Спроектировать выпарную установку для концентрирования водного раствора NaOH

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Процессы и аппараты химических производств»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к междисциплинарному курсовому проекту

на тему: Спроектировать выпарную установку для концентрирования водного раствора NaOH

Автор проекта: Полякова И.О.

Группа: ХМВК-672

Специальность: 1705 «Машины и аппараты химических производств»

Обозначение курсового проекта: МКП 11.40-461-806.1705.01

Руководитель проекта: Первакова Г.И.

Норма контроль:

Проект защищен:

Оценка, баллы:

Члены комиссии:

Волгоград 2010 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Процессы и аппараты химических производств»

ЗАДАНИЕ НА МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Студент: Полякова Ирина Олеговна группа: ХМВК-672

1. Тема: Спроектировать выпарную установку для концентрирования водного раствора NaOH производительностью 5400 кг/час

2. Срок представления проекта к защите:

3. Исходные данные для проектирования:

Производительность установки.

Информационные данные.

Технические условия.

4. Содержание пояснительной записки курсового проекта:

Введение.

1. Математическая модель процесса.

2. Описание технологической схемы, КИП и СА.

3. Технологические расчеты.

4. Прочностные расчеты.

5. Ремонт оборудования.

6. БЖД.

7. Литература

5. Перечень графического материала:

1. Технологическая схема с КИП и СА - 1 лист.

2. Сборочный чертеж аппарата - 1 лист.

3. Деталировочные чертежи - 1 лист.

Руководитель проекта: Первакова Г.И.

подпись

Задание принял к исполнению

Содержание

Введение

1. Физическая модель процесса

2. Математическое описание процесса

3. Описание технологической схемы

4. Описание системы автоматизации и механизации, АСУТП и т.п.

5. Технологические расчеты оборудования, определение размеров аппарата, расчет вспомогательного оборудования

6. Прочностные расчеты машин и аппаратов

7. Безопасность жизнедеятельности

8. Ремонт, монтаж и наладка аппаратов

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

В фармацевтической, химической и пищевой отраслях для получения высококонцентрированных масс используется процесс концентрирования. Сущность этого процесса заключается в повышении концентрации растворенных веществ за счёт удаления воды путем выпаривания. Это один из важнейших процессов химической и других отраслей промышленности. Он используется также при термическом опреснении соленых вод.

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путём частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объёма раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости. Концентрированные растворы и твёрдые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать. Выпарные установки превратились в самостоятельные звенья технологических схем и зачастую определяют их технико-экономические показатели. Выпаривание проводят в аппаратах с обогревом через стенку (аппараты поверхностного типа). Для обогрева этих аппаратов широко применяется водяной пар. Пар в качестве теплоносителя очень удобен тем, что позволяет легко регулировать температуру, имеет высокое теплосодержание и большой коэффициент теплоотдачи.В данном курсовом проекте рассматривается процесс выпаривания водного раствора NaOH в трехкорпусной выпарной установке. Едкий натр или гидроксид натрия -- сильная щелочь, называемая в быту каустической содой, применяется в мыловарении, в производстве глинозема -- полупродукта для получения металлического алюминия, в лакокрасочной, нефтеперерабатывающей промышленности, в производстве искусственного шелка, в промышленности органического синтеза и других отраслях народного хозяйства.

1. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости центробежным насосом подается в теплообменник (где подогревается до температуры кипения), а затем - в первый корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость упаренного раствора.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчика.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

Составим материальный баланс для многокорпусной выпарной установки, согласно которому общее количество воды W, выпариваемой во всех корпусах, составляет:

W = G_Н (1 - x_Н / x_К).

W = 1,5 (1 - 4,5 / 36) = 1,313 кг/с.

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

w₁ : w₂ : w₃ = 1,0 : 1,1 : 1,2.

Тогда

w₁ = 1,0W / (1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,0W / 3,3 = 1,0 • 1,313 / 3,3 = 0,398 кг/с;

w₂ = 1,1W / 3,3 = 1,1 • 1,313 / 3,3 = 0,438 кг/с;

w₃ = 1,2W / 3,3 = 1,2 • 1,313 / 3,3 = 0,477 кг/с.

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

x₁ = G_Н x_Н / (G_Н - w₁) = 1,5 • 0,045 / (1,5 - 0,398) = 0,061 или 6,1%;

x₂ = G_Н x_Н / (G_Н - w₁ - w₂) = 1,5 • 0,045 / (1,5 - 0,398 - 0,438) = 0,102 или 10,2%;

x₃ = G_Н x_Н / (G_Н - w₁ - w₂ - w₃) = 1,5 • 0,045 / (1,5 - 0,398 - 0,438 - 0,477) = 0,36 или 36%.

Концентрация раствора в последнем корпусе x₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора x_К.

3. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом Н1 подается в теплообменник Т (где подогревается до температуры кипения), а затем - в первый корпус выпарной установки АВ1. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус АВ2. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус АВ3 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе КБ смешения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом НВ). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подается в промежуточную емкость Е2 упаренного раствора.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчика КО.

4. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И МЕХАНИЗАЦИИ

На установке можно выделить следующие регулируемые параметры:

1) индикация, регистрация и регулирование расхода пара осуществляется посредством первичного измерительного преобразователя 1-1, установленного в трубопроводе (диафрагма), прибора для измерения расхода 1-2 с дистанционной передачей показаний (установлен по месту). На щите расположен автоматический электронный мост 1-3. Далее сигнал из электрического преобразуется в пневматический преобразователем 1-4 и поступает на регулирующий клапан 1-5.

2) индикация и регистрация давления пара перед входом в первый корпус выпарного аппарата. По месту расположен прибор для измерения давления 2-1 с дистанционной передачей показаний, передающий сигнал на щит на миллиамперметр показывающий регистрирующий 2-2.

3) индикация и регистрация давления пара перед входом в теплообменник осуществляется аналогично пп. 2 приборами 3-1 и 3-2.

4) индикация, регистрация и регулирование температуры исходного раствора. По месту расположен первичный измерительный преобразователь 4-1 (термометр). На щите расположен автоматический электронный мост 4-2. Далее сигнал из электрического преобразуется в пневматический преобразователем 4-3 и поступает на регулирующий клапан 4-4.

5) индикация и регистрация концентрации исходного раствора осуществляется также как в пп. 2 приборами 5-1 и 5-2.

6) индикация, регистрация и сигнализация расхода исходного раствора. Сигнал с первичного измерительного преобразователя 6-1, установленного в трубопроводе, передается на прибор для измерения расхода 6-2, установленного по месту, откуда дистанционно передается на щит на показывающий регистрирующий и сигнализирующий прибор 6-3. Сигнализация осуществляется при помощи сигнальной лампы 6-4.

7) индикация и сигнализация уровня жидкости в емкости Е1. По месту располагается первичный измерительный преобразователь для измерения уровня 7-1, на щите находится показывающий прибор для измерения уровня 7-2 с контактным устройством. Сигнализация осуществляется при помощи сигнальной лампы 7-3.

8) индикация и сигнализация температуры воды на выходе из барометрического конденсатора. Осуществляется посредством первичного измерительного преобразователя 8-1 (термометр), установленного по месту) и показывающего сигнализирующего прибора 8-2, установленного на щите.

9) индикация, регистрация и регулирование концентрации упаренного раствора. По месту расположен первичный преобразователь для измерения качества продукта 9-1, на щите находится автоматический электронный мост 9-2, с которого сигнал поступает на преобразователь 9-3 и оттуда на регулирующий клапан 9-4.

10) индикация, регистрация и сигнализация расхода упаренного раствора осуществляется аналогично пп.6 приборами 10-1, 10-2 и 10-3.

11) индикация и сигнализация уровня жидкости в емкости Е2 выполняется также как в пп.7 приборами 11-1 и 11-2.

12) индикация и регистрация расхода оборотной воды осуществляется подобно пп. 6 приборами 12-1, 12-2 и 12-3.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ОБОРУДОВАНИЯ

Задание на проектирование. Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования Gн = 5400 кг/ч (1,5 кг/с) водного раствора NaOH от начальной концентрации x_Н = 4,5% до конечной x_К = 36% при следующих условиях:

1) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением P_г1 = 0,55 МПа;

2) давление в барометрическом конденсаторе P_бк = 0,008 МПа;

3) выпарной аппарат - тип 1, исполнение 1;

4) взаимное направление пара и раствора - прямоток;

5) отбор экстрапара не производится;

6) раствор поступает в первый корпус подогретым до температуры кипения.

5.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F = Q / (K?t_П).

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур ?t_П необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = G_Н (1 - x_Н / x_К).

W = 1,5 (1 - 4,5 / 36) = 1,313 кг/с.

5.1.1 Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

w₁ : w₂ : w₃ = 1,0 : 1,1 : 1,2.

Тогда

w₁ = 1,0W / (1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,0W / 3,3 = 1,0 • 1,313 / 3,3 = 0,398 кг/с;

w₂ = 1,1W / 3,3 = 1,1 • 1,313 / 3,3 = 0,438 кг/с;

w₃ = 1,2W / 3,3 = 1,2 • 1,313 / 3,3 = 0,477 кг/с.

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

x₁ = G_Н x_Н / (G_Н - w₁) = 1,5 • 0,045 / (1,5 - 0,398) = 0,061 или 6,1%;

x₂ = G_Н x_Н / (G_Н - w₁ - w₂) = 1,5 • 0,045 / (1,5 - 0,398 - 0,438) = 0,102 или 10,2%;

x₃ = G_Н x_Н / (G_Н - w₁ - w₂ - w₃) = 1,5 • 0,045 / (1,5 - 0,398 - 0,438 - 0,477) = 0,36 или 36%.

