Проектирование выпарной установки (стр. 3 из 6)

W – массовый расход выпаренной воды, кг/с:

кг/с

3.1.2. Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы.

3.1.2.1 Определение давления и температуры в выпарном аппарате Р₁, t₁

Абсолютное давление в сепараторе выпарного аппарата:

(3)

где Р_атм – атмосферное давление, ат;

Р_вак – вакуум в аппарате, ат.

ат

По давлению Р₁ найдем температуру вторичного пара в сепараторе t₁, °С;

/ 3, Табл. LVII /

t₁=89.3 °С

3.1.2.2. Определение давления и температуры вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀, t₀

_.

Зададимся значением гидравлической депрессии из промежутка 0.5-1.5 °С:

Dt_{гидросопр.}=1 °С

Температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе t₀, °С:

t₀= t₁-Dt_{гидросопр.} (4)

t₀= 89.3-1=88.3 °С

Давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀, ат, по температуре t₀ / 2, табл. LVII /

Р₀=0.674 ат

Найдём конечную температуру в сепараторе.

Переведём значение давления Р₁ в Па:

Р₁=0.65 ат=0.674 9.81 10⁴=6.609 10⁴ Па

Воспользуемся формулой (Приложение 2 п.5)

=89.168 °С

3.1.2.3. Определение давления в среднем слое выпариваемого раствора Р_ср.

Оптимальная высота уровня Н_опт

Н_опт=(0.26+0.0014(r_р-r_в)) Н_тр (6)

Где (r_р-r_в) – разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения, если температура кипения неизвестна то можно взять при t=20°С /2, с.252/

Н_тр – рабочая высота труб, м

Плотность раствора r_р, и воды r_в при температуре t=20 °С, и концентрации X_кон (Приложение 2, п.1)

r_в=962.681 кг/м³

r_р=1013 кг/м³

Примем Н_тр=6 м, тогда

Н_опт=(0.26+0.0014(1.047 10⁴-997.34)) 6=1.974 м

(6)

Па

Температуру кипения на середине кипятильных труб при Р_ср

(Приложение 2. П.5)

91.834 °С

3.1.2.4 Определение давления греющего пара.

Зададимся полезной разностью температур Dt_{полезн.}³25 °С

Dt_{полезн.}=30 °С

Найдем температуру конденсации греющего пара t_{конд.гр.п}, °С:

t_{конд.гр.п.}= t_кип+Dt_{полезн.} (7)

t_{конд.гр.п.}= 91.834+30=124,168 °С

По температуре конденсации греющего пара найдём давление греющего пара Р_гр.п, ат / 2, табл. LVI /

Р_гр.п=2,2256 ат

3.1.3 Тепловой баланс выпарного аппарата.

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

Q= Q_нагр+ Q_исп+ Q_пот (8)

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;

3.1.3.1. 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)

/ 2, с 247 /. Следовательно:

Q= 1.05 (Q_нагр+ Q_исп)

Температуру исходного раствора t_нач, поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 2.5°С меньше t_кон:

t_нач= t_кон-2.5

t_нач=89.168-2.5=86.668 °С

3.1.3.2 Расход теплоты на нагрев:

Q_нагр= G_нач с_нач (t_кон-t_нач) (10)

где G_нач – производительность по разбавленному раствору

с_нач – удельная теплоёмкость раствора при t_начи начальной концентрации Х_нач , Дж/(кг К) (Приложение 2, п.3)

с_нач=4.141 10³ Дж/(кг К)

Q_нагр= 4.5 4.141 10³ (89.168-86.668)=4.658 10⁴ Вт

3.1.3.3 Расход теплоты на испарение:

Q_исп=W×(i”_вт.п - с_в×t_кон) (11)

где i_вт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t₁, из таблицы / 2, табл.LVI/, кДж/кг;

с_в – удельная теплоёмкость воды при t_кон, (Приложение 2, п.3) Дж/(кг К)

i_вт.п =2656 кДж/кг,

с_в=4213 Дж/(кг К)

Q_исп=3.336×(2656×10³ - 4213×89.168)=7.611×10⁶ Вт

3.1.4. Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата.

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

Q=K F Dt_{полезн.} (12)

где К – коэффициент теплопередачи Вт/(м² К)

F – площадь поверхности теплообмена, м²;

Коэффициент теплопередачи К найдем из выражения:

(13)

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, a_кип воспользуемся методом итераций.

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

t_ст1=121.21°С

При конденсации греющего пара на пучке вертикальных труб, выражение для коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид / 2, формула 4.52(а) /:

(14)

где Н – высота труб, м

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

Значение функции Аt найдём при температуре t_{конд.гр.п.} / 2, табл. 4.6 /

At=7278

Dt = t_{конд.гр.п..}- t_ст1 (15)

Dt =124.168-121.21=2.958°С

Н=Н_тр=6 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) (16)

q₁=7233 2.958=2.14 10⁴ Вт

Так как процесс теплопередачи является установившемся, то количество теплоты q₁равно количеству теплоты q_ст, которое передаётся от наружной стенки трубы с температурой t_ст1 к внутренней, с температурой t_ст2.

(17)

Суммарное термическое сопротивление стенки найдём по формуле:

(18)

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 / 2, табл. ХХХI /

r_загр1=1/5800=1.724 10^-4 м² К/Вт

r_загр2=1/1860=5.376 10^-4 м² К/Вт

Коэффициент теплопроводности l_ст для стали равен:

l_ст=46.5 Вт/(м К)

Толщину стенки трубы примем:

d=0.002 м

м² К/Вт

Температуру t_ст2 найдём из формулы (17)

t_ст2= t_ст1-q₁ ∑r_ст

t_ст2=121,21-2.14 10⁴ .289 10^-4=103.475°С

Коэффициент теплоотдачи кипящего раствора / 2, формула 4.62 /

(19)

где b – безразмерная функция;

n - кинематическая вязкость раствора, м²/с

s - поверхностное натяжение раствора Н/м

DТ_кип – разность температур t_ст2 и температуры кипения раствора

t_кип, К;

Значение безразмерной функции b / 2,формула 4.62 а /:

(20)

где r_п – плотность пара, кг/м³;

Плотность раствора r_р рассчитываем при температуре кипения t_кип и конечной концентрации х_кон (Приложение 2, п.1):

r_р=1.013 10³ кг/м³

Плотность пара r_п найдём при температуре кипения t_кип / 2, табл. LVI /

r_п=0.4147 кг/м³

Кинематическая вязкость раствора n:

n=m_р/r_р (21)

где m_р – динамическая вязкость раствора, Па с

Динамическая вязкость раствора при температуре t_кип (Приложение 2, п. 2):