Проектирование адиабатной выпарной установки термического обессоливания воды

К числу основных элементов установок мгновенного вскипания относятся камеры испарения, конденсаторы-пароохладители, сепараторы, поддоны для сбора дистиллята, головной подогреватель. Кроме того, в число элементов установки входят вспомогательные теплообменники и конденсаторы (для конденсации паров, поступающих на оттяжку), насосы, эжекторы, вакуум-насосы.

Современные технологические схемы адиабатных выпарных установок выполняются многоступенчатыми. Это связано с тем, что при мгновенном вскипании воды в отдельной ступени температура проходящего через неё предварительно нагретого рассола понижается незначительно и при одноступенчатом испарении для обеспечения заданной производительности потребуется подать на опреснение большое количество исходной воды, а теплоту рассола потерять при этом безвозвратно.

Многоступенчатая конструкция опреснительной установки мгновенного вскипания влияет на удельный расход теплоты. Согласно [20] с повышением числа ступеней значение удельного расхода теплоты уменьшается, чем и объясняется имеющаяся тенденция к увеличению числа ступеней установок большой производительности.

К числу основных параметров и характеристик дистилляционной опреснительной установки относят предельную температуру исходной воды в первой и последней ступенях и определяющие их значение давления и температуры греющей среды, температурный напор и подогрев воды по ступеням, производительность установки и число ступеней в ней, а также допустимая степень концентрирования исходной воды. Правильный выбор параметров установки позволит в значительной степени сократить стоимость её строительства.

Учитывая имеющиеся данные и рекомендации источников, выбираем для проектирования схему двухконтурной многоступенчатой адиабатной выпарной установки с регенерацией теплоты вторичного пара.

2. Расчёт адиабатной выпарной установки

2.1 Выбор эжектора

2.1.1 В качестве основного греющего пара в установке используем низкопотенциальный водяной пар, отработанный в турбинах привода основного оборудования производств аммиака, с параметрами на выходе Pвак=69,8 – 53,2 кПа и t=63 – 80 оC.

Для повышения потенциала греющего пара устанавливается пароструйный эжектор. Это позволит повысить температуру используемого пара с 70 оС до 100-101 оС. Тем самым удастся увеличить температурный перепад в ступенях установки адиабатного вскипания, что приведёт к снижению расхода воды, поступающей на испарение, охлаждающей воды и уменьшению капитальных затрат.

Принимаем в качестве рабочего пар 40 из общезаводской сети с параметрами P=4,0 МПа и t=375 оС. В месте с тем, рассмотрим возможность работы эжектора на паре других параметров, а именно: пар 10 (P=1 МПа и t=230 оС) и пар 27 (P=2,4 МПа и t=280 оС).

2.1.2 Найдём значения коэффициентов эжекции при использовании рабочего пара различных параметров

2.1.3 Исходные данные для расчёта

2.1.3.1 Температура рабочего пара tр=375оC (230 оС и 280 оС).

2.1.3.2 Давление рабочего пара Рр=4,0 МПа (0,98 МПа и 2,4 МПа).

2.1.3.3 Температура эжектируемого пара tн=70оС.

2.1.3.4 Давление эжектируемого пара Pн=3,1161´104 Па.

2.1.3.5 Температура смеси на выходе tс=101оС.

2.1.3.6 Давление смеси на выходе Рс=0,0981МПа=1ата.

2.1.4 Для заданных параметров сред найдём по таблицам 2-1 и 2-3 [18] значения энтальпий h

hр40= 3158,8 кДж/кг; hр27=2966,9 кДж/кг; hр10= 2897,9 кДж/кг;

hн=2626,8 кДж/кг;

hc=2680,7 кДж/кг.

2.1.5 По формуле (2-29) [23] определим величину коэффициента инжекции u для случая использования пара 40

принимаем коэффициент инжекции равный u=9.

2.1.6 Уточним значение энтальпии смеси на выходе из эжектора hсд по формуле (2-29) [23]

2.1.7 Аналогично находим значения коэффициентов эжекции для случаев применения в качестве рабочего пара 10 и пара 27 и при заданных параметрах эжектируемого пара и получаемой смеси. Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Коэффициент эжекции пароструйного эжектора при различных параметрах рабочего пара

2.2 Основные характеристики проектируемой адиабатной выпарной установки

2.2.1 Для улучшения характеристик установки принимаем температуру воды поступающей на испарение на выходе из головного подогревателя равной t1=100 оС. Согласно рекомендациям [20] на стр. 107 температуру рассола на выходе из последней ступени принимают равной 35 – 40 оС. Исходная вода на установку подается после предочистки из корпуса 174 с температурой tисх=30 оС.