Концентрация раствора в последнем корпусе x₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора x_К.

5.1.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

?P_об = P_г1 - P_бк = 0,55 - 0,008 = 0,542 МПа.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:

Pг1 = 0,55;

P_г2 = P_г1 - ?P_об/3 = 0,55 - 0,542 / 3 = 0,3693;

P_г3 = P_г2 - ?P_об/3 = 0,3693 - 0,542 / 3 = 0,1886.

Давление пара в барометрическом конденсаторе

P_бк = P_г3 - ?P_об/3 = 0,1886 - 0,542 / 3 = 0,008 МПа,

что соответствует заданному значению P_бк.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1] :

P, МПа		t, 0C		I, кДж/кг
Pг1 = 0,55		tг1 = 155,4		I1 = 2763
Pг2 = 0,3693		tг2 = 140,5		I2 = 2741
Pг3 = 0,1886		tг3 = 118,3		I3 = 2710
Pбк = 0,008		tбк = 41,2		Iбк = 2574

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь ?? от температурной (?'), гидростатической (?'') и гидродинамической (?''') депрессий (?? = ?' + ?'' + ?''').

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают ?''' = 1,0 - 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса ?''' = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ⁰C) равны:

t_вп1 = t_г2 + ?₁''' = 140,5 + 1,0 = 141,5;

t_вп2 = t_г3 + ?₂''' = 118,3 + 1,0 = 119,3;

t_вп3 = t_бк + ?₃''' = 41,2 + 1,0 = 42,2.

Сумма гидродинамических депрессий

??''' = ?₁''' + ?₂''' + ?₃''' = 1+1+1 = 3 ⁰C.

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны соответственно (в МПа):

P_вп1 = 0,3778;

P_вп2 = 0,1945;

P_вп3 = 0,0083.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора P_ср каждого корпуса определяется по уравнению

P_ср = P_вп + сgH (1 - е) / 2,

где H - высота кипятильных труб в аппарате, м;

с - плотность кипящего раствора, кг/м³;

е - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_ор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000 - 50000 Вт/м². Примем q = 40000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

F_ор = Q / q = w₁r₁ / q = 0,398 • 2143 • 10³ / 40000 = 21 м²,

где r₁ - теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТ 11987-81 [2] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и сосной греющей камерой (тип 1, исполнение 1) состоят из кипятильных труб высотой 3 и 4 м при диаметре d_н = 38 мм и толщине стенки д_ст = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 3 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет е = 0,4 - 0,6. Примем е = 0,5. Плотность водных растворов, в том числе NaOH [3], при температуре 15 ⁰C и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

с₁ = 1066 кг/м³;

с₂ = 1111 кг/м³;

с₃ = 1382 кг/м³.

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 15 ⁰C до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения е.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

P_1ср = P_вп1 + с₁gH (1 - е) / 2 = 37,78 • 10⁴ + 3 • 1066 • 9,8 • (1 - 0,5) / 2 = 38,56 • 10⁴;

P_2ср = P_вп2 + с₂gH (1 - е) / 2 = 19,45 • 10⁴ + 3 • 1111 • 9,8 • (1 - 0,5) / 2 = 20,27 • 10⁴;

P_3ср = P_вп3 + с₃gH (1 - е) / 2 = 0,83 • 10⁴ + 3 • 1382 • 9,8 • (1 - 0,5) / 2 = 1,85 • 10⁴.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1] :

P, МПа		t, 0C		r, кДж/кг
P1ср = 0,3856		t1ср = 142,2		rвп1 = 2143
P2ср = 0,2027		t2ср = 120,5		rвп2 = 2205
P3ср = 0,0185		t3ср = 58,5		rвп3 = 2361

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ⁰C):

?₁'' = t_1ср - t_вп1 = 142,2 - 141,5 = 0,7;

?₂'' = t_2ср - t_вп2 = 120,5 - 119,3 = 1,2;

?₃'' = t_3ср - t_вп3 = 58,5 - 42,2 = 16,3.

Сумма гидростатических депрессий

??'' = ?₁'' + ?₂'' + ?₃'' = 0,7 + 1,2 + 16,3 = 18,2 ⁰C.

Температурную депрессию ?' определяем по уравнению

?' = 1,62 • 10^-2 ?'_атм T² / r_вп,

где T - температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

?'_атм - температурная депрессия при атмосферном давлении [3].

Находим значение ?' по корпусам (в ⁰C):

?₁' = 1,62 • 10^-2 (142,2 + 273)² • 0,7 / 2143 = 0,91;

?₂' = 1,62 • 10^-2 (120,5 + 273)² • 2,9 / 2143 = 3,3;

?₃' = 1,62 • 10^-2 (58,5 + 273)² • 23,2 / 2143 = 17,49.

