Практическая работа №12

Тема: Расчет материального и теплового балансов двухступенчатого выпаривания растворов аммиачной селитры.

Цель: Составить и рассчитать материальный и тепловой балансы двухступенчатого выпаривания растворов аммиачной селитры.

Теоретические основы

     Раствор аммиачной селитры из аппарата ИТН или из вакуум-испарителя отправляют на донейтрализацию и выпаривание.

     Выпаривание 64-65%-ного раствора аммиачной селитры ведут в две ступени при разрежении. 

     Начальный 64-65%-ный раствор аммиачной селитры в первой ступени выпаривается до концентрации 84% при постоянной температуре  около 84⁰С. Для выпаривания применяют вертикальные выпарные аппараты АС пленочного типа с поверхностью нагрева 500м². Для нагревания раствора в первой ступени выпаривания используют соковый пар из аппарата ИТН, а также пар давлением 1,3 ат.

     Во второй ступени 84%-ный раствор аммиачной селитры упаривается при температуре не выше 166⁰С до концентрации около 98,6%. Выпаривание ведут в горизонтальных аппаратах типа АС, представляющих собой  кожухотрубный двухходовой теплообменник (поверхность нагрева 120м²). Греющим агентом служит свежий насыщенный пар при давлении 9 ат.

     В процессе упаривания раствора аммиачная селитра частично гидролизуется с образованием свободной азотной кислоты, поэтому плав нейтрализуют газообразным аммиаком и направляют на кристаллизацию.

Задание

     Составить и рассчитать материальный и тепловой балансы двухступенчатого выпаривания растворов аммиачной селитры.

Порядок выполнения работы

     I Материальный баланс выпарки 1 ступени.

     Для упаривания раствора аммиачной селитры используется тепло конденсации сокового пара из аппарата ИТН.

     Режим работы выпарки 1 ступени:

Поступающий раствор NH₄NO₃

     концентрация  (ω _NH4NO3) …………………………………….66%;

     температура (t₁)…………………………………………….100⁰С;

     количество G_2NH4NO3, кг (см. материальный баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком таблица 11.1, практическая работа №11)

в том числе:

NH₄NO₃ (q_NH4NO3), кг (см. таблицу 11.1, практическая работа №11);

вода (G_H2O = G_2NH4NO3 - q_NH4NO3), кг (см. таблицу 11.1, практическая работа № 11).

Абсолютное давление в аппарате (Р)………………………….0,21атм;

                                                                       (разрежение 600мм рт. ст.)

Конечная концентрация раствора(ω_1NH4NO3)..............................84%

1.1 Количество 84%-ного раствора аммиачной селитры, кг:

G =

в том числе воды, кг:

G = G- q_NH4NO3

1.2 Выпаривается воды (соковый пар), кг:

G_1Н2О = G_2NH4NO3  - G

Результаты расчета сводим в таблицу 12.1

Таблица 12.1- Материальный баланс 1 ступени выпарки

1.3 Определение температуры кипения раствора.

Температуру кипения (⁰С) 84%-ного раствора NH₄NO₃ при абсолютном давлении в аппарате Р = 0,21 атм. определяем по формуле:

t_кип = t _{нас. пара} + ∆t × η,

где t _{нас. пара} – температура насыщенного пара при Р = 0,21 атм.

(t _{нас. пара}=60⁰С);

       ∆t – температурная депрессия определяется как разность между температурой кипения 84%-ного раствора NH₄NO₃ и воды при Р =1атм.

∆t = 134 – 100 = 34⁰С;

      η  - коэффициент температурной депрессии, при 60⁰С равный 0,763.

II Тепловой баланс 1 ступени выпарки.

Приход тепла:

2.1 С раствором аммиачной селитры, ккал

Q₁ = G_2NH4NO3 × t₁ × С₁,

где t₁ – температура, поступающего раствора NH₄NO₃, ⁰С;

       С₁- теплоемкость 66%-ного раствора NH₄NO₃

(С₁=0,6 ккал/кг×град).

2.2 С соковым и частично со свежим паром, поступающим на подогрев раствора, ккал:

Q₂ = G_{сокового пара} × I _{сокового пара},

где G_{сокового пара} – количество сокового пара, кг (см. таблицу 11.1, практическая работа №11);

I _{сокового пара} – энтальпия сокового пара при Р = 0,21 атм.

(I _{сокового пара} = 623,1ккал/кг).

2.3 Общий приход тепла составит, ккал:

Q_{прихода} = Q₁ + Q₂

Расход тепла:

2.4 С упаренным раствором аммиачной селитры, ккал:

Q₃ = G× t_кип × С₂,

где t_кип - температура кипения 84%-ного раствора NH₄NO₃, ⁰С;

       С₂- теплоемкость 84%-ного раствора NH₄NO₃

(С₂= 0,48 ккал/кг×град).

2.5 С соковым паром, уходящим из выпарки 1 ступени, ккал:

Q₄ = G_1Н2О × I _{сокового пара},

где I _{сокового пара} – энтальпия сокового пара при Р = 0,21 атм.

