РЕФЕРАТ 2 страница

КЗ1 – кристаллизатор; ГЦ1 – гидроциклон; КС1 – конденсатор; КБ1, КБ2, КБ3 –конденсатор ПЭБ; ЭЖ1, ЭЖ2, ЭЖ3 –эжектор; ЦФ1 –центрифуга; Б1, Б2– бак - гидрозатвор; БМ1, БМ2, БМ3 – бак с перемешивающим устройством; НВ1 –вакуум-насос. -номера потоков растворных коммуникаций; - номера паровых потоков; - номера конденсатных потоков; - номера потоков оборотной воды.

0,1 раствор, суспензия 1,0 вода оборотная 1,8 конденсат 2,0 пар греющий 2,2 пар вторичный 3,0 неконденсирующиеся газы

	Рис. 5 Схема основных материальных потоков установки кристаллизации

Вторичный пар кристаллизатора К31 направляется в основной кожухотруб-ный горизонтальный конденсатор КС1, охлаждаемый оборотной водой. Неконденсирующиеся газы из конденсатора отсасываются трехступенчатым пароэжекторным блоком, включающим три эжектора ЭЖ1, ЭЖ2, ЭЖ3 и три барометрических конденсатора КБ1, КБ2, КБ3. Рабочим паром эжекторов служит пар ТЭЦ. Барометрические конденсаторы охлаждаются оборотной водой. Отработанная вода из этих конденсаторов отводится по отдельным трубопроводам и сливается через гидрозатворы в бак Б2, из которого возвращается в систему оборотного водоснабжения. Из последнего по ходу парогазовой смеси конденсатора КБ3 несконденсировавшаяся смесь выводится в атмосферу.

3.4 Для оперативного создания вакуума в установке при пуске ее в работу предназначен водокольцевой вакуум-насос НВ1. После достижения рабочих зна-чений вакуума в выпарной установке этот вакуум-насос отключается.

В установке предусмотрена подача воды или конденсата вторичного пара на узлы уплотнения валов циркуляционного насоса и перекачивающих насосов.

Для промывки окон в выпарном аппарате и кристаллизаторе, промывки вы-парного аппарата и кристаллизатора, растворных коммуникаций используется конденсат из бака Б1. Предусмотрена также пропарка запорной арматуры и трубопроводов, по которым движется раствор с кристаллами формиата натрия.

При останове установки выпарной аппарат АВ1 опорожняется в бак исход-ного раствора БМ1, а кристаллизатор КЗ1 – в бак с мешалкой БМ2.

4. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

4.1 Выпарной аппарат

Выпарной аппарат предназначен для предварительного концентрирования исходного раствора формиата натрия до концентрации 38 % без выделения твердой фазы (кристаллов). Процесс выпаривания осуществляется в выпарном аппарате с естественной циркуляцией.

Греющая камера выпарного аппарата состоит из 114 трубок диаметром 38 мм со стенкой толщиной 2 мм и длиной 6000 мм. Греющие трубки, образующие поверхность теплопередачи 77,3 м2, заключены в кожух диаметром 600 мм и сообщены циркуляционной и подъемной трубами с сепаратором. В сепараторе, выполненном в виде вертикально установленного цилиндра диаметром 1,6 м, происходит отделение образующегося пара от кипящего раствора.

Более подробно конструкция и техническая характеристика выпарного аппарата с естественной циркуляцией представлена на чертеже 240801 066100 2750 СБ.

4.2 Кристаллизатор

Частично упаренный раствор поступает во второй аппарат – кристаллизатор с принудительной циркуляцией концентрируемого раствора. В этом аппарате дальнейшее выпаривание раствора сопровождается выделением кристаллов формиата натрия. Опыт промышленного выпаривания кристаллизующихся растворов формиата показывает, что продолжительный стабильный безнакипный режим работы кристаллизатора обеспечивается при содержании в циркулирующем растворе 30-40 % взвешенных кристаллов. В описываемом кристаллизаторе содержание взвешенных кристаллов формиата натрия составит 30-36 %.

4.3 Паровой подогреватель раствора

Первоначальный подогрев исходного раствора перед подачей в первый корпус осуществляется в кожухотрубном паровом подогревателе, который обогревается вторичным паром первого корпуса установки. Подогреватель имеет поверхность теплопередачи 4,2 м2, образованную 14 греющими трубками диаметром 18х2 мм и длиной 6 м. Подогреватель имеет два хода по раствору. Раствор проходит со скоростью 2,2 м/с. Температура раствора на выходе из подогревателя 53,7 °С.

Корпус аппарата диаметром 133 мм установлен вертикально и имеет в верхней части патрубок для подвода пара, а в нижней – патрубок для отвода конденсата.