Сумма температурных депрессий

??' = ?₁' + ?₂' + ?₃' = 0,91 + 3,3 + 17,49 = 21,7 ⁰C.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ⁰C):

t_к1 = t_г2 + ?₁' + ?₁'' + ?₁''' = 140,5 + 0,91 + 0,7 + 1,0 = 143,11;

t_к2 = t_г3 + ?₂' + ?₂'' + ?₂''' = 118,3 + 3,3 + 1,2 + 1,0 = 123,8;

t_к3 = t_бк + ?₃' + ?₃'' + ?₃''' = 41,2 + 17,49 + 16,3 + 1,0 = 75,99.

В аппаратах с естественной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора v = 0,6 - 0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна

M = vSс.

M₁ = 0,7 • 0,0595 • 1066 = 44,4 кг/с;

M₂ = 0,7 • 0,0595 • 1111 = 46,27 кг/с;

M₃ = 0,7 • 0,0595 • 1382 = 57,56 кг/с.

Здесь S - сечение потока в аппарате (м²), рассчитываемое по формуле

S = F_орd_вн / 4H = 21 • 0,034 / (4 • 3) = 0,0595,

где d_вн - внутренний диаметр труб, м;

H - принятая высота труб, м.

Таким образом, перегрев раствора в j-м аппарате ?t_{пер j} равен:

?t_{пер j} = [w_j (I_{вп j} - c_вt_{к j}) - G_{н j} c_{н j} (t_{к j - 1} - t_{к j})] / M c_{н j}.

Для первого корпуса t_{к j - 1} - это температура раствора, поступающего в аппарат из теплообменника подогревателя.

?t_{пер 1} = [0,398 (2743 • 10³ - 4,28 • 10³) - 1,5 • 3694 (156,4 - 143,11)] / (44,4 • 3694) = 6,2;

?t_{пер 2} = [0,438 (2712 • 10³ - 4,23 • 10³) - 1,5 • 3717 (143,11 - 123,8)] / (46,27 • 3717) = =6,27;

?t_{пер 3} = [0,477 (2605 • 10³ - 4,18 • 10³) - 1,5 • 3862 (123,8 - 75,99)] / (57,56 • 3862) = =4,33.

5.1.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

??t_п = ?t_п1 + ?t_п2 + ?t_п3.

Полезные разности температур по корпусам (в ⁰C) равны:

?t_п1 = t_г1 - t_к1 = 155,4 - 143,11 = 12,29;

?t_п2 = t_г2 - t_к2 = 140,5 - 123,8 = 16,7;

?t_п3 = t_г3 - t_к3 = 118,3 - 75,99 = 42,31.

Тогда полезная разность температур

??t_п = 12,29 + 16,7 + 42,31 = 71,3 ⁰C.

Проверим общую полезную разность температур:

??t_п = t_г1 - t_бк - (??' + ??'' + ??''') = 155,4 - 41,2 - (21,7+18,2+3) = 71,3 ⁰C.

5.1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q₁ = D (I_г1 - i₁) = 1,03 [G_нc_н (t_к1 - t_н) + w₁ (I_вп1 - c_вt_к1) + Q_1конц; (1)

Q₂ = w₁ (I_г2 - i₂) = 1,03 [(G_н - w₁) c₁ (t_к2 - t_к1) + w₂ (I_вп2 - c_вt_к2) + Q_2конц]; (2)

Q₃ = w₂ (I_г3 - i₃) = 1,03 [(G_н - w₁ - w₂) c₂ (t_к3 - t_к2) + w₃ (I_вп3 - c_вt_к3) + Q_3конц]; (3)

W = w₁ + w₂ + w₃, (4)

где 1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

с₁, с₂, с₃ - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг • K) [3];

Q_1конц, Q_2коннц, Q_3конц - теплоты концентрирования по корпусам, кВт;

t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в первом корпусе;

t_н = t_вп1 + ?'_н = 141,5 + 1,0 = 142,5 ⁰C,

(где ?'_н - температурная депрессия для исходного раствора);

при решении уравнений (1) - (4) можно принять

I_вп1 ? I_г2; I_вп2 ? I_г3; I_вп3 ? I_бк.

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры [4] показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса:

Q_3конц = G_сух ?q = G_н x_н ?q,

где G_сух - производительность аппаратов по сухому NaOH, кг/с;

?q - разность интегральных теплот растворения при концентрациях x₂ и x₃, кДж/кг [3]. Тогда

Q_3конц = 1,5 • 0,045 • (1192 - 1083) = 7,36 кВт.

