Проектирование вакуум-выпарной установки

tкип.=132,9-25=107,90 С

   Давление в среднем  слое кипящего в кипятильных  трубах раствора Рср.,

соответствующее tкип., выразим из формулы (А.9) :

tкип.(Р)=1669,6/(10,0888-lg(P)+lg(a*x2+b*x+1)-228.4

Тогда:

                ((10.0888+lg(a*x2+b*x+1)-1669.6/( tкип+228.4)

     Рср=10

где a и b– численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества (таблица А.5);

x- конечная концентрация раствора.

   Для данного раствора  а= -0.31, b= -0.41:

                ((10.0888+lg(-0.31*0.122+(-0.41)*0.12+1)-1669.6/(107.9+228.4)) Рср=10                                                                                                                          =                                            =125892,5 Па

   Тогда, давление в  сепараторе Р1, в соответствии с (6) :

Р1= Рср-0.5ρ*g*Hур

   Для интенсификации  процесса теплоотдачи от стенки  к кипящему раствору рекомендуется  принять Нур. равной Нопт. Для нахождения Нопт. (5) рассчитаем плотность воды ρо и плотность раствора конечной концентрации ρ при температуре tкип. В соответствии с (А.2) и (А.1):

ρо=1000-0.062*t-0.00355*t2=1000-0.062*107.9-0.00355*107.92=952кг/м3

lgρ=lg ρо+(a0+a1*t+a2*t2)*x=lg952+(0.190483+(-0,00024878)*107.9+(-0,000007772)*107.92)*0.12=2,987

где a0 =0.190483, a1 =-0,00024878, a2 = -0,000007772– численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества(Таблица А.1).

Тогда: ρ=970,5 кг / м3 .

   При расчете Нопт. рекомендуется выбрать максимальную для данного типа аппарата рабочую высоту труб. В соответствии с таблицей В.1 : Нтр.= 5 м.

Нопт.=(0.26+0.0014*(ρ-ρв))* Нтр.=(0,26+0,0014(970,5-952))*5=1,43 м.

Р1= Рср-0.5ρ*g*Hур=125892,5-0,5*970,5*9,8*1,43=119092 Па.

   По соотношению (А.9) при давлении Р1 и конечной концентрации раствора вычислим температуру кипения раствора в сепараторе:

tкон=1669,6/(10,0888-lg119092+lg(-0,31*0,122+(-0,41)*0,12+1)-228.4=104,70С.

   Найдем температуру  вторичного пара в сепараторе  выпарного аппарата при давлении  Р1. В соответствии с таблицей Б.1: t1=1050C.

   Температура вторичного  пара в барометрическом конденсаторе t0 отличается от температуры вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата t1 на величину гидравлической депрессии Δtг.с., обусловленной гидравлическим сопротивлением в паропроводе на участке сепаратор – барометрический конденсатор. Величину Δtг.с принимают, в соответствии с практическими данными, равной 0.5 – 1 К. Следовательно:

t0=105-1=1040С

   Определим давление  вторичного пара в барометрическом  конденсаторе при температуре t0. В соответствии с таблицей Б.2: P0=115640 Па.

Для снижения тепловой нагрузки и обеспечения устойчивой работы выпарного аппарата в непрерывном режиме разбавленный раствор должен подаваться в аппарат при температуре, близкой к температуре кипения. Выберем tн=104,5 0С. Полученные результаты

представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Температурный режим работы выпарной установки

Узловые точки технологической схемы	Температура, 0С		Давление, Па
Барометрический конденсатор	t0	104	Р0	115640
Паровое пространство сепаратора	t1	105	Р1	119092
Выход кипящего раствора в сепаратор	tкон	104,7	Р1	119092
Трубное пространство греющей камеры	tкип	107,9	Рср	125892.5
Межтрубное пространство греющей камеры	tгр.п.	132,9	Ргр.п.	30000
Вход исходного раствора в аппарат	tн	104,5	-	-

 

Расчет тепловой нагрузки выпарного аппарата

   Для расчета, в  соответствии с (3), тепловой нагрузки  аппарата Q найдем,

предварительно, удельную теплоемкость раствора при температуре tкон. и концентрации хн. по соотношениям (А.5) и (А.6):

