А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 21

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 

2,555 •lG4 с = 7,1 год

де Q - кількість тепла, що відводиться із розчину при кристалізації; кт - середній кое­фіцієнт теплопередачі; At^ - середня різниця температур в процесі охолодження роз­чину; F - поверхня теплопередачі охолоджувальної сорочки. Середня різниця температур дорівнює

At^ = (At6 -     )/ln(At6 /     ) = (5G -15)/ln(5G /15) = 29,G oC.

Поверхня теплопередачі охолоджувальної сорочки дорівнює

F = nDH + Fde = 3,141,б1,2 + 2,98 = 9,GG м2 , де Fde - поверхня днища еліптичного апарата.

Відповідь: 1) в процесі охолоджувальної кристалізації із розчину алюмо-калієвого галуну виділяється 3G9G кг кристалогідрату з середнім розміром зерен 1,7 мм; 2) для проведення процесу кристалізації потрібно в охолоджувальну сорочку подати 1б977 кг холодної води; 3) тривалість процесу кристалізації дорівнює т = 7,1 год.

6.3.2 Розрахунок процесу випарної кристалізації

Принципова схема кристалізаційної установки випарного типу пері­одичної дії показана на рис. б.5.

В апарат ємнісного типу 3 з обігрівальною сорочкою та мішалкою з ємності 1 насосом 2 завантажують певний об'єм гарячого концентрованого

1б8розчину, потім включають у роботу мішалку, подають у сорочку гарячий теплоносій (гріючу пару) і створюють в апараті вакуум (при необхідності).

У результаті теплообміну через стінку гарячого теплоносія з розчи­ном в кристалізаторі 3 розчин почи­нає кипіти та випаровуватися.

Рис. 6.5 - Схема кристалізаційної уста­новки випарного типу:

Потоки: А - вихідний розчин; Б - повітря до вакуум-насосу; В - вода охолоджуюча; Г - гріюча пара; Д - кристалічний продукт на сушіння; К - конденсат;

1,8 - збірники; 2, 9 - насоси; 3 - криста­лізатор; 4 - конденсатор поверхневий; 5 - шнек; 6 - центрифуга; 7 - транспортер

Сокова пара розчинника, що утворилася при кипінні розчину, від­водиться в міжтрубний простір кон­денсатор 4, де пара конденсуються за рахунок подачі холодної води в трубний простір конденсатора. У міру під­вищення концентрації розчину в апараті відбувається кристалізація солі, при цьому зростаючі кристали підтримуються у зваженому стані з допо­могою мішалки.

Процес випарювання проводять до одержання кристалічної суспензії із заданою концентрацією твердої фази. Іноді в процесі випарювання роблять додаткове підкачування початкового розчину, що дозволяє виробити продукт більш однорідного гранулометричного складу.

По закінченні процесу випарювання відключають подачу гарячого теплоносія, вирівнюють тиск в апараті до атмосферного, при необхід­ності додатково охолоджують суспензію і при перемішуванні виванта­жують її з апарата, затим подають її шнековим транспортером 5 на роз­ділення у центрифугу 6. Вологі кристали за допомогою транспортера 7 направляють на сушіння. Маточникові розчини збирають у збірнику 8 і насосом 9 повертають у збірник 1.

Після проведення підготовчих робіт апарат заповнюють новою пор­цією розчину і процес кристалізації повторюють.

На рис. 6.6 показана розрахункова схема матеріальних і теплових потоків випарного кристалізатора.

Нехай у випарний кристалізатор періодичної дії завантажено Єн кг вихідного розчину з початковою концентрацією солі в розчині хн.

