Согласно правилу Бабо, отношения давления паров растворителя над раствором Р к давлению паров над чистым растворителем Рs при температуре кипения раствора не зависит от рабочего давления и температуры его кипения:
Р/Рs = (Р/Рs)ст = const
Т. о. Температура кипения раствора 49% (NH4)2SO4 при атмосферном давлении
t = 1070С. (3, стр. 510) Рsст = 1,294 бар=1,294*105 Па (2, стр. 17)
Const = (Р/Рs)ст =9,81*104/1,294*105 = 0,758
Тогда Рs=Р/ const=0,197/0,758=0,260 бар
По (2, стр. 23) находим искомую температуру кипения раствора, равную температуре кипения воды: t3 = 64,080С. Найдём q3:Р3=0,197 бар, то по (2, стр. 23) q3=58,70С.
Тогда d3реал = t3 - q3=64,08 - 58,7 = 5,38 0С.
3.3. Суммарная полезная разность температур:
Dс= Т1q3dd2-d3dгd2г = 147,1-58,7-0,4-1,2-5,38-1=80,420С
d2г примерно от 1 до 3 С. Принимаем dг = 1С
где давление греющего пара 0,4МПа (= 3,94ат), то по (2, стр.43) Т1=147,1 0С.
Dс=DD2+D3
D1:D2:D3=1 : 1,1 : 1,5
D1= 22,340С
D2= 24,570С
D3= 33,510С.
3.4. Заполнение предварительной таблицы.
Значения давлений и энтальпий взяты из (2, стр. 17).
| Параметр | Предварит. Вар. | Окончат. Вар. | |||||||
| 1к | 2к | 3к | 1к | 2к | 3к | ||||
| 1 | Темп. гр. Пара | Т | 0С | 147,1 | 118,8 | 83,6 | 150,0 | 127,0 | 92,0 |
| 2 | Полезн.разность темп. | D | 0С | 22,34 | 24,57 | 33,51 | 18,6 | 29,0 | 48,8 |
| 3 | Темп.кип р-ра | T | 0С | 124,76 | 89,4 | 43,4 | 131,4 | 98,0 | 43,4 |
| 4 | Темп.депрессия | d | 0С | 2,9 | 4,3 | 4,7 | 2,9 | 4,3 | 4,7 |
| 5 | Темп.вт. пара | q | 0С | 120,3 | 85,1 | 38,7 | 128,5 | 93,7 | 38,7 |
| 6 | Гидр.депрессия | d | 0С | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | ||
| 7 | Давл.гр. пара | Pгр | МПа | 0,476 | 0,192 | 0,056 | 0,476 | 0,247 | 0,076 |
| 8 | Давл.вт. пара | P | МПа | 0,199 | 0,058 | 0,007 | 0,262 | 0,081 | 0,007 |
| 9 | Энтальпия гр.п. | H | кДж/кг | 2748,6 | 2706,3 | 2650,6 | 2708,4 | 2718,5 | 2664,4 |
| 10 | Энтальп.вт.пара | I | кДж/кг | 2708,4 | 2653,5 | 2572,2 | 2721,4 | 2668,2 | 2572,2 |
| 11 | Конц.р-ра | A | % | 14,29 | 18,18 | 25,00 | 13,6 | 17,1 | 25,0 |
3.5. Уточнение значений W1, W2, W3 .
Уточнение значений W1, W2, W3 на основе величин, содержащихся в предварительном варианте таблицы, путём совместного решения системы уравнений:
Q1=D1(h1-ck1T1)=S0c0(t1-t0)+W1(i1-cpt1)
Q2=(W1-E1)(h2-ck2T2)=S1c1(t2-t1)+W2(i2-cpt2)
Q3=W2(h3-ck3T3)=S2c2(t3-t2)+W3(i3-cpt3), которые описывают тепловые балансы корпусов (кроме первого корпуса) и дoполненный уравнением:
W= W1+ W2+ W3.
Пусть X1 = h1 – ck1T1 = 2117,1 кДж/кг
X2 = h2 – ck2T2 = 2208,4 кДж/кг
X3 = h3 – ck3T3 = 2300,5 кДж/кг
Y1 = t1 – t0 = 21,7 0С
Y2 = t2 – t1 = -33,9 0С
Y3 = t3 – t2 = -46,0 0С
Z1 = i1 – cpt1 = 2193,3 кДж/кг
Z2 = i2 – cpt2 =2279,9 кДж/кг
Z3 = i3 – cpt3 = 2390,8 кДж/кг, где Со – теплоёмкость исходного раствора (10% (NH4)2SO4 при температуре кипения t0 = 101,5 0С): Со=3,65 кДж/кгК (4, стр.59).
По (3, стр.535) находим:
ck1 = 1,005 ккал/кгК = 4,21 кДж/кгК (при 150,0 0С)
ck2 = 1,002 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 118,8 0С)
ck3 = 1,000 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 83,6 0С)
cp =4,18 кДж/кгК
Т.о., W1 = X2E2/(X2+cpY2) + Soc0Y2/(X2+cpY2)+ +Z2W2/(X2+cpY2) = 1,1031 W2 +2009,7
W2 = Y3S0c0/(X3+cpY3+Z3) + Z3W/(X3+cpY3+Z3)-(cpY3+Z3) * W1/(X3+cpY3+Z3) = -0,4887 W1 +5630,7
Решая систему уравнений, получим:
W1 = 5342 кг/ч
W2 = 3021 кг/ч
W3 = 3638 кг/ч.
3.6. Расчёт предварительных значений тепловых потоков:
Q1 = S0c0(t1-t0)+W1(i1-cpt1) = =20000*3,65*21,7+5342*2193,3=13,3*106 кДж/ч = 3,69*106 Вт
Q2=(W1-E1)(h2-ck2T2)=(5342-3000)*2208,4=5,17*106 кДж/ч= =1,44*106 Вт
Q3=W2(h3-ck3T3)=3021*2300,5=6,95*106 кДж/ч =1,93*106 Вт.
3.7. Расчёт комплексов А1, А2, А3, Во1, Во2, Во3.
3.7.1. A-комплекс, включающий теплофизические величины и зависящие от температур Т.
Примем высоту труб Н = 4000мм = 4м.
Для вертикальных труб:
А=0,94(l3r2rg/mH)1/4
Справочные данные: l,r, m - (3,стр.512); r- (3, стр. 523).
Ускорение свободного падения g = 9,82 м/с2. Заполним таблицу:
| Т, 0С | 150,0 | 118,8 | 83,5 |
| кг/м3 | 917 | 943 | 972 |
| Вт/м*К | 68,4*10-2 | 68,6*10-2 | 67,5*10-2 |
| Па*с | 185*10-6 | 231*10-6 | 355*10-6 |
| r, кДж/кг | 2120 | 2207 | 2297 |
| А, Дж/см2К3/4 | 8765,9 | 1513,8 | 1377,4 |
3.7.2. Во – коэффициенты отражающие свойства кипящего раствора и зависящие от давлений а, следовательно, и температур кипения в корпусах:
B0i = B0iB*j3,33, где B0iB = 46р0,57,
j - относительный коэффициент теплоотдачи для водных растворов неорганических веществ. j при пузырьковом кипении (NH4)2SO4 при атмосферном давлении найдем из графика зависимости j-а. График 1 строим на основании данных таблицы (1, стр. 40):
при а=10% j = 0,84
а=20% j = 0,68
На основании данных графика, заполняем таблицу:
| а, % | 14,29 | 18,18 | 25,00 |
| Р, Бар | 2,1 | 0,6 | 0,1 |
| B0iB | 70,2 | 34,4 | 12,4 |
| | 0,77 | 0,72 | 0,60 |
| B0i | 29,4 | 11,5 | 2,26 |
3.8. Выбор конструкционного материала для выпарного аппарата.
Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора хлорида натрия в интервале изменения концентраций от 10 до 25%(5, стр. 309). В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х18Н10Т. Скорость коррозии её менее 0,1мм/год (точечная коррозия). Коэффициент теплопроводности l = 16,4 Вт/м*К (5, стр. 101).
3.9. Расчёт поверхности теплообмена.
3.9.1. Расчёт комплексов для нахождения поверхности нагрева корпусов.
В случае равенства поверхностей обмена отдельных корпусов основное расчетное уравнение имеет вид:
Dс=1/F4/3S(Qi/Ai)4/3 + 1/FS(Qidст/lст) + 1/F0,3S(Qi/B0i)0,3,
где dст =2мм=0,002м - толщина стенки трубок. Заполним вспомогательную таблицу:
| № | (Qi/Ai)4/3 | Qidст/lст | (Qi/B0i)0,3 |
| 1 | 3160,3 | 464,8 | 33,9 |
| 2 | 9324,1 | 180,7 | 33,8 |
| 3 | 15680,6 | 242,8 | 60,2 |
| | 28165,1 | 888,2 | 127,8 |
3.9.2 Расчёт поверхности теплообмена.
Ведем в таблице:
| F | 1/F4/3S(Qi/Ai)4/3 | 1/FS(Qidст/lст) | 1/FS(Qidст/lст) | Dс |
| 60 | 119,91 | 14,80 | 32,66 | 167,4 |
| 70 | 97,63 | 12,68 | 31,02 | 141,3 |
| 80 | 81,71 | 11,10 | 29,67 | 122,5 |
| 90 | 69,83 | 9,87 | 28,53 | 108,2 |
| 100 | 60,68 | 8,88 | 27,54 | 97,1 |
| 110 | 53,44 | 8,07 | 26,68 | 88,2 |
| 120 | 47,58 | 7,40 | 25,92 | 80,9 |
| 130 | 42,77 | 6,83 | 25,24 | 74,8 |
| 140 | 38,74 | 6,34 | 24,62 | 69,7 |
На основании табличных данных строим график зависимости Dс от F, по которому определяем по известной Dс=96,40С истинную F: F = 100,7м2.
Тогда D1 = 18,60С
D2 = 29,00С
D3 = 44,80С
Тогда Dс=D1+D2+D3= 96,40С.
3.10. Заполнение окончательного варианта таблицы.
Давления и энтальпии были взяты из (2, стр. 17).
Таблица сошлась.
3.11. Уточнение значений W1, W2, W3 .
Уточнение значений W1, W2, W3 на основе величин, содержащихся в окончательном варианте таблицы (см.3.5.).
Пусть
X1 = h1 – ck1T1 = 2076,9 кДж/кг
X2 = h2 – ck2T2 = 2186,5 кДж/кг
X3 = h3 – ck3T3 = 2278,1 кДж/кг
Y1 = t1 – t0 = 29,9 0С
Y2 = t2 – t1 = -33,4 0С
Y3 = t3 – t2 = -54,6 0С
Z1 = i1 – cpt1 = 2172,3 кДж/кг
Z2 = i2 – cpt2 =2258,6 кДж/кг