с=c0+(B1+B2*x+B3*t+B4*t2)*x ,

c0=4223.6+2.476*t*lg(t/100)

где с и с0 – удельные теплоемкости раствора и воды соответственно, Дж/кг∙К;

х- концентрация раствора , кг раств.вещества/кг раствора;

t- температура раствора, 0С;

В1, В2, В3, B4 – численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества, (приведены в таблице А.3).

c0=4223.6+2.476*104,7*lg(104,7/100)=4228,8 Дж/кг*К

с=4228,8+(-3287,7+1136,94*0,03+(-0,81)*104,7+6,5*10-3*104,72))*0,03=4130,8 Дж/кг*К

  Удельная теплота  конденсации вторичного пара  rвт.п. при Р1 по таблице Б.1 равна 2249 КДж/кг.

   Расход теплоты  на компенсацию потерь в окружающую  среду при расчете

выпарных аппаратов обычно принимают в размере 3-5% от суммы (Qнагр. + Qисп.). Примем Qпот.= 5%. Тогда:

Q=Gн*cн*(tкон.-tн.)+W*rвт.п.+Qпот.=4904773 Вт

 

Расчет расхода греющего пара.

   В соответствии  с ( 4 ) расход греющего пара:

Gгр.п.=Q/(rгр.п.*x)= 4904773/(2249*103)=2.18 кг/с

где 2249 КДж/кг- удельная теплота конденсации греющего пара в соответствии с таблицей Б.1 при давлении Ргр.п. Степень сухости греющего пара принята равной 1.

   Удельный расход  греющего пара по соотношению  ( 5):

d= Gгр.п/W=2.18/2.076=1.05 кг/кг

 

Расчет площади поверхности теплообмена греющей камеры выпарного аппарата

   В соответствии  с (8) площадь поверхности теплообмена:

F=Q/(K*Δtпол.)

   Так как, тепловая  нагрузка выпарного аппарата Q и  средняя разность температур  процесса теплопередачи между  греющим паром и кипящим раствором Δtпол. уже известны, для определения F, необходимо провести расчет коэффициента теплопередачи K по формуле (10).

К=1/(+∑rcn.+)

   Определим суммарное  термическое сопротивление стенки, с учетом ее загрязнений с  обеих сторон в соответствии  с (11):

∑rcn.=rзагр.1++rзагр.2=1/5800+0,002/46,5+1/2200=6,4*10-4 м2*К/Вт

где rзагр.1 1/5800 м2 *К/Вт - термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны пара в соответствии с таблицей Б.5;

rзагр.2 =1/2200 м2*К/Вт - термическое сопротивление загрязнений стенки со

стороны раствора в соответствии с таблицей Б.5 ;

δ = 0.002 м– толщина стенки трубы, таблица В.1;

λст.=46.5 Вт/м∙К - коэффициент теплопроводности стали, таблица Б.4.

   Расчет коэффициентов  теплоотдачи теплоносителей проводится  по

критериальным уравнениям [1]. Для расчета коэффициента теплоотдачи от

конденсирующегося пара используем соотношение ( 12 ):

α1=2,04*At/(

   Для водяного пара  при температуре конденсации  tгр.п.=132,9 0С в соответствии с таблицей 1 Аt=7356,1. С учетом выбранной ранее высоты труб, Hтр.= 5 м, получим:

α1=2,04*7356,1/(=10035/

   Коэффициент теплоотдачи  к кипящему раствору будем  рассчитывать по формуле

(13):

α2=b3*

   Определим, необходимые для расчета коэффициента теплоотдачи, теплофизические свойства раствора при температуре кипения tкип. и конечной концентрации хк: коэффициент теплопроводности, плотность, динамический коэффициент вязкости, коэффициент поверхностного натяжения. Используем для этого расчетные соотношения, приведенные в приложении А[8]:

Коэффициент теплопроводности раствора

В соответствии с (А.8) и (А.7):

λ0=0,5545+0,00246*t-0.00001184*t2

λ= λ0(t)*(1-β*x)

где λ0 и λ –коэффициенты теплопроводности воды и раствора, соответственно, Вт/м∙К;

β- численный коэффициент, зависящий от растворенного вещества, (таблица А.4);

х – массовая концентрация раствора.