Після проведення процесу ізотермічної кристалізації з апарата вива­нтажують Єкр кг кристалів і Ємр кг маточникового розчину з концент­рацією солі в ньому хмр. Одночасно в результаті проведення процесу випарювання з розчину видаляється Ж кг пари розчинника.неної речовини

Рис. 6.6 - Схема матеріальних і теплових потоків випарного кристалізатора:

А - подача вихідного розчину; Б - відведення сокової пари; В - відведення кристалічної суспензії; Г - подача гріючої пари; Д - відведення конденсата;

1 - корпус; 2 - сорочка обігрівальна парова; 3 - мішалка; 4 - привід мішалки

Матеріальний баланс процесу.

Система рівнянь матеріального балансу про­цесу включає:

- рівняння матеріального балансу за потоками

Он = Окр + вмр + Ж, (6.34)

- рівняння матеріального балансу щодо розчи-

кр

+ 0мрХмр •■

(6.35)

де хмр - концентрація солі в насиченому маточному розчині при температурі кристалі­зації, мас. частки; рбс - відносний вміст безводної солі в одержуваному кристалічному продукті в<= М6с/Мкрг), при кристалізації безводної солі р6с= 1; М6с, Мкрг - молекуля­рна маса безводної солі і кристалогідрату відповідно.

З рівняння (6.34) виразили кількість одержуваного маточникового розчину, при цьому

Ємр = Єн - Єкр - Ж. (6.36) Підставивши формулу (6.36) у рівняння (6.35), отримали

ЄнХн = РсЄр + (Єн - Єкр - Ж). (6.37)

Розв'язавши рівняння (6.37) щодо маси одержуваного кристалічного продукту, знайшли

Є - х ) + Жх

кр =-—-^-. (6.38)

(Рбс     хмр)

При кристалізації безводної солі вихід кристалів дорівнює

0кр =■

■х ) + Жх

мр ) мр

(1   ) (6.39)

Відзначимо, що при випарній (ізотермічній) кристалізації під вакуу­мом концентрація солі в маточниковому розчині звичайно менша кон­центрації живильного вихідного розчину, що дозволяє збільшити вихід кристалічного продукту.

Тепловий баланс процесу. У процесі ізотермічної кристалізації затрачується більша кількість тепла на випаровування частини розчин­ника, при цьому частину тепла підводять в апарат із вихідним розчи­ном, деяка кількість тепла виділяється в результаті кристалізації солі, а основну частину тепла підводять за допомогою теплоносія, що пода­ється в обігрівальну сорочку. Найпоширенішим гарячим теплоносієм

є насичена водяна пара, що конденсується в сорочці апарата або в між-трубному просторі виносного теплообмінника (на рис. б.5 не показано).

З урахуванням статей приходу і витрат тепла (рис. б.б) для процесу періодичної випарної кристалізації рівняння теплового балансу (без врахування втрат тепла) має вигляд

G (H -H) + Get + G q  = G e t + Get + WH , (6.4G)

де - витрата гріючої пари, кг; H;,m - ентальпії гріючої пари і конденсату гріючої пари відповідно, Дж/кг; G„, - маси вихідного і маточникового розчину відповідно, кг; сн, смр - теплоємності вихідного і маточникового розчину відповідно, Дж/(кг К); Gv - маса отриманих кристалів, кг; екр - теплоємність кристалів, Дж/(кг-К); - питома теплота кристалізації, Дж/кг; W - маса випареної води (розчинника) в процесі кристалі­зації; Hcn - ентальпія сокової пари, що відводиться в конденсатор, Дж/кг; tll , tK - темпе­ратури розчину початкова та процесу кристалізації відповідно, "С.

Замінивши в рівнянні (6.4G) масу маточникового розчину через рів­няння (б.3б) і розв'язавши залежність (6.4G) щодо витрат гріючої пари, знайшли

G = GЛ -еиК) + GKP(Ук-^ -eJK) + W(Hcn -еА) (б41)

Рівняння (б.41) справедливе також для одноступінчастих кристаліза­ційних установок безперервної дії, при цьому масові витрати потоків потрібно підставляти в кг/с.