Сравним Q_3конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q_{3 ор}:

Q_{3 ор} = (G_н - w₁ - w₂) c₂ (t_к3 - t_к2) + w₃ (I_{вп 3} - c_вt_к3) = (1,5 - 0,398 - 0,438) • 3,71 • (75,99 -123,8) + 0,477 • (2574 - 4,19 • 75,99) = 958 кВт.

Поскольку Q_3конц составляет значительно меньше 3% от Q_{3 ор}, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_конц.

Получим систему уравнений:

Q₁ = D (2763 - 644,3) = 1,03 [1,5 • 3,78 (143,11 - 142,5) + w₁ (2741 - 4,19 • 143,11)];

Q₂ = w₁ (2741 - 591,7) = 1,03 [(1,5 - w₁) • 3,75 (123,8 - 143,11) + w₂ (2710 -4,19 • 123,8)];

Q₃ = w₂ (2710 - 496,8) = 1,03 [(1,5 - w₁ - w₂) • 3,71 (75,99 - 123,8) + w₃ • (2574 - 4,19 • •75,99)];

W = w₁ + w₂ + w₃ = 1,313.

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 0,436 кг/с; w₁ = 0,417 кг/с; w₂ = 0,433 кг/с;

w₃ = 0,463 кг/с; Q₁ = 924 кВт; Q₂ = 896 кВт; Q₃ = 958 кВт.

Результаты расчета сведены в таблицу:

Параметр	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	0,417	0,433	0,463
Концентрация растворов x, %	6,1	10,2	36
Давление греющих паров PГ, МПа	0,55	0,3693	0,1886
Температура греющих паров tГ, 0C	155,4	140,5	118,3
Температурные потери ??, град	2,61	5,5	34,79
Температ. кипения раствора tК, 0C	143,11	123,8	75,99
Полезн. разность темп-р ?tП, град	12,29	16,7	42,31

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (w₁ = 0,398 кг/с; w₂ = 0,438 кг/с; w₃ = 0,477 кг/с) не превышает 5%, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

5.1.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaOH в интервале изменения концентраций от 5 до 40% [5]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки 12Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности л_ст = 25,1 Вт / (м • K).

5.1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

K₁ = 1 / (1 / б₁ + ?д / л + 1 / б₂).

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки д_ст / л_ст и накипи д_н / л_н. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

?д / л = 0,002 / 25,1 + 0,0005 / 2 = 3,3 • 10^-4 м² • К / Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке б₁ равен [1] :

б₁ = 2,04 ⁴v [(r₁ с_ж1² л_ж1³) / (м_ж1 H ?t₁)],

где r₁ - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

с_ж1, л_ж1, м_ж1 - соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность Вт / (м• •К), вязкость (Па • с) конденсата при средней температуре пленки

t_пл = t_г1- - ?t₁/2,

где ?t₁ - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет б₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем ?t₁ = 2,0 град. Тогда

б₁ = 2,04 ⁴v [(2103 • 10³ • 913² • 0,684³) / (0,18 • 10^-3 • 3 • 2)] = 9739 Вт/(м²•К).

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

q = б₁ ?t₁ = ?t_ст / (?д / л) = б₂ ?t₂,

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

?t_ст - перепад температур на стенке, град;

?t₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

?t_ст = б₁ ?t₁ (?д / л) = 9739 • 2 • 3,3 • 10^-4 = 6,46 град.

Тогда

?t₂ = ?t_{п 1} - ?t_ст - ?t = 12,29 - 6,46 - 2 = 3,83 град.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора [6] равен

б₂ = A q^0,6 = 780 q^0,6 л₁^1,3 с₁^0,5 с_п1^0,06 / (у₁^0,5 r_в1^0,6 с₀^0,66 c₁^0,3 м₁^0,3).

Подставив численные значения, получим:

б₂ = 780 q^0,6 0,616^1,3 1066^0,5 2,926^0,06 / [0,0619^0,5 (2103 • 10³)^0,6 0,579^0,66 •3694^0,3 (0,33 • •10^-3)^0,3] = 12,64 (б₁ ?t₁)^0,6 = 12,64 (9739 • 2)^0,6 = 4737 Вт/(м²•К).

Физические свойства кипящих растворов NaOH и их паров приведены ниже:

Параметр	Корпус 1	Корпус2	Корпус 3	Литература
Теплопроводность р-ра л, Вт/(м • К)	0,616	0,627	0,645	[7]
Плотность р-ра с, кг/м3	1066	1111	1390	[3]
Теплоемкость р-ра с, Дж/(кг • К)	3694	3717	3862	[3]
Вязкость р-ра м, Па • с	0,33 • 10-3	0,56 • 10-3	2,13 • 10-3	[8]
Поверхностное натя-жение у, Н/м	0,0619	0,0675	0,1011	[7,8]
Теплота парообразо-вания rВ, Дж/кг	2103 • 103	2148 • 103	2212 • 103	[1]
Плотность пара сП, кг/м3	2,926	1,99	1,0667	[1]

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепло-вых нагрузок:

q' = б₁ ?t₁ = 9739 • 2 = 19478 Вт / м²;

q'' = б₂ ?t₂ = 4737 • 3,83 = 18143 Вт / м².

