, Н/м; |
| К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ·К); | Re – критерий Рейнольдса; |
| Р – давление, МПа; | Nu – критерий Нуссельта; |
| Q – тепловая нагрузка, кВт; | Pr – критерий Прандтля; |
| q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 ; | |
| Индексы: | |
| 1, 2, 3 – первый, второй, третий корпус выпарной установки; | ж – жидкая фаза; |
| бк – барометрический конденсатор; | к – конечный параметр; |
| в – вода; | н – начальный параметр; |
| вп – вторичный пар; | ср – средняя величина; |
| г – греющий пар; | ст – стенка. |
Расчёт выпарного аппарата
1) Определяем общее количество выпаренной воды из уравнения материального баланса
2) В первом приближении количество выпаренной воды по корпусам принимаем равным, т.е.
3) Конечная концентрация раствора по корпусам
Таблица 1.
| № | Наименование | Обозначение | Размерность | Кол-во |
| 1 | Производительность по исходному раствору | GH | кг/ c | 2,778 |
| 2 | Начальная концентрация раствора | XH | вес.дол.,% | 10 |
| 3 | Конечная концентрация раствора | XK | вес.дол.,% | 27 |
| 4 | Давление греющего пара | P | Па | 392266 |
| 5 | Давление в барометрическом конденсаторе | PK | Па | 19613,3 |
| 6 | Количество выпаренной воды общее | W | кг/ c | 1,7489 |
| в первом корпусе | W1 | кг/ c | 0,583 | |
| во втором корпусе | W2 | кг/ c | 0,583 | |
| в третьем корпусе | W3 | кг/ c | 0,583 | |
| 7 | Конечная концентрация раствора |
| ||
| в первом корпусе | XK1 | вес.дол.,% | 12,657 | |
| во втором корпусе | XK2 | вес.дол.,% | 17,235 | |
| в третьем корпусе | XK3 | вес.дол.,% | 27,005 | |
Определение температур кипения растворов
Общий предел давлений в установке:
Давления греющих паров в корпусах:
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:
| Давление пара, МПа | Температура, ˚С | Энтальпия пара, кДж/кг |
| Рг1 =0,392 | tг1 =142,9 | I1 =2744 |
| Рг2 =0,267 | tг2 =132,9 | I2 =2730 |
| Рг3 =0,142 | tг3 =108,7 | I3 =2693 |
| Рбк =0,017 | tбк =59,7 | Iбк =2607 |
Гидродинамическая депрессия , обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса Δ´´´ = 1 град. Температуры вторичных паров в корпусах:
˚С
˚С
˚С
Сумма гидродинамических депрессий:
˚С
По температурам вторичных паров определим их давления:
| Температура, ˚С | Давление пара, МПа |
| tвп1 =133,9 | Рвп1 =0,3131 |
| tвп2 =109,7 | Рвп2 =0,1433 |
| tвп3 =60,7 | Рвп3 =0,0199 |
Гидростатическая депрессия . Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса: 
По ГОСТу [2] аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках имеют высоту кипятильных труб Н=4 м при диаметре труб dН = 38 мм и толщине стенки σСТ = 2 мм.
При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε=0,4 - 0,6. Примем ε = 0,5. Плотность водных растворов NaNO3 [3] по корпусам при t = 20℃ равна: ρ1 =1067кг/м3 , ρ2 =1143кг/м3 , ρ3 =1209кг/м3
Давление в среднем слое кипятильных труб:
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:
| Давление, *104 Па | Температура,℃ | Теплота испарения, кДж/кг |
| Рср1 =32,36 | tср1 =132,9 | rвп1 =2171 |
| Рср2 =15,45 | tср2 =112,7 | rвп2 =2227 |
| Рср3 =3,18 | tср3 =68,7 | rвп3 =2336 |
Гидростатическая депрессия по корпусам:
˚С
˚С
˚С
Сумма гидростатических депрессий:
˚С