Тепловой расчет выпарной установки

Тепловой расчет

1. Производим тепловой расчет в первом приближении.

Количество воды, выпариваемой всей установкой:

где G_о - количество исходного раствора, кг/ч; b_о - начальная концентрация, %; b_к - конечная концентрация раствора, %.

На 1 кг начального раствора выпарено

, кг/кг р-ра.

Количество воды, выпариваемое по корпусам, предварительно принимаем одинаковым;

W=idem

Концентрация раствора на выходе i-ой ступени:

или

2. Примем в первом приближении одинаковые перепады давлений по корпусам и найдем давления в корпусах

Давление вторичного пара по корпусам:

3. Полная разность температур для всей установки

где t^I_Г - температура греющего пара в 1-ом корпусе при заданном давлении. Находится по р_р1 на линии насыщения; = f(р_п3) - температура вторичного пара на выходе 3-й ступени (температура пара в конденсаторе при давлении в конденсаторе). Температуры взяты по таблицам насыщенных водяных паров М.П. Вукаловича.

Потери общей разности температур определяем как сумму депрессионных физико-химических потерь, потерь от гидростатического эффекта и гидравлических потерь в трубопроводах.

Потери температур в установке:

где ?_jⁱ - потери температурного напора по ступеням.

а) У?₁ - потери общей разности температур за счет физико-химической депрессии. Для i-ой ступени:

где Т - температура кипения воды при данном давлении, К; r - теплота парообразования при данном давлении, кДж/кг; ?ⁱ_1Н - нормальная температурная депрессия (при нормальном давлении 760 мм рт. ст.); определяется по таблицам 2.22, 2.24 ¦7¦, определена экспериментально и затабулирована для различных веществ.

Или ?₁ⁱ определяется по упрощенной формуле Тищенко

,

где К = f(t) - поправочный коэффициент, принимается по табл. 2.2 ¦7¦.

Общие депрессионные физико-химические потери определяются по формуле:

б) У?₂ - потери от гидростатического эффекта; зависят от высоты уровня раствора, плотности с парожидкостной эмульсии и скорости циркуляции.

Для i-ой ступени:

где t_к.с.в - температура кипения воды при давлении ; t_к.в - температура кипения воды при давлении р_вт; р_вт - давление вторичного пара над раствором; ?р_г - гидростатическое давление раствора у середины греющих труб.

Давление раствора в середине греющих труб больше, чем давление пара на величину с_эgh.

Определяем гидростатическое давление раствора у середины греющих труб ?р_г :

,

где ; с_i - плотность раствора в зависимости от его концентрации, находится по графику 2.9 или таблицам 2.21, 2.23 ¦7¦; h - расстояние от верхнего уровня раствора до середины греющих труб; h_изб - расстояние от уровня раствора до трубной доски, принимаем 0,25-0,5 м; h_тр - высота греющих труб, принимается 3-5 м.

Давление вторичного пара по корпусам было определено выше.

Давление растворов у середины греющих труб:

Общие потери за счет гидростатического эффекта:

в) Гидравлическая температурная депрессия связана с потерями давления при движении пара по трубопроводам. В выпарных установках гидравлические потери при прохождении пара из парового пространства предыдущего корпуса в греющую камеру последующего составляют 1,0-1,5 ^оС. Принимаем

^оС

Общие гидравлические потери: = 3 ^оС.

4. Полезная разность температур для всей установки:

Будем проектировать установку исходя из равенства поверхностей нагрева по ступеням установки, тогда суммарная полезная разность температур должна быть распределена по ступеням пропорционально отношениям тепловых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.

Из практических данных эксплуатации установок известно:

К_I : К_II : К_III = 1 : 0,7 : 0,4

Примем при этом, что количество тепла, передаваемое через греющую поверхность будет равным для всех корпусов: Q_I = Q_II = Q_III.

Тогда полезная разность температур i-ой ступени:

При наших допущениях имеем:

; ;

Проверить (округлить), чтобы .