Кристалізація в багатокорпусних (багатоступінчастих) кристалізацій­них установках в енергетичному плані значно вигідніша внаслідок мож­ливості використання теплоти сокової пари, збільшення степеня вилу­чення солі з перероблюваних розчинів, підвищення продуктивності щодо кристалічного продукту та поліпшення його гранулометричного складу.

Приклад 6.2. Розчин сульфату амонію випаровують і кристалізують у вакуум-випарному кристалізаторі ємністного типу з пропелерною мішалкою і нагрівальною сорочкою (див. рис. б.б). Початковий розчин завантажують у кристалізатор у кількості Vj, = 3,G м3 при температурі t„ = 4GоС з початковою концентрацією х„р = 42 % мас., про­цес кристалізації проводять при тиску в апараті P = G,G35 МПа, протягом процесу в апараті випаровують б5% розчинника (води). У нагрівальну сорочку подають насичену водяну пару під тиском Рнп = G,12 МПа, конденсат гріючої пари виводиться із сорочки при температурі конденсації. Визначити кількість отриманих кристалів і маточниково-го розчину, кількість випареної води та витрати гріючої пари, а також тривалість про­цесу, якщо коефіцієнт теплопередачі при випарюванні дорівнює 8GG Вт/(м2-К).

Розв'язання. 1. За даними табл. Д.17 (див. додатки) знаходимо фізико-хімічні влас­тивості сульфату амонію: густина кристалів рк = 177G кг/м3, теплоемність кристалів cjtj, = 1421 Дж/(кг-К), теплота кристалізаціїї сульфату амонію     = + 75,4-Ю3 Дж/кг .

2. За даними табл. Д.18 (див. додатки) визначимо розчинність сульфату амонію у воді в інтервалі температур 1G - 8G°C, при цьому отримали: Сю = 73,GG, С20 = 75,4G, С30 = 78,GG, С40 = 81,GG, С6о = 88,GG, С80 = 95,3G солі/ 1GG г води).

Виразивши концентрацію солі в мас. частках (кг солі/кг розчину), отримали: х10 = G,422, х20 = G,43, х30 = G,438, х40 = G,4475, х60 = G,468, х80 = G,483.

Отже, при початковій концентрації розчину сульфату амонію хпр = G,42 температура його насичення дорівнює близько ЮоС , відповідно з даними табл. Д.19 (див. додатки) густина насиченого розчину при цій температурі рр10 = 1242 кг/м3.

3. Побудуємо криву розчинності сульфату амонію у воді в інтервалі температр 10 - 80°С (див. рис. 6.7) та визначимо концентрацію насиченого розчину при температурі кристалізаціїї під вакуумом.

Рис. 6.7- Розчинність сульфату амонію у воді х (кг солі/кг розчину) залежно від температури розчину

Як бачимо із рис. 6.7, розчинність сульфату амо­нію у воді змінюється від температури в інтервалі температур 10 - 80 оС майже лінійно.

4. Визначимо температуру, за якої буде відбува-0,42 0,44  0,46 0,48 X     тись процес випарювання і кристалізації розчину

сульфату амонію, при цьому знайшли

ґкіт = ґт + Аі = 72,2 + 6,6 = 78,8оС , де Аікв - температура кипіння води при заданому тиску у апараті, Аікв = 72,2оС [11]; Аі' - температурна депресія, що обумовлена присутністю розчиненої солі у розчині, за даними табл. XXXVI (11, с. 535) Аі' = 6,6оС .

5. Визначимо концентрацію насиченого розчину, із якого відбувається кристалізація солі при температурі гк= 78,8 оС, при цьому знайшли хкр = 48,2 % мас.

6. Визначимо масу завантаженого в кристалізатор розчину

Єнр = Ур-рр = 3,0-1242 = 3726 кг .

7. Визначимо загальну кількість випаровуваної води в процесі кристалізації

Ж = 0,65Єнр (1 - хпр) = 0,65-3726(1 - 0,42) = 1404,7 кг .