Конструкция и техническая характеристика парового подогревателя представлена на чертеже 240801 065200 2750 СБ.

4.4 Конденсатный подогреватель раствора

Окончательный нагрев исходного раствора происходит в четырехсекционном кожухотрубном конденсатном подогревателе, в котором нагреваемый раствор проходит по греющим трубкам, а конденсат – по межтрубному пространству. Раствор и конденсат в противоточном движении перетекают через все четыре секции.

Площадь поверхности теплопередачи каждой секции составляет 2,1 м2, ее образуют 7 трубок диаметром 18 мм с толщиной стенки 2 мм и длиной 6 м. Общая площадь поверхности теплообменника 8,4 м2. Кожухом секции служит труба диаметром 75х4 мм. Скорость раствора в трубках 2,2 м/с, скорость конденсата в межтрубном пространстве 0,6 м/с. Температура раствора на выходе из подогревателя 90 ° С.

Более подробно конструкция и техническая характеристика конденсатного подогревателя приведена на чертеже 240801 065100 2750 СБ.

4.5 Основной конденсатор

Для конденсации вторичного пара кристаллизатора установки предназначен кожухотрубный горизонтальный конденсатор, в теплообменные трубки которого подается охлаждающая оборотная вода. Неконденсирующиеся газы из конденсатора отсасываются пароэжекторным блоком.

4.6 Гидроциклон

Производственный опыт показывает, что для обеспечения продолжительной и эффективной работы кристаллизатора концентрацию кристаллов в циркулирующей в нем суспензии необходимо поддерживать равной примерно 30 % (масс.). Однако такая концентрация недостаточна для производительной работы центрифуги, которая предназначена для отделения кристаллической фазы из этой пульпы на выходе из аппарата. Наиболее благоприятны для работы центрифуги объемные концентрации кристаллов 40-50 % (48-58 % масс.). Повышение взвешенной фазы в пульпе, подаваемой на центрифугу, достигается при помощи гидроциклона, осветленная часть пульпы из которого возвращается в выпарной аппарат.

Более подробно конструкция и техническая характеристика гидроциклона представлена на чертеже 240801 061100 2750 СБ.

4.7 Пароэжекторный блок

Для удаления неконденсирующихся газов из основного конденсатора установки используется пароэжекторный блок, состоящий из трех эжекторов и трех барометрических конденсаторов.

Для оперативного начального создания вакуума при пуске выпарной установки после ПЭБ установлен вакуум-насос ВВН1-6.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

5.1 Материальный и тепловой баланс установки

5.1.1 Основные уравнения материального баланса

, [4, с.145]

, [4, с.145]

где - массовые расходы начального, маточного раствора и кристаллов, кг/с;

х_нач, х_мат – массовые доли растворенного вещества в начальном и маточном растворе;

W – массовый расход выпаренной воды, кг/с:

[6, с.166]

5.1.2 Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса:

Q = Q_нагр+ Q_исп+ Q_пот , [5, с.376]

где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;

Q_нагр – расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

Q_исп– расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

Q_пот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Q_пот при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (Q_нагр+ Q_исп)

Следовательно:

Q = 1.05 (Q_нагр+ Q_исп) [5, с.377]

Температуру исходного раствора t_нач, поступающего в выпарные аппараты примем на 2.5°С меньше t_кон:

t_нач= t_кон-2.5

Расход теплоты на нагрев:

Q_нагр= G_нач с_нач (t_кон-t_нач) [5, с.377]

где G_нач – производительность по разбавленному раствору

с_нач – удельная теплоёмкость раствора при t_нач и начальной концентрации Х_нач, Дж/(кг К)

Расход теплоты на испарение:

Q_исп=W×(i”_вт.п - с_в×t_кон), [5, с.378]

где i_вт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t₁.

Результаты расчетов материальных потоков установки, обозначенных на рис.5 приведены в таб. 5.1, 5.2, 5.3.

Потоки раствора Таблица 5.1

Параметры	номер потока
Массовый расход, кг/ч
Температура, ° С			124,8
Содержание формиата натрия, %				70,5	80,4		57,9	-	57,9
Содержание твердой фазы в суспензии, %	-	-	-	30,0	-	-	-	-	-
Массовое содержание твердой фазы в суспензии, %	-	-	-	-		-	-	-	-

Потоки пара Таблица 5.2

Параметры	номер потока
Массовый расход, кг/ч
Температура, ° С		94,7	93,7	93,7	40,0

Потоки конденсата Таблица 5.3

Параметры	номер потока
Массовый расход, кг/ч
Температура, °С		99,3	93,7	93,7	39,0

Для конденсации пара в основной конденсатор поступает оборотная вода с начальной температурой 20 °С. Температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора составляет 35 °С. Расход охлаждающей воды 115 м³/ч.