Распределение располагаемого температурного напора по ступеням предполагаем равный, как технологически наиболее выгодный [27]. Кратность концентрирования в установке принимается равной 3 [20].

Общее количество ступеней установки делим на два контура [20]. Первый контур состоит из ступеней отвода теплоты, в которых теплота конденсации образующегося пара передаётся охлаждающей воде; второй представляет собой ряд ступеней регенерации, где теплота воспринимается нагреваемым рассолом. Согласно [20] число ступеней в первом контуре принимается равным трём, так как увеличение числа ступеней ведёт к потере теплоты со сбрасываемой водой. Оптимальное же число ступеней, входящих в регенеративный контур, чаще всего равно 5 – 6, что связано с расположением конденсаторов в корпусах. Основываясь на имеющихся данных число ступеней в установке принимается равным 9.

Для предотвращения накипеобразования на поверхностях теплообмена в циркулирующий рассол добавляется антинакипин в количестве до 10 мг/л в зависимости от типа.

Установка имеет горизонтальную компоновку и устанавливается в помещении. Это позволит защитить выпарные аппараты от воздействия внешней среды и обеспечить необходимый температурный режим.

2.3 Тепловой расчёт

2.3.1 Исходные данные теплового расчёта

2.3.1.1 Число ступеней испарения N=9 шт.;

2.3.1.2 Производительность по дистилляту Gд=750 т/час=208,3 кг/с;

2.3.1.3 Общее солесодержание исходной воды bисх=300 мг/кг;

2.3.1.4 Температура греющего пара tг.п.=101 оС;

2.3.1.5 Температура рассола, поступающего в первую ступень установки (после головного подогревателя) t1=100 оС;

2.3.1.6 Температура исходной осветлённой воды (летний режим) tисх.=30 оС;

2.3.1.7 Температура кипения раствора в последней ступени (принимается по технико-экономическим показателям) tк=40 оС;

2.3.1.8 Температура воды водооборотного цикла составляет: подающей tохл1=28 оС и обратной tохл2=35 оС.

2.3.1.9 Нагрузка 1 м2 поверхности камеры испарения sS=0,85 кг/м2.

2.3.2 Определим расход рассола, поступающего в первую камеру испарения G

где rср= 2331,85 кДж/кг – средняя теплота парообразования в установке;

Сср=4,198 кДж/кг*К – средняя теплоёмкость воды, поступающей на испарение по таблице 2-8 [18];

Kот = 1% – коэффициент, учитывающий величину оттяжек парогазовой смеси из камер испарения по рекомендациям на стр. 184 [14].

2.3.2 Средний температурный напор между ступенями Dt

2.3.3.1 В первой ступени tк1=t1-Dt=100-6,67=93,33 оС;

2.3.3.2 Во второй ступени tк2=tк1-Dt=93,33-6,67=86,66 оС;

2.3.3.1 В третьей ступени tк3=tк2-Dt=86,66-6,67=79,99 оС;

2.3.3.1 В четвёртой ступени tк4=tк3-Dt=79,99-6,67=73,32 оС;

2.3.3.1 В пятой ступени tк5=tк4-Dt=73,32-6,67=66,65 оС;

2.3.3.1 В шестой ступени tк6=tк5-Dt=66,65-6,67=59,98 оС;

2.3.3.1 В седьмой ступени tк7=tк6-Dt=59,98-6,67=53,31 оС;

2.3.3.1 В восьмой ступени tк8=tк7-Dt=53,31-6,67=46,64 оС;

2.3.3.1 В девятой ступени tк9=tк8-Dt=46,64-6,67=40 оС.

2.3.4 Найдём количество выпаренной воды по ступеням Gi

2.3.4.1 В первой ступени G1

где С1=4,205 кДж/кг*К – изобарная теплоёмкость воды при температуре кипения в первой ступени по таблице 2-4 [18];

r1=2274,7 кДж/кг – удельная теплота парообразования при температуре в первой камере испарения по таблице 2-1 [18].

2.3.4.2 Во второй ступени G2

2.3.4.3 В третьей ступени G3

2.3.4.4 В четвёртой ступени G4

2.3.4.5 В пятой ступени G5

2.3.4.6 В шестой ступени G6

2.3.4.7 В седьмой ступени G7

2.3.4.8 В восьмой ступени G8

2.3.4.9 В девятой ступени G9

2.3.4.10 Количество пара на оттяжку, поступающего в конденсатор теплоиспользующих ступеней Gот’

2.3.4.11 Количество пара на оттяжку, поступающего в конденсатор теплоотводящих ступеней Gот”

2.3.5 Определим температуру вторичного пара по ступеням установки tsi с учётом величины физико-химической D1’ , гидростатической D1” и гидродинамической депрессий D1’’’