(I _{сокового пара} = 623,1ккал/кг).

2.6 Общий расход тепла, ккал:

Q_{расхода} = Q₃ + Q₄

2.7 При заданных параметрах процесса требуемый расход греющего пара в первой ступени выпарки составит, кг:

G_г.пара = ,

где 536,3 – теплота парообразования при Р = 1,2 атм., ккал/кг;

       1,25 – коэффициент, учитывающий потери тепла в количестве 25% (10% в окружающую среду, 15% - с инертными газами).

III Материальный баланс 2 ступени выпарки.

     Для упаривания раствора аммиачной селитры используется тепло

конденсации свежего насыщенного пара (Р_абс = 9атм).

      Режим работы 2 ступени выпарки:

Поступающий раствор NH₄NO₃

     концентрация  (ω_1NH4NO3) …………………………………….84%;

     температура (t₂)…………………………………………….75⁰С;

     количество G, кг

в том числе:

     NH₄NO₃  q_NH4NO3, кг;

     вода G,кг.

Абсолютное давление в аппарате (Р)…………………………………..0,34атм;

Конечная концентрация раствора NH₄NO₃ (ω_2NH4NO3)..............................98,5%

3.1 Количество отходящего плава NH₄NO₃, кг составляет:

G =

в том числе воды, кг:

G= G - q_NH4NO3

3.2 Количество сокового пара, кг:

G_2Н2О = G - G

Таблица 12.2 – Материальный баланс 2 ступени выпарки

3.3 Для более точного определения поверхности теплообмена расчет выпарного аппарата при упаривании концентрированных растворов производится по зонам. Для данного расчета процесс выпаривания во второй ступени условно разделяем на пять зон:

3.4 Количество раствора, поступающего в 1-ю зону и выходящего из нее, равно G, кг (выпаривания воды здесь не происходит), это же количество поступает во 2-ю зону. Выходит из второй зоны и поступает в 3-ю зону:

G_{2р-ра ам.с}  = , где (ω₂ =88%)

Выпаривается воды во второй зоне, кг:

G_{2 вып. воды} = G- G_{2р-ра ам. с}

• ·Выходит из третьей зоны и поступает в четвертую зону, кг:

G_{3 р-ра ам.с} = , кг (ω₃ =92%)

Выпаривается воды в третьей зоне, кг:

G_{3 вып. воды} = G_{2 р-ра ам. с}  - G_{3 р-ра ам. с}

• · Выходит из четвертой зоны и поступает в пятую, кг:

G_{4 р-ра ам. с} = , кг (ω₄ =96%)

Выпаривается воды в четвертой зоне, кг:

G_{4 вып. воды} = G_{3 р-ра ам. с} - G_{4 р-ра ам. с}

• · Выходит из пятой зоны, кг:

G_{5 р-ра ам.с} = , кг (ω₅ =98,5%)

Выпаривается воды в пятой зоне, кг:

G_{5 вып. воды} = G_{4 р-ра ам. с}  - G_{5 р-ра ам. с}

Результаты расчета:

3.5 Определение температуры кипения раствора по зонам.

• · 1-я зона. Температура кипения 84%-ного раствора при 0,47 атм:

t_1кип = t _{нас. пара} + ∆t × η,

где t _{нас. пара} = 79,4⁰С при 0,47атм;

       ∆t = 34⁰С;

       η = 0,87 при 79,4⁰С.

• · 2-я зона. Температура кипения 88%-ного раствора при 0,45 атм:

t_2кип = t _{нас. пара} + ∆t × η,

где t _{нас. пара} = 78⁰С при 0,45 атм;

       ∆t = 42,4⁰С;

       η = 0,86 при 78⁰С.

• · 3-я зона. Температура кипения 92%-ного раствора при 0,4 атм:

t_{3 кип} = t _{нас. пара} + ∆t × η,

где t _{нас. пара} = 75,4⁰С при 0,4 атм;

       ∆t = 56⁰С;

       η = 0,85 при 75,4⁰С.

• · 4-я зона. Температура кипения 96%-ного раствора при 0,37 атм:

t_{4 кип} = t _{нас. пара} + ∆t × η,

где t _{нас. пара} = 73,54⁰С при 0,37 атм;

       ∆t = 84,25⁰С;

       η = 0,84 при 73,54⁰С.

• · 5-я зона. Температура кипения 98,5%-ного раствора при 0,34 атм:

t_{5 кип} = t _{нас. пара} + ∆t × η,

где t _{нас. пара} = 72,4⁰С при 0,34 атм;

       ∆t = 115⁰С;

       η = 0,838 при 72,4⁰С.

IV Тепловой баланс второй ступени выпарки

4.1 1-я зона. Тепло расходуется на нагревание 84%-ного раствора от 75⁰С (t₂) до t_1кип, ккал:

Q= G× C_1NH4NO3 × ( t_1кип – t₂),

где C_1NH4NO3 – теплоемкость 84%-ногораствора NH₄NO₃, ккал/кг×град.

(C_1NH4NO3 = 0,48 ккал/кг×град).