5.2 Расчет основного оборудования

5.2.1 Расчет кристаллизатора

На кристаллизацию поступает раствор в количестве Gрас=8000кг/ч

(2,22 кг/с) при , концентрации по формиату натрия масс. доли и плотности ρ=1200 кг/м3.

Производительность аппарата по кристаллическому продукту Gкр=1500 кг/ч (0,43 кг/с).

Скорость циркуляции раствора в греющих трубках ω=1,3 м/с;; давление греющего пара р=4,85 ат, температура насыщения пара , давление в сепараторе кристаллизатора р=0,0075 МПа.

Расчет.

Температура кипения насыщенного раствора формиата натрия при давлении р=0,0075 МПа , его концентрация масс. доли. Величина теплоты кристаллизации q=29.5 ккал/кг (122,9 кДж/кг). Теплоемкость кристаллов формиата натрия [данные СвердНИИХИММАША]

Теплоемкость исходного и маточного раствора определим по правилу аддитивности:

0,38*0,85+(1-0,38)*4,19=2,92 [4, c.249]

0,579*0,85+(1-0,579)*4,19=2,256 .

где =4,19 - теплоемкость воды.

Количество выпаренной воды определяется по уравнению:

[4, c.249]

Количество маточного раствора Gмат после выпарки:

Gмат = Gрас – Gкр – W = 2,22 – 0,43 – 0,89 = 0,9 кг/с.

Содержание кристаллов в суспензии k (в масс. долях):

, [4, c.249]

что допустимо в случае принудительной циркуляции.

Количество тепла Q, необходимое для подогрева раствора до температуры кипения и его упаривания (без учета тепловых потерь) определим по уравнению:

Q = Gмат + Gкр + Wi - Gрас - Gкр q, [4, c.249]

где i – энтальпия вторичного пара, равная 2272 кДж/кг;

Q = 0.9*2.256*77 + 0.43*0.85*77 + 0.89*2272 – 2.22*124.8 –

- 0.43*122.9 = 1621 кВт.

Расход греющего пара D:

, [4, c.249]

где r – скрытая теплота конденсации пара, равная 2165,83 кДж/кг.[3]

Необходимая площадь поверхности теплообмена кристаллизатора

[4, c.249]

где Q - количество передаваемого тепла, кДж,

Dt – разность температур греющего пара и раствора, определяемая по формуле Dt = tп – tр = 93,8 – 77 = 16,8 .

.

Коэффициент теплопередачи К найдем из выражения:

, [6, c.48]

где a_кип – коэффициент теплоотдачи кипящего раствора, Вт/(м² К)

a_конд - коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара, Вт/(м² К)

∑r_ст – сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м² К)/Вт

Для расчётов коэффициент теплоотдачи a_конд, воспользуемся методом итераций.

Примем температуру наружной стенки трубы t_ст1 меньшей чем t_{конд.гр.п.} и равной:

t_ст1= 94,9

При конденсации греющего пара на пучке вертикальных труб, выражение для коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид:

[3, c.338]

где Н – высота труб, м

Dt – разность температур конденсаций греющего пара t_{конд.гр.п.} и температуры стенки t₁,;

Значение функции Аt найдём при температуре t_{конд.гр.п.} [3, табл. 4.6]

At=7278

Dt = t_{конд.гр.п..}- t_ст1= 97,4 - 94,9 = 2,5

Н=Н_тр=4 м

Вт/(м² К)

Количество теплоты q₁, передаваемое от конденсирующегося пара к стеке, найдём по формуле:

q₁=a_конд(t_{конд.гр.п..}- t_ст1) = 20872,8 Вт [3, c.348]

Так как процесс теплопередачи является установившемся, то количество теплоты q₁ равно количеству теплоты q_ст, которое передаётся от наружной стенки трубы с температурой t_ст1 к внутренней, с температурой t_ст2.

[3, c.349]

Суммарное термическое сопротивление стенки найдём по формуле:

[6, c.50]

где d - толщина стенки трубы, м;

l_ст - коэффициент теплопроводности трубы, Вт/(м К)

r_загр1, r_загр2 – термическое сопротивление слоев загрязнения с наружной и внутренней сторон стенки соответственно, м² К/Вт

Определим значения величин r_загр1, r_загр2 [3, табл. ХХХI]

r_загр1=1/5500=1.818 10^{-4 м2} К/Вт

r_загр2=1/5500=1,818 10^{-4 м2} К/Вт

Коэффициент теплопроводности l_ст для стали равен [3]:

l_ст=16,88 Вт/(м К)

Толщину стенки трубы примем:

d=0.002 м

м² К/Вт

Температуру t_ст2 найдём из формулы:

t_ст2= t_ст1-q₁ ∑r_ст [3, c.338]

t_ст2=94,9 – 20872,8* = 87,31 °С

Значение коэффициента a_кип примем равным 2350 Вт/(м² К) исходя из опыта проектирования подобных установок.

