Технологические расчеты.

3.1 Расчёт выпарного аппарата.

3.1.1. Материальный баланс процесса выпаривания.

Основные уравнения материального баланса:

(1)

(2)

где - массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

х_нач, х_кон – массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с:

кг/с

кг/с

3.1.2. Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы.

3.1.2.1 Определение давления и температуры в выпарном аппарате Р₁, t₁

Абсолютное давление в сепараторе выпарного аппарата:

(3)

где Р_атм – атмосферное давление, ат;

Р_вак – вакуум в аппарате, ат.

ат

По давлению Р₁ найдем температуру вторичного пара в сепараторе t₁, °С;

/ 3, Табл. LVII /

t₁=86.26 °С

3.1.2.2. Определение давления и температуры вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀, t₀

_.

Зададимся значением гидравлической депрессии из промежутка 0.5-1.5 °С:

Dt_г.с.=1 °С

Температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе t₀, °С:

t₀= t₁-Dt_г.с (4)

t₀= 86.26-1=85.26 °С

Давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀, ат, по температуре t₀ / 2, табл. LVII /

Р₀=0.572 ат

Найдём конечную температуру в сепараторе.

Переведём значение давления Р₁ в Па:

Р₁=0.572 ат=5.72 10⁴ Па

Воспользуемся формулой

3.1.2.3. Определение давления в среднем слое выпариваемого раствора Р_ср.

Оптимальная высота уровня Н_опт

Н_опт=(0.26+0.0014­­­­(r_р-r_в)) Н_тр (6)

Где (r_р-r_в) – разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения, если температура кипения неизвестна, то можно взять при t=20°С

Н_тр – рабочая высота труб, м

Плотность раствора r_р, и воды r_в при температуре t=20 °С, и концентрации X_кон

r_в=966.17 кг/м³

r_р=1050.79 кг/м³

Примем Н_тр=6 м, тогда

Н_опт=(0.26+0.0014­­­­(1050.79-966.17)) 6=1.892 м

(6)

Па

Температуру кипения на середине кипятильных труб при Р_ср

3.1.2.4 Определение давления греющего пара.

Зададимся полезной разностью температур Dt_{полезн.}³25 °С

Dt_{полезн.}=30 °С

Найдем температуру конденсации греющего пара t_{конд.гр.п}, °С:

t_{конд.гр.п.}= t_кип+ Dt_{полезн.} (7)

t_{конд.гр.п.}= 91.167+30=121.167 °С

По температуре конденсации греющего пара найдём давление греющего пара Р_гр.п, ат / 2, табл. LVI /

Р_гр.п=1.97 ат

3.1.3 Тепловой баланс выпарного аппарата.

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

Q = Q_нагр+ Q_исп+ Q_пот (8)

где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;

Q_нагр – расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

Q_исп– расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

Q_пот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;

3.1.3.1. Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Q_пот при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (Q_нагр+ Q_исп).. Следовательно:

Q = 1.05 (Q_нагр+ Q_исп)

Температуру исходного раствора t_нач, поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 2°С меньше t_кон:

t_нач= t_кон-2

t_нач=84.27-2=82.27 °С

3.1.3.2 Расход теплоты на нагрев:

Q_нагр= G_нач с_нач (t_кон-t_нач) (10)

где G_нач – производительность по разбавленному раствору

с_нач – удельная теплоёмкость раствора при t_нач и начальной концентрации Х_нач, Дж/(кг К) (Приложение 2, п.3)

с_нач=4.125 10³ Дж/(кг К)

Q_нагр= 1.944 4.125 10³(84.27-82.27)=1.604 10⁴ Вт

3.1.3.3 Расход теплоты на испарение:

Q_исп=W×(i_вт.п - с_в×t_кон) (11)

где i_вт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t₁, из таблицы / 2, табл.LVI /, кДж/кг;

с_в – удельная теплоёмкость воды при t_кон, (Приложение 2, п.3) Дж/(кг К)

i_вт.п =2642 кДж/кг,

с_в=4208 Дж/(кг К)

Q_исп=1.512×(2642×10³ - 4208×84.27)=3.459×10⁶ Вт

3.1.4. Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата.