5. Температура кипения раствора у середины греющих труб и у верхнего уровня в 1-ой ступени:

Температура вторичного пара в 1-ой ступени:

Температура кипения раствора у середины греющих труб

Температура греющего пара во 2-ой ступени:

и у верхнего уровня во 2-ой ступени:

Температура вторичного пара во 2-ой ступени:

Температура греющего пара в 3-ей ступени:

Температура кипения раствора у середины греющих труб и у верхнего уровня в 3-ей ступени:

Температура вторичного пара в 3-ей ступени:

Температура пара в конденсаторе:

Полезные перепады температур должны быть не менее

10-15 ^оС при ? 2^.10^-6 Па^.с,

18-24 ^оС при 2^.10^-6 < < 5^.10^-6 Па^.с

где - динамический коэффициент вязкости раствора при средней концентрации. Необходимо следить, чтобы перепады температур были одинаковые ±0,01 ^оС.

По температурам паров находим в таблицах М.П. Вукаловича давления и энтальпии паров и конденсата, а по концентрациям растворов определяем теплоемкости и интегральные теплоты растворения (берем из графиков), полученные данные сводим в таблицу.

6. Удельный расход пара на выпаривание 1 кг раствора без учета теплоты дегидратации и равенстве = 1 коэффициента самоиспарения во всех корпусах

кг/кг р-ра

в₁ = 0, если раствор вводят в 1-ую ступень с температурой кипения.

; -

это коэффициенты самоиспарений.

;

Расход пара на 1, 2 и 3 ступени, кг/с:

, кг/с

Расходы пара можно подсчитать и следующим образом. Расчет начинаем с 3-ей ступени.

где k_зап = 1,03 - коэффициент, учитывающий потери тепла аппаратом в окружающую среду; с_нi , с_кi - теплоемкости раствора при начальной и конечной концентрации раствора в ступени аппарата (по составленной нами таблице); ?q_Rⁱ - разность интегральных теплот растворения вещества между существующей и предыдущей концентрациями растворов (по рис. ? или табл. ? )

-

количество раствора, перетекающего из одной ступени в другую. Таким образом:

- для 1 ступени;

- для 2 ступени;

- для 3 ступени.

7. Количество теплоты, передаваемой через поверхность нагрева i-го корпуса

, кВт

8. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору

где - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенкам труб в греющей камере i-ой ступени. Его значение обычно (7ч15)^.10³ Вт/(м^2.К).

= 2-3-5 ^оС. Принять и проверить.

Схема расчета: принять t_ст> б₁ > k. Должно осуществляться равенство:

.

Если равенство не выполняется, то надо менять t_ст.

 - коэффициент теплоотдачи от стенок греющих труб к кипящему раствору i-ой ступени. Определим его по формуле Л.С. Стермана:

q_i = (8ч10)^.10³ Вт/м² - удельная тепловая нагрузка. Мы принимаем ее и тут же проверяем, пока на будет достигнута принимаемая точность. Схема: задались q > б₂ > новые значения

.

Если q?q^? , то задаться новым.

9. Ориентировочные значения поверхности нагрева i-го корпуса:

Если F_i далеки друг от друга, или W₁?D₂ , а W₂?D₃ , то сделать перерасчет.

Произведем перерасчет количества воды, выпариваемой по ступеням:

в 1-ой ступени:

во 2-ой ступени:

в 3-ой ступени:

Для получения более точного значения поверхностей нагрева произведем расчет во втором приближении.

Концентрации растворов:

в 1-м корпусе

Общая разность температур находится по той же формуле, что и в первом приближении.

Гидростатические давления растворов у середины греющих труб:

Плотности с_i взяты при новых концентрациях растворов по корпусам.

Давления вторичных паров по корпусам будут те же, что в первом приближении.

Давления растворов у середины греющих труб пересчитываются по известной формуле:

Далее все пересчитываем по уже известным формулам, но подставляя новые значения, полученные при пересчете.

Все полученные данные сводим в таблицу, как и при расчете в первом приближении.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТА

По табл. 2.16 |7| принимаем поверхность нагрева F; диаметр корпуса аппарата D_вн . Число труб в греющей камере:

,

где Н_тр - длина (высота) трубки, м. Н_тр = 3 м - подвесная камера; Н_тр = 4 м - с выносным сепаратором; d_ср - средний диаметр трубок, d = 38ч50 мм.

Произведем расчет штуцеров выпарного аппарата. Диаметр штуцера определим по формуле

,

где - объемный расход теплоносителя, м³/сек; G - массовый расход теплоносителя, кг/ч; г - плотность пара, кг/м³; w - скорость пара, м/сек.

Скорость пара принять 20-40 м/сек.

Расчеты сводим в табл.

Таблица расчетов штуцеров выпарной установки