8. За формулою (6.39) визначимо кількість викристалізованої солі, при цьому

Є     Єн(хн -хмр) + Жзхмр    3726(0,42-0,482) +1404,70,482

Єкр =---- =- = 861 кг ,

кр (1 -    ) (1 - 0,482) '

об'єм отриманих кристалів   ¥кр = Єкр /ркр = 861/1770 = 0,486 м3 .

9. Маса отриманого після кристалізації маточникового розчину

Ємр = Єнр - Єкр - Ж = 3726 - 861 - 1404,7 = 1460,3 кг , об'єм маточникового розчину Умр = Ємр /рмр = 1460,3/1256 = 1,1626 м3 ,

де рмр - густина насиченого розчину сульфату амонію при температурі кристалізації.

10. Визначимо параметри кристалічної суспензії у кристалізаторі:

- кількість розчиненої солі у маточниковому розчині

Єкс = Ємрхмр = 1460,3-0,482 = 704 кг ,

- порізність кристалічної суспензії наприкінці процесу кристалізації, при цьому

е = 1 - Укр / Укрс = 1 - Укр /(Укр + Умр ) = 1 - 0,486 / (0,486 + 1,1626) = 0,705 ,

- об'ємна частка твердої фази в кристалічній суспензії дорівнює

у = 1 - є = 1 - 0,705 = 0,295 . Отже, кристалічна суспензія є досить концентрованою і зберігає текучість [48].

11. Визначимо кількість тепла для нагрівання початкового розчину до температури кипіння, при цьому

<2п = Єн-ен(ік - ін) = 3726-3037(78,8 - 40) = 4,39-108 Дж .

12. Визначимо тривалість процесу нагрівання розчину

=      Єп       4,39-108

кт-Аіср800-41,8-9

1460 с = 0,405 год,

де Агср - середня різниця температур в процесі нагрівання розчину. 172

13. Визначимо кількість випареної води до початку процесу кристалізації, при цьому

Wn = GH[1 - (хн /xK)] = З726[1 - (0,42/0,482)] = 479,З кг .

14. Визначимо тривалість процесу випарювання води (до початку кристалізації)

W„ r       479,З 2З20 -10З

т =-—— =---= 6080 с = 1,69 год.

km•Ate •F      800^25,4-9

15. Визначимо масу розчину в апараті на початку процесу кристалізації

Gp = G„ - Wn = З726 - 479,З = З246,7 кг .

16. Визначимо кількість води, випареної із розчину в процесі кристалізації сульфату

амонію, при цьому WKp = W3 - We = 1404,7 - 479,З = 925,4 кг .

17. Визначимо витрату гріючої пари за рівнянням (6.41) GH (cKtK -cHtH) + W3 (Hcn -cKtK) + GKp (c,ptK - q,p -cKtK) =

(H,n - hk )

= З726(2855 78,8 -З070 40) +1404,7(2626 10З - 2855 78,8)

= (2686 - 4З7) •10З

861(142178,8-75410-285578,8)    лгга 0

+----= 1668,8 кг ,

(2686 - 4З7) •10З

де c,,, cK - теплоємність початкового і кінцевого розчинів сульфату амонія cH = ccaxH + ce(1 - хн) = 1421 0,42 + 4190(1 - 0,42) = З0З7 , cK = ccaxK + c(1 - xj = 1421-0,482 + 4190(1 - 0,482) = 2855 .

18. Визначимо загальну тривалість процесу випаровування і кристалізації

Q З7,5З2 •Ю8 З

Т =---= —■-= 20,52З-10З с = 5,7 год.

km •At' •F   800^25,4^9

19. Визначимо тривалість власне процесу кристалізації сульфату амонію

т     W -We) re    (1404,7-479,З)2З20•10З    ll740     З 26

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 


Похожие статьи

А П Врагов - Гідромеханічні процеси та обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв

А П Врагов - Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах высаливающей и испарительной кристаллизации

А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв