Расчет однокорпусной выпарной установки

3. ПОДРОБНЫЙ РАСЧЕТ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

     Спроектировать  однокорпусную выпарную установку  для концентрирования G_н= 22 000 кг/ч суспензии от начальной массовой концентрации х_н — 10% до конечной х_к = 70 % при следующих условиях:

1) обогрев   осуществляется     насыщенным     водяным     паром     давлением  р_Г.П = 0,17 МПа;

  2) абсолютное   давление   в   паровом   пространстве   выпарного   аппарата  р_Б.К= 0,023 МПа;

3. температура   раствора,   поступающего   на   установку,   t_о = 30°C;
4. температура раствора, поступающего в выпарной  аппарат t₁ =80°C;
5. начальная температура охлаждающей воды t = 15 ^оС;
6. температура  смеси охлаждающей  воды  и  конденсата,  выходящей  из барометрического конденсатора, ниже температуры конденсации на 

Δt = 8^oС;

7. выпарной   аппарат — с   выносной   нагревательной   камерой.

 

1. Расчет  материального баланса

      Расчеты материального  баланса ведут с использованием нижеприведенных уравнений. При  этом определяют расход вторичного пара и расход упаренного раствора

       , (3.1)

       , (3.2)

       , (3.3)

где W, G_н, G_к – расходы вторичного пара, исходного и упаренного раствора соответственно, кг/с;

x_н и x_к – начальная и конечная концентрация упаренного раствора соответственно, %.

      Расход  вторичного пара по уравнению (3.1) в  соответствии с условием задания  и с учетом того, что G_н =22000 =  

      

 

      Расход  упаренного раствора по формуле (3.3) 

2. Определение приблизительной поверхности теплопередачи  и выбор выпарного аппарата

      Приблизительная поверхность теплопередачи F_п, м² .

       , (3.4)

где Q_п – приблизительный расход тепла на выпаривание, Вт;

      q_п – приблизительное значение относительной тепловой нагрузки, .

       , (3.5)

     где r_бк – относительная теплота преобразования вторичного пара при давлении в конденсаторе P_бк = 0,023МПа = 0,23 ат (по условию задания), r_бк = 2358·10³, .

      Приблизительный расход тепла на выпаривание: 

 

      Для аппаратов с  естественной циркуляцией приблизительное  значение относительной тепловой нагрузки q_п берут (2…5)·10⁴ .

      Приблизительная поверхность теплопередачи F_п, м² по формуле (3.4) 

 

      Выпарной аппарат  выбирают по (3), стр. 183/, его поверхность  берут с запасом, потому что в  формуле (3.5) не учитываются потери тепла, а настоящий расход тепла больше, чем  (см. табл. 3.1). 

      Таблица 3.1

      Техническая характеристика выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей  камерой

 

3. Определение температуры кипения раствора

      Температуру кипения  раствора t_к, К, определяют

       ,  (3.6)

где ∆′, ∆″, ∆′″ – физико-химическая, гидростатическая и гидравлическая депрессии соответственно, К.

      На  основании практических рекомендаций величину ∆′″ принимаем равной 1 ⁰С /4/.

      Температуру t_бк берут как температуру насыщенного пара при давлении P_бк = 0,23 ат  t_бк = 59,7 °С /4/.

      По величине вторичного пара в выпарном аппарате

        (3.7)

определяют  давление в нем над кипящим  раствором P_w = 0,2104 ат или 20640,2 Па. Величину гидростатической депрессии определяют только для выпарных аппаратов с натуральной циркуляцией раствора. Для этого рассчитывают давление в среднем слое раствора Р_ср, Па, по уравнению 

       , (3.8) 

где ρ_p – плотность раствора при температуре t_w = 60,7 ºС и концентрации

      x_к =70 % ρ_p =1200,44 /7/, ;

      g – ускорение свободного падения, ;

      H_тр – высота труб выпарного аппарата (см. табл. 3.1), м. 

 

      По  величине P_ср определяют температуру кипения чистого растворителя t_ср, ⁰C. Определяем по номограмме Киреева /4, стр. 565/

      t_ср =72 ºС при давлении P_ср = 265 мм рт. ст.

      Следовательно, гидростатическая депрессия

         (3.9)

      Физико-химическую депрессию  можно рассчитать по формуле /3, стр. 169/

        (3.10)

где ∆′_атм – температурная депрессия при атмосферном давлении, ºС;

       t – температура, К;

       r_w – относительная теплота преобразования при температуре t, .

      ∆′_атм = 6,8 ºС при концентрации упаренного раствора.

      Для аппаратов с вынесенной зоной  кипения t = t_w =60,7 ºС.

      r_w = 2355,26·10³ при температуре 60,7 ºС /4/.

      Тогда

      Температура кипения  раствора по (3.6)

4. Определение параметров греющего пара и величины полезной разности температур

      Температуру греющего пара t_г.п., К, принимают на 15-30 ºС больше, чем t_к. Примем t_г.п. = 108,7 ºС. Давление греющего пара принимают из ряда стандартных значений 0,4; 0,7; 1,0; 1,3; 1,6; 2,1; 2,5; 3,0 МПа. В случаях, когда это необходимо по технологическим причинам, давление пара может иметь нестандартное значение. В нашем случае давление 0,17 МПа по условию.

      Полезная  разность температур для аппаратов  с вынесенной зоной кипения

        (3.11)

     где ∆t_пер – температура перегрева раствора, ºС.

        (3.12)

где i_w – относительная энтальпия вторичного пара i_w = 2609,6·10³           /4/), ;

       с_в – теплоемкость воды при t_к, ;

     М – массовый расход раствора, который  циркулирует, .

      Исходный  разбавленный раствор подается в  теплообменник, где подогревается  до температуры, близкой к температуре  кипения раствора, а затем раствор  подается в выпарной аппарат. Поэтому  принимаем температуру исходного  раствора равной (где – температурная депрессия для исходного раствора) /3/.

        (3.13)

     где w – скорость раствора в трубах, ;

            ρ_к – плотность упаренного раствора, ;

            F – поверхность выбранного аппарата (см. табл. 3.1), м³;

            d – внутренний диаметр труб (38×2 мм /3/), м;

            H – высота труб (см. табл. 3.1), м.

      Для аппаратов с естественной циркуляцией  w = 0,6–0,8 /3, стр. 169/. Принимаем w = 0,7 . 

 

      Тогда температура перегрева раствора по (3.12)

 

      Полезная  разность температур по уравнению (3.11) 

5. Тепловой  баланс аппарата

      Расход  тепла на выпаривание Q, Вт, рассчитывают: 

        (3.14) 

      Коэффициент 1,05 учитывает потери тепла. 

 

      Расход  греющего пара G_г.п., :

       , (3.15)

     где r_г.п. – относительная теплота конденсации греющего пара при температуре t_г.п. = 108,7 ºС, r_г.п. = 2237·10³ /4/, ;

     φ – степень сухости греющего пара (принимаем равной 0,95). 

 

      Относительный расход греющего пара d,

        (3.16) 

 

6. Расчет  коэффициента теплопередачи

      Для расчета коэффициента теплопередачи  К, , определяют коэффициенты теплоотдачи от греющего пара α₁, и к кипящему раствору α₂, . Коэффициент теплопередачи

       , (3.17)

где ∑r_сум – суммарное сопротивление стенки трубы и загрязнений на ней, .

        (3.18)

где – термическое сопротивление стенки, ; – термическое сопротивление накипи, . 

 

      Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося  пара к стенке α₁ равен /3, стр. 172/ 

       , (3.19) 

где ρ_ж1, λ_ж1, μ_ж1 –соответственно плотность , теплопроводность , вязкость конденсата при средней температуре пленки

А = 10650 при Р_Г.П. = 0,17МПа 

      Расчет  α₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем ∆t₁ = 5,7 ºС. Тогда 

 

      Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

       , (3.21)

     где q – удельная тепловая нагрузка, ;

      ∆t_ст – перепад температур на стенке, ºС;

      ∆t₂ – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, К.

      Отсюда 

 

      Тогда

       .  (3.22) 

 

      В аппаратах с вынесенной зоной  кипения обеспечиваются высокие  скорости движения растворов в трубах греющей камеры и вследствие этого  – устойчивый турбулентный режим  течения. Принимая во внимание, что  разность температур теплоносителей (греющего пара и кипящего раствора) в выпарном аппарате невелика, для вычисления коэффициентов теплоотдачи со стороны  жидкости используют эмпирическое уравнение /3, стр. 175/