2.3.5.1 В первой ступени ts1

ts1=tк1-D1’-(D1”-D1’’’)=93,33-0,4-0,4=92,53 оС;

где D1’=0,4 оС – физико-химическая температурная депрессия, вычисленная по формуле на стр. 95 [20] (одинаковая для всех ступеней испарения)

где bср=0,04% - средняя концентрация рассола в установке;

D1”-D1’’’=0,4 оС – сумма гидростатической и гидродинамической депрессий в первом аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.2 Во второй ступени ts2

ts2=tк2-D2’-(D2”-D2’’’)=86,66-0,4-0,6=85,66 оС;

где D2”-D2’’’=0,6 оС - сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.3 В третьей ступени ts3

ts3=tк3-D3’-(D3”-D3’’’)=79,99-0,4-0,8=78,79 оС;

где D3”-D3’’’=0,8 оС - сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.4 В четвёртой ступени ts4

ts4=tк4-D4’-(D4”-D4’’’)=73,32-0,4-1,0=71,92 оС;

где D4”-D4’’’=1,0 оС - сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.5 В пятой ступени ts5

ts5=tк5-D5’-(D5”-D5’’’)=66,65-0,4-1,2=65,05 оС;

где D5”-D5’’’=1,2 оС - сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.6 В шестой ступени ts6

ts6=tк6-D6’-(D6”-D6’’’)=59,98-0,4-1,4=58,18 оС;

где D6”-D6’’’=1,4 оС - сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.7 В седьмой ступени ts7

ts7=tк7-D7’-(D7”-D7’’’)=53,31-0,4-1,6=51,31 оС;

где D7”-D7’’’=1,6 оС - сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.8 В восьмой ступени ts8

ts8=tк8-D8’-(D8”-D8’’’)=46,64-0,4-1,8=44,44 оС;

где D8”-D8’’’=1,8 оС - сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.9 В девятой ступени ts9

ts9=tк9-D9’-(D9”-D9’’’)=39,97-0,4-2,0=37,57 оС;

где D9”-D9’’’=2,0 оС - сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям [20] на стр. 96.

2.3.5.10 Определим среднюю температуру пара на оттяжку, поступающего в конденсатор из теплоиспользующих ступеней tSср1

2.3.5.11 Определим среднюю температуру пара на оттяжку, поступающего в конденсатор из теплоиспользующих ступеней tSср2

2.3.6 Находим количество оборотной воды, необходимое для конденсации паров парогазовой смеси оттяжек в каждом из конденсаторов

2.3.6.1 Количество оборотной воды, подаваемое в конденсатор теплоиспользующих ступеней Gохл1

где rср1=2320,4 кДж/кг – удельная теплота парообразования при средней температуре пара поступающего в конденсатор по таблице 2-1 [18];

Сохл.ср=4,179 кДж/кг´К – теплоёмкость охлаждающей воды при средней температуре по таблице 2-8 [18].

2.3.6.2. Количество охлаждающей воды, подаваемое в конденсатор теплоотводящих ступеней Gохл2

где rср1=2395,8 кДж/кг – удельная теплота парообразования при средней температуре пара поступающего в конденсатор по таблице 2-1 [18];

2.3.7 По температуре насыщения по таблице 2-1 [18] определим удельные теплоты парообразования в каждой ступени ri

r1=2276,8 кДж/кг;

r2=2294,5 кДж/кг;

r3=2311,9 кДж/кг;

r4=2329,0 кДж/кг;

r5=2346,1 кДж/кг;

r6=2362,9 кДж/кг;

r7=2379,5 кДж/кг;

r8=2395,8 кДж/кг;

r9=2406,5 кДж/кг.

2.3.7 Рассмотрим несколько вариантов тепловой схемы установки

2.3.7.1 Первый вариант

2.3.7.1.1 В схеме ступени разделены на два контура: шесть – теплоиспользующие и три – теплоотводящие. Конденсация пара в последних трёх ступенях осуществляется оборотной водой. Кроме того, для снижения расхода охлаждающей воды в седьмую и восьмую ступени заводится рассол из последней ступени испарения, а исходная вода перед подачей на испарение нагревается в теплоотводящих ступенях. Кратность концентрирования в данной схеме принимаем по рекомендациям на стр. 85 [20] a=3.

2.3.7.1.1. По тепловой схеме составляем материальные балансы потоков с учётом известной величины кратности концентрирования

2.3.7.1.2 Из совместного решения уравнений (2.39) и (2.41) находим величину расхода продувочной воды Gпр

2.3.7.1.3 Тогда расход исходной воды Gисх

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11