λ0=0,5545+0,00246*107.9-0.00001184*107.92=0.68 Вт/м*К

λ= 0,68*(1-0,60504*0,12)=0,632 Вт/м*К

Динамический коэффициент вязкости раствора:

   По формулам (А.4) и (А.3):

μ0=0,59849*(43,252+t)-1.5423

lgμ=lgμ0+(d0+d1*t+d2*t2)*x

где μ0 и μ- коэффициенты динамической вязкости воды и раствора соответственно, Па∙с;

d0, d1, d2 - численные коэффициенты, зависящие от растворенного вещества, (таблица А.2).

μ0=0,59849*(43,252+107.9)-1.5423=2,6*10-4 Па*с

lgμ=2,6*10-4 +(-1,855+0,009408*107,9+150*109*107,92)*0,12=2,1*1014

   Тогда, μ=14,322 Па*с.

   Значение плотности  раствора конечной концентрации  при температуре кипения tкип. было определено ранее:ρ=970,5 кг / м3.

   В связи с отсутствием  надежных расчетных соотношений  для определения коэффициента  поверхностного натяжения раствора, а также с учетом его невысокой  конечной концентрации, в данном  проекте допустимо использовать  коэффициент поверхностного натяжения  воды. При t кип. ,в соответствии с таблицей Б.3, σ = 0.05732 н/м.

Для расчета численного значения коэффициента b по соотношению (14), по таблице Б.2 определим плотность насыщенного водяного пара при t кип.: ρп=0.774 кг/м3.

Тогда:

b=0.075+0.75*2/3=0.075+0.75(0,774/(970,5-0,774))2/3=0.0815

   Подставив, полученные  численные значения, получим:

α2=b3*=0.08153*=0,0006931*(tcm2-107.9)2

   Так как, в критериальные уравнения (31) и (32) входят неизвестные температуры поверхностей стенок, соприкасающиеся с теплоносителями, то расчет коэффициентов теплоотдачи будем проводить методом последовательных приближений [7], используя систему уравнений (33)-(37):

α1=                                                                                                   (33)

q1=α1(132.9-tcm1)                                                                                               (34)

tcm=                                                                                                     (35)

α2=0,0006931(tcm2-107.9)2                                                                                        (36)

q2=α2(tcm2-107.9)                                                                                               (37)

   Для установившегося  процесса передачи теплоты справедливо  уравнение:

q1=q2=qcm=q

   С учетом требуемой  точности расчетов, проводимых в  данном проекте,

расхождение между тепловыми потоками должно быть не более 0.05. Для проверки сходимости будем использовать следующее соотношение:

E=                                                                                                       (38)

   При выборе температуры  tст.1 для первого приближения следует учитывать, что:

tгр.п.>tcm1.>tcm2.>tкип.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Расчет барометрического  конденсатора смешения

Расход охлаждающей воды

В соответствии с (15):

Gв=(W*(iвт.п.-свtвк))/(св*(tвк-tвн))=(2,076*(2685.1*103-4190*100))/(4190*(100-15))=13.21 кг/с

где iвт.п = 2685.1 КДж/кг – энтальпия вторичного пара в барометрическом конденсаторе (при давлении Р0), (таблица Б.1);

св =4190 Дж/кг∙К – удельная теплоемкость воды;

tвн =150C и tвк =1000C - начальная и конечная температура воды в

барометрическом конденсаторе. В соответствии с практическими рекомендациями в конденсаторах смешения конечная температура воды принимается на несколько градусов ниже температуры конденсации пара при давлении Р0.

Диаметр барометрического конденсатора

   По соотношению  ( 16 ) определим диаметр конденсатора:

d===0.45 м

где ρвт.п. =0.675 кг/м3 – плотность вторичного пара при давлении Р0, (таблица Б.1 ); .

vвт.п .= 20 м/с – скорость пара.