Тогда:

Вт/(м² К), следовательно

Для конструкторской проработки принят кристаллизатор с поверхностью теплопередачи 95 м2.

Греющая камера состоит из 211 теплообменных труб диаметром 38х2 мм и длиной 4 м.

Циркуляционный насос ОХВН6-300 производительностью 620 м3/ч обеспечивает скорость циркуляции раствора по греющим трубкам 1,3 м/с при напоре 1,5 м столба раствора. Центробежный насос снабжен электродвигателем с числом оборотов 1470 об/мин мощностью 15 кВт.

5.2.2 Расчет сепаратора кристаллизатора

Сепаратор выбирается исходя из условия очистки вторичного пара от брызг, а также из расчета полного снятия возникающего пересыщения на поверхности циркулирующих кристаллов. Диаметр сепаратора рассчитывается по формуле:

, [4, c.250]

где υ’’ – удельный объём пара, равный 17,15 м3/кг,

=3 м/с - скорость движения пара в сепараторе.

Таким образом,

Принимаем Dc = 2600 мм.

Высота сепаратора от уровня раствора до отбойника 4,5 м. Скорость вторичного пара в сепараторе равна 3,1 м/с. Коэффициент очистки вторичного пара (отношение содержания солей во вторичном паре к содержанию их в выпариваемом растворе) составит 1,28×10-3 кг/кг.

Диаметр циркуляционных труб находим из условия постоянства линейной скорости раствора по контуру. В этом случае сечение циркуляционных труб равно суммарной площади сечения всех греющих трубок, т. е.:

, [4, c.250]

где - внутренний диаметр греющих трубок;

n – их количество.

Таким образом, .

Принимаем = 377 мм.

5.2.3 Расчет основного конденсатора

Необходимая площадь поверхности основного конденсатора

[6, c.67]

где Gп2 – поток вторичного пара из кристаллизатора, кг/с;

r =2409 кДж/кг – удельная теплота конденсации пара [3];

D tср –средняя разность температур пара и охлаждающей воды;

[6, c.67]

где , - большая и меньшая разность температур пара tп и воды в конденсаторе на входе tвх и на выходе tвых;

= tп- tвх =39-20=19 град;

= tп- tвых=39-35=4 град;

k – коэффициент теплопередачи; исходя из опыта эксплуатации подобных конденсаторов принимаем k=900 Вт/(м2×град).

Подставляя численные значения величин, получаем

[6, c.178]

На основании результатов расчета в качестве основного конденсатора принимаем стандартный кожухотрубный горизонтальный шестиходовой конденсатор типа 1000 КНГ по ГОСТ 15121-79, имеющий площадь поверхности теплообмена F = 262 м2, теплообменные трубки размером Æ20х2 мм, длиной 4 м и диаметр кожуха 1000 мм.

Расход охлаждающей воды, необходимый для конденсации пара

где cв =4187 Дж/(кг×град) – удельная теплоемкость охлаждающей воды;

- начальная и конечная температуры охлаждающей воды,

.

Часовой расход охлаждающей воды

Скорость движения воды по теплообменным трубам конденсатора 1,0 м/с.

5.2.4 Расчет гидроциклона

Гидроциклон, входящий в состав ВВУ был рассчитан по специализи-рованной компьютерной программе, разработанной сотрудниками 8 отдела СвердНИИхиммаша.

Исходные данные для расчета гидроциклона:

- поток исходной суспензии	5000 кг/ч;
- массовая доля твердой фазы: в исходной суспензии в сгущенной суспензии	30 %; 50 %;
- производительность гидроциклона по сгущенной суспензии	3000 кг/ч;
- температура исходной суспензии	77 °С;
- плотность взвешенной фазы	1920 кг/м3;
- размер частиц взвешенной фазы	80 мк;
- плотность жидкой фазы	1320 г/м3.

Результаты расчета основных размеров гидроциклона приведены в таб. 5.4.

Таблица 5.4

Наименование параметра	Значение
Диаметр гидроциклона, мм
Диаметр питающего патрубка, мм
Диаметр сливного патрубка, мм
Диаметр песковой насадки, мм
Угол конусности, a, град
Давление суспензии на входе в гидроциклон, МПа	0,25

Конструкция гидроциклона представлена на чертеже 240801 061100 2750 СБ.

5.2.5 Расчет пароэжекторного блока ВВУ

Пароэжекторный блок выпарной установки был также рассчитан по компьютерной программе, разработанной на СвердНИИхиммаше с целью упрощения расчетной части проектов.

Результаты расчетов эжекторов приведены в табл. 5.5.

Таблица 5.5