Как видим, q' ? q''.

Для второго приближения примем ?t₁ = 3,0 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении тем-пературы на 1,0 град, рассчитаем б₁ по соотношению

б₁ = 9739 • ⁴v(2 / 3) = 8800 Вт / (м² • К).

Получим:

?t_ст = 8800 • 3 • 3,3 • 10^-4 = 8,71 град;

?t₂ = 12,29 - 8,71 - 3 = 0,58 град;

б₂ = 12,64 (8800 • 3)^0,6 = 5685 Вт / (м² • К);

q' = 8800 • 3 = 26400 Вт / м²;

q'' = 5685 • 0,58 = 3297 Вт / м².

Очевидно, что q' ? q''.

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удель-ной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе и определяем ?t₁ = 1,94 град.

Рис.1. Зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур ?t₁

Получим:

б₁ = 9739 • ⁴v(2 / 1,94) = 9813 Вт / (м² • К);

?t_ст = 9813 • 1,94 • 3,3 • 10^-4 = 6,28 град;

?t₂ = 12,29 - 6,28 - 1,94 = 4,07 град;

б₂ = 12,64 (9813 • 1,94)^0,6 = 4672 Вт / (м² • К);

q' = 9813 • 1,94 = 19037 Вт / м²;

q'' = 4672 • 4,07 = 19015 Вт / м².

Как видим, q' ? q''.

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, значит расчет коэффициентов б₁ и б₂ на этом заканчиваем. Находим К₁:

К₁ = 1 / (1 / 9813 + 3,3 • 10^-4 + 1 / 4672) = 1548 Вт / (м² • К).

Далее рассчитываем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂. Для этого найдем:

б₁ = 2,04 ⁴v[2103 • 10³ • 926² • 0,685³ / (0,195 • 10^-3 • 3 • 2,88)] = 8786 Вт / (м² • К);

?t_ст = 8786 • 2,88 • 3,3 • 10^-4 = 8,35 град;

?t₂ = 16,7 - 2,88 - 8,35 = 5,47 град;

б₂ = 780 • 0,627^1,3 • 1111^0,5 • 1,99^0,06 (8786 • 2,88)^0,6 / (0,0675^0,5 • (2148 • 10³)^0,6 • 0,579^0,66• •3717^0,3 • (0,56 • 10^-3)^0,3) = 10,39 (8786 • 2,88)^0,6 = 4555 Вт / (м² • К);

q' = 8786 • 2,88 = 25304 Вт / м²;

q'' = 4555 • 5,47 = 24916 Вт / м².

Как видим, q' ? q''. Определим К₂:

К₂ = 1 / (1 / 8786 + 3,3 • 10^-4 + 1 / 4555) = 1507 Вт / (м² • К).

Рассчитаем теперь коэффициент теплопередачи для третьего корпуса К₃:

б₁ = 2,04 ⁴v[2148 • 10³ • 944² • 0,686³ / (0,235 • 10^-3 • 3 • 9,59)] = 6308 Вт / (м² • К);

?t_ст = 6308 • 9,59 • 3,3 • 10^-4 = 19,96 град;

?t₂ = 42,31 - 9,59 - 19,96 = 12,76 град;

б₂ = 780 • 0,645^1,3 • 1390^0,5 • 1,0667^0,06 (6308 • 9,59)^0,6 / (0,1011^0,5 • (2212 • 10³)^0,6 • •0,579^0,66 • 3862^0,3 • (2,13 • 10^-3)^0,3) = 6,17 (6308 • 9,59)^0,6 = 4564 Вт / (м² • К);

q' = 6308 • 9,59 = 60494 Вт / м²;

q'' = 4564 • 12,76 = 58237 Вт / м².

Как видим, q' ? q''. Найдем К₃:

К₃ = 1 / (1 / 6308 + 3,3 • 10^-4 + 1 / 4564) = 1413 Вт / (м² • К).

выпарной концентрирование водный раствор технологический

5.1.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

?t_{п j} = ??t_п • Q_j / K_j / (?₁³ Q/K),

где ?t_{п j}, Q_j, K_j - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

?t_п1 = 71,3 • 924 / 1548 / (924 / 1548 + 896 / 1507 + 958 / 1413) = 22,77 град;

?t_п2 = 71,3 • 896 / 1507 / (924 / 1548 + 896 / 1507 + 958 / 1413) = 22,68 град;

?t_п3 = 71,3 • 958 / 1413 / (924 / 1548 + 896 / 1507 + 958 / 1413) = 25,86 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

??t_п = ?t_п1 + ?t_п2 + ?t_п3 = 22,77 + 22,68 + 25,86 = 71,31 град.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F₁ = (924 • 10³) / (1548 • 22,77) = 26,2 м²;

F₂ = (896 • 10³) / (1507 • 22,68) = 26,2 м²;

F₃ = (958 • 10³) / (1413 • 25,86) = 26,2 м².

Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной ранее поверхности F_ор. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высоты, диаметра и числа труб). Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур ?t_п представлено ниже:

	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3
Распределенные в 1-м приближении значения ?tп, град.	22,77	22,68	25,86
Предварительно рассчитанные значения ?tп, град.	12,29	16,7	42,31

Второе приближение

Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в 1-м приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами установки. В основу этого перераспределения температур (давлений) должны быть положены полезные разности температур, найденные из условий равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.

5.1.8 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

В связи с тем, что существенное изменение давлений по сравнению с рассчитанным в первом приближении происходит только в 1-м и 2-м корпусах (где суммарные температурные потери незначительны), во втором приближении принимаем такие же значения ?', ?'' и ?''' для каждого корпуса, как в первом приближении. Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже:



Параметры	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	0,417	0,433	0,463
Концентрация растворов x, %	6,1	10,2	36
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг1, 0C	155,4	-	-
Полезная разность температур ?tп, град	22,77	22,68	25,86
Температура кипения раствора tк = tг - ?tп, 0C	132,63	107,34	75,98
Температура вторичного пара tвп = tк - (?' + ?''), 0C	131,02	102,84	42,19
Давление вторичного пара Pвп, МПа	0,279	0,1124	0,0083
Температура греющего пара tг = tвп - ?''', 0C	-	130,02	101,84

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q₁ = 1,03 [1,5 • 3,78 (132,63 - 132,02) + 0,417 (2727 - 4,19 • 132,63)] = 936;

Q₂ = 1,03 [1,083 • 3,75 (107,34 - 132,63) + 0,433 (2684 - 4,19 • 107,34)] = 891;

Q₃ = 1,03 [0,65 • 3,71 (75,98 - 107,34) + 0,463 (2574,6 - 4,19 • 75,98)] = 998.

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам [в Вт / (м² • К)] :

К₁ = 1667;

К₂ = 1551;

К₃ = 1250.

Распределение полезной разности температур:

?t_п1 = 71,3 • 936/1667 / (936/1667 + 891/1551 + 998/1250) = 20,7 град;

?t_п1 = 71,3 • 891/1551 / (936/1667 + 891/1551 + 998/1250) = 21,17 град;

?t_п1 = 71,3 • 998/1250 / (936/1667 + 891/1551 + 998/1250) = 29,43 град.

Проверка суммарной полезной разности температур:

??t_п = 20,7 + 21,17 + 29,43 = 71,3 ⁰C.

Сравнение полезных разностей температур ?t_п, полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено ниже:



	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3
?tп во 2-м приближении, град	20,7	21,17	29,43
?tп в 1-м приближении, град	22,77	22,68	25,86

Различия между полезными разностями температур по корпусам в 1-м и 2-м приближениях превышает 5%. Значит необходимо выполнять следующее, 3-е приближение, взяв за основу расчета ?t_п из 2-го приближения.

Третье приближение.

Параметры	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	0,417	0,433	0,463
Концентрация растворов x, %	6,1	10,2	36
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг1, 0C	155,4	-	-
Полезная разность температур ?tп, град	20,7	21,17	29,43
Температура кипения раствора tк = tг - ?tп, 0C	134,7	110,92	75,99
Температура вторичного пара tвп = tк - (?' + ?''), 0C	133,09	106,42	42,2
Давление вторичного пара Pвп, МПа	0,2968	0,1272	0,0083
Температура греющего пара tг = tвп - ?''', 0C	-	132,09	105,42

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q₁ = 1,03 [1,5 • 3,78 (134,7 - 134,09) + 0,417 (2730 - 4,19 • 134,7)] = 934;

Q₂ = 1,03 [1,083 • 3,75 (110,92 - 134,7) + 0,433 (2690 - 4,19 • 110,92)] = 893;

Q₃ = 1,03 [0,65 • 3,71 (75,99 - 110,92) + 0,463 (2574,6 - 4,19 • 75,99)] = 989.

Расчет коэффициентов теплопередачи приводит к следующим результатам [в Вт / (м² • К)] :

К₁ = 1655;

К₂ = 1541;

К₃ = 1297.

Распределение полезной разности температур:

?t_п1 = 71,3 • 934/1655 / (934/1655 + 893/1541 + 989/1297) = 21,11 град;

?t_п1 = 71,3 • 893/1541 / (934/1655 + 893/1541 + 989/1297) = 21,67 град;

?t_п1 = 71,3 • 989/1297 / (934/1655 + 893/1541 + 989/1297) = 28,52 град.