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

Q=K F Dt_{полезн.} (12)

где К – коэффициент теплопередачи Вт/(м² К)

F – площадь поверхности теплообмена, м²;

Коэффициент теплопередачи К примем равным 1000 Вт/(м² К)

Тогда:

(13)

м²

3.1.4 Выбор выпарного аппарата по каталогу.

Произведём выбор аппарата по каталогу / 3,приложение 4.2 /. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

F_в.п.=1.2 F

F_в.п.=1.2 121.645=145.97 м²

где F_в.п. – площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м²;

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией, кипением в трубах и вынесенной греющей камерой Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 200 м²;

Таблица 1. Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 1198781)

F, м^2	D, мм не менее	D1, мм не более	D2, мм не более	Н, мм Не более	М, кг не более
l= 4000 мм

F – номинальная поверхность теплообмена;

D – диаметр греющей камеры;

D₁ – диаметр сепаратора;

D₂ – диаметр циркуляционной трубы;

Н – высота аппарата;

М – масса аппарата;

3.2. Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат.

3.2.1. Определение средних температур теплоносителей.

t

t_{конд.гр.п.}

Dt_м

t_нач

Dt_б

t’_нач

F

Рис. 1 Температурная схема

где t’_нач – начальная температура исходного раствора (по заданию)

Dt_б, Dt_м – большая и меньшая разность температур соответственно, °С; t_нач – температура исходного раствора после подогревателя, °С;

Dt_б = t_{конд.гр.п} – t’_нач (14)

Dt_б = 121.167 – 40 = 81.17 °С

Dt_м = t_{конд.гр.п} – t_нач (15)

Dt_м = 121.167 – 82.27 = 38.89°С

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:

(16)

°С

Средняя температура раствора:

t_ср.р = t_{конд.гр.п} – Dt_ср (17)

t_ср.р =121.167 – 57.46=63.71 °С

3.2.2. Тепловой баланс подогревателя.

Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t’_нач до температуры t_нач найдем по формуле (10), приняв значение теплоёмкости раствора при температуре и коцентрации Х_нач

Q=1.944 4.107 10³ (82.27-40)=3.375 10⁵ Вт

Расход греющего пара G_гр.п. найдём по формуле:

(18)

где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;

c - степень сухости пара;

c=0.95

Удельная теплота парообразования при температуре t_{конд.гр.п.} / 2, табл. LVI /:

r=2203966 Дж/кг

кг/с

3.2.3. Расчеты вариантов подогревателя.

Для расчёта поверхности теплообменного аппарата запишем уравнение теплопередачи:

Q=K F Dt_ср (19)

где К – коэффициент теплопередачи Вт/(м² К)

F – площадь поверхности теплообмена, м²;

Коэффициент теплопередачи К найдем из выражения:

(20)

где a_кип – коэффициент теплоотдачи кипящего раствора, Вт/(м² К)

a_конд - коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара, Вт/(м² К)

∑r_ст – сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м² К)/Вт

Для подогрева исходного раствора можно выбрать несколько вариантов режима работы подогревателя: с ламинарным и турбулентным режимами течения рассола в трубах теплообменника.

Параметры теплоносителей необходимые для уточнённого расчёта подогревателя

1) Название теплоносителей

· Гр. пар

· Водный раствор

2) расход теплоносителей

· Гр. пар G=0.161 кг/с

· водный раствор G=1.944 кг/с

3) Вид теплового процесса

· Конденсация гр. пара

· Нагрев раствора

4) Расход теплоты Q=3.375 10⁵ Вт

Параметры водного раствора (при tcp)
Начальная температура °С
Конечная температура °С	82.27
Средняя температура °С	63.7
Плотность кг/м^3	984.42 10^3
Вязкость Па с	5.03 10^-4
Теплоёмкость Дж/(кг К)	4.107 10^3
Коэффициент теплопроводности Вт/(м К)	0.657
Коэф. Объёмного расширения, 1/К / 1, табл ХXXIII /	0.496 10^-3
Производные по температуре:
Вязкость	7.334 10^-6
Теплопроводность	1.01 10^-3
Теплоёмкость	0.574

Параметры конденсирующегося теплоносителя при t_{конд.гр.п.})

Тем-ра конденсации t_{конд.гр.п.}, °С 121.17

Плотность конд. кг/м³ 1.129

Вязкость, Па с 2.254 10^-4

Дата добавления: 2015-09-05