Расход греющего пара в 1-й зоне составляет, кг:

G_{1гр. пара} = ,

где 486 – теплота парообразования (при 9ат), ккал/кг.

4.2 2-я зона. Приход тепла:

С раствором аммиачной селитры, ккал:

Q_{с р-ром ам. с} = G× C_1NH4NO3 × t_1кип

С греющим паром Qккал.

Расход тепла:

С упаренным раствором аммиачной селитры, ккал

Q _{с уп. р-ром ам.с} = G_{2р-ра ам.с}  × C_2NH4NO3 × t_2кип,

где C_2NH4NO3 – теплоемкость 88%-ного раствора NH₄NO₃, ккал/кг×град

(C_2NH4NO3 = 0,47 ккал/кг×град).

С соковым паром, ккал:

Q _{с сок. паром} = G_{2 вып. воды} × I _пара,

где I _пара – энтальпия пара при 0,45 атм (I _пара = 630 ккал/кг).

Общий расход тепла во 2-й зоне, ккал:

Q₂ = Q _{с уп. р-ром ам.с} + Q _{с сок. паром}

Расход пара во 2-й зоне составляет, кг:

               Q₂ - Q_{с р-ром ам. с}

G_{2гр. пара} = ───────────

        486

4.3 3-я зона. Приход тепла:

С раствором аммиачной селитры Q _{с уп. р-ром ам.с,} ккал

С греющим паром Q, ккал.

Расход тепла:

С упаренным раствором аммиачной селитры, ккал:

Q= G_{3 р-ра ам.с} × C_3NH4NO3 × t_{3 кип}

где C_3NH4NO3 = 0,45 ккал/кг×град – теплоемкость 92%-ного раствора NH₄NO₃.

С соковым паром, ккал:

Q  = G_{3 вып. воды} × I _пара       (I _пара = 630 ккал/кг).

Общий расход тепла в 3-й зоне, ккал:

Q₃ = Q+ Q

Расход пара в 3-й зоне составляет, кг:

                 Q₃ - Q _{с уп. р-ром ам.с}

G_{3 гр. пара} = ───────────

        486

4.4 4-я зона. Приход тепла:

С раствором аммиачной селитры Q, ккал.

С греющим паром Q, ккал.

Расход тепла:

С упаренным раствором аммиачной селитры, ккал:

Q= G_{4 р-ра ам.с} × C_4NH4NO3 × t_{4 кип},

где C_4NH4NO3 = 0,43 ккал/кг×град – теплоемкость 96%-ного раствора NH₄NO₃.

С соковым паром, ккал:

Q= G_{4 вып. воды} × I _пара       (I _пара = 630 ккал/кг).

Общий расход тепла в 4-й зоне, ккал:

Q₄ = Q+ Q

Расход пара в 4-й зоне составляет, кг:

                   Q₄ - Q

G_{4 гр. пара} = ──────

              486

4.5 5-я зона. Приход тепла:

С раствором аммиачной селитры Qккал.

С греющим паром Q, ккал.

Расход тепла:

С упаренным раствором аммиачной селитры, ккал:

Q= G_{5 р-ра ам.с} × C_5NH4NO3 × t_{5 кип}

где C_5NH4NO3 = 0,42 ккал/кг×град – теплоемкость 98,5%-ного раствора NH₄NO₃.

С соковым паром, ккал:

Q = G_{5 вып. воды} × I _пара       (I _пара = 630 ккал/кг).

Общий расход тепла в 5-й зоне, ккал:

Q₅ = Q+ Q

Расход пара в 5-й зоне составляет, кг:

                   Q₅ - Q

G_{5 гр. пара} = ──────

              486

4.6 Расход пара в выпарном аппарате 2 ступени, кг:

G_{гр.пара} = G_{1гр. пара} + G_{2гр. пара} + G_{3 гр. пара} + G_{4 гр. пара} + G_{5 гр. пара}

4.7 С учетом 10% потерь расход пара равен, кг:

G= G_{гр.пара}× 1,1

4.8 Паровой конденсат из выпарных аппаратов поступает в расширитель конденсата. Количество тепла, выделяющегося при редуцировании давления с 10 до 1,2 ат, составляет, ккал:

Q = G× (t- t),

где t= 179⁰С - температура пара при абсолютном давлении 10 ат;

t= 104,3⁰С - температура пара при абсолютном давлении 1.2 ат.

 Количество образующегося при этом пара (Р = 1,2 ат) составляет, кг:

G= ,

где 536,3 ккал/кг – теплота парообразования при 1,2 ат.

4.9 Количество парового конденсата (кг) составляет:

G= G- G

Контрольные вопросы:

1. Как ведут выпаривание 64-65%-ного раствора аммиачной селитры?

2. До какой концентрации, и при какой температуре выпаривается начальный раствор аммиачной селитры в первой ступени?

3. Какие аппараты применяют для выпаривания в первой ступени?

4. Что служит греющим агентом в первой ступени?

5. До какой концентрации, и при какой температуре выпаривается раствор аммиачной селитры во второй ступени?

6. Какие аппараты применяют для выпаривания во второй ступени?

7. Что служит греющим агентом во второй ступени?