Проверка суммарной полезной разности температур:

??t_п = 21,11 + 21,67 + 28,52 = 71,3 ⁰C.

	Корпус 1	Корпус 2	Корпус 3
?tп в 3-м приближении, град	21,11	21,67	28,52
?tп во 2-м приближении, град	20,7	21,17	29,43

Различия между полезными разностями температур по корпусам во 2-м и 3-м приближениях не превышают 5%.

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F₁ = 934000 / (1655 • 21,11) = 26,7 м²;

F₂ = 893000 / (1541 • 21,67) = 26,7 м²;

F₃ = 989000 / (1297 • 28,52) = 26,7 м².

По ГОСТ 11987 - 81 [2] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена Fн	40 м2
Диаметр труб d	38 X 2 мм
Высота труб H	3000 мм
Диаметр греющей камеры dк	800 мм
Диаметр сепаратора dс	1200 мм
Диаметр циркуляционной трубы dц	500 мм
Общая высота аппарата Hа	11000 мм
Масса аппарата Mа	3000 кг

5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Толщину тепловой изоляции д_и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

б_в (t_ст2 - t_в) = (л_н / д_и) (t_ст1 - t_ст2),

где б_в = 9,3 + 0,058 t_ст2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт / (м² • К) [6];

t_ст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, t_ст2 выбирают в интервале 35 - 45 ⁰C;

t_ст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре греющего пара t_г1;

t_в - температура окружающей среды (воздуха), ⁰C;

л_н - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт / (м • К).

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:

б_в = 9,3 + 0,058 • 40 = 11,6 Вт / (м² • К).

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста) [10], имеющий коэффициент теплопроводности л_н=0,09 Вт / (м•К). Тогда получим

д_и = 0,09 (155,4 - 40,0) / [11,6 (40,0 - 20,0)] = 0,045 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,045 м и для других корпусов.

5.3 РАСЧЕТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 ⁰C). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры (диаметр и высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

5.3.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

G_в = w₃ (I_бк - c_вt_к) / [c_в (t_к - t_н)],

где I_бк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

t_н - начальная температура охлаждающей воды, ⁰C;

t_к - конечная температура смеси воды и конденсата, ⁰C.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3 - 5 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

t_к = t_бк - 3,0 = 41,2 - 3,0 = 38,2 ⁰C.

Тогда

G_в = 0,463 (2574000 - 4,19 • 10³ • 38,2) / [4,19 • 10³ (38,2 - 20)] = 14,66 кг/с.

5.3.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяют из уравнения расхода:

d_бк = v[4w₃ / (срv)],

где с - плотность паров, кг/м³;

v - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров v = =15 - 25 м/с. Тогда

d_бк = v[4 • 0,463 / (0,047 • 3,14 • 20)] = 0,8 м.

По нормалям НИИХИММАШа [11] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром d_бк = 800 мм.

5.3.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [11], внутренний диаметр барометрической трубы d_бт равен 300 мм. Скорость воды в барометрической трубе

v = 4 (G_в + w₃) / срd_бт² = 4 (14,66 + 0,463) / (1000 • 3,14 • 0,3²) = 0,214 м/с.

Высота барометрической трубы

H_бт = B / с_вg + (1 + ?о + л H_бт / d_бт)v_в² / 2g + 0,5,

где B - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

?о - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

л - коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

В = P_атм - P_бк = 9,8 • 10⁴ - 0,8 • 10⁴ = 9 • 10⁴ Па;

?о = о_вх + о_вых = 0,5 + 1,0 = 1,5,

где о_вх, о_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения л зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Re = v_вd_бтс_в / м_в = 0,214 • 0,3 • 1000 / (0,54 • 10^-3) = 118889.

Для гладких труб при Re = 118889 коэффициент трения л = 0,017 [1].

Получим:

H_бт = 9 • 10⁴ / (1000 • 9,8) + (1 + 1,5 + 0,017 H_бт / 0,3) 0,214² / (2 • 9,8) + 0,5.

Отсюда находим H_бт = 9,7 м.

5.4 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА

Производительность вакуум-насоса G_возд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

G_возд = 2,5 • 10^-5 (w₃ + G_в) + 0,01 w₃,

где 2,5 • 10^-5 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда

G_возд = 2,5 • 10^-5 (0,463 + 14,66) + 0,01 • 0,463 = 5 • 10^-3 кг/с.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

V_возд = R (273 + t_возд) G_возд / (M_воздP_возд),

где R - универсальная газовая постоянная, Дж / (кмоль • К);

M_возд - молекулярная масса воздуха, кг / кмоль;

t_возд - температура воздуха, ⁰C;

P_возд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению

t_возд = t_н + 4 + 0,1 (t_к - t_н) = 20 + 4 + 0,1 (38,2 - 20) = 25,82 ⁰C.