Выпарка. 4 расчет выпарного аппарата. 4. 1 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата
![]()
|
![]() 4.1 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппаратаПоверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи: ![]() где, ![]() ![]() ![]() Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи, полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрацию растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находятся методом последовательных приближений. Первое приближение: Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса: ![]() где, ![]() ![]() ![]() ![]() Получаем: ![]() Определим массовый расход начального раствора: ![]() ![]() 4.1.1 Концентрации упариваемых растворов В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением: ![]() где ![]() ![]() Тогда получаем: ![]() ![]() ![]() ![]() Рассчитываем составы растворов в корпусах по формуле: ![]() где ![]() Получаем: ![]() ![]() 4.1.2 Выбор давления греющего пара Рассчитываем температуру греющего пара по формуле: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Исходя из концентрации выпариваемого компонента в последнем корпусе, находим температурную депрессию [1]: ![]() Примем, что гидравлическая депрессия во всех корпусах равна 1ºС. Примем, что ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Эта температура греющего пара соответствует давлению греющего пара равному ![]() ![]() Находим общий перепад давлений в установке: ![]() где ![]() ![]() ![]() Давления греющих паров в корпусах равны: ![]() ![]() ![]() По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [6] и заносим в таблицу 4.1. Таблица 4.1 – Температуры и энтальпии греющих паров выпарной установки
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. Принимаем гидравлическую депрессию равной 1ºС. Температуры вторичных паров в корпусах рассчитываются по формуле: ![]() где Δ"' – гидравлическая депрессия. Принимаем гидравлическую депрессию равной 1ºС. ![]() ![]() По температурам вторичных паров определим их давления [6]. Результаты сведем в таблицу 4.2. Таблица 4.2 – Температуры и давления вторичных паров выпарной установки
![]() где ri– теплота парообразования вторичного пара при температуре вторичного пара, Дж/кг: ![]() ![]() Примем ![]() ![]() ![]() По ГОСТ 11987-81 [7] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной зоной кипения (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре ![]() Определим температурную депрессию по уравнению: ![]() где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; ![]() ![]() По справочной литературе [1] определим ![]() ![]() Получаем: ![]() ![]() Сумма температурных депрессий равна: ![]() Температуры кипения растворов в корпусах рассчитываем по формуле: ![]() Находим температуры кипения растворов: ![]() ![]() 4.1.3 Расчет температуры перегрева раствора Расчет температуры перегрева раствора производится по формуле: ![]() Расчет температуры перегрева для 1-ого корпуса: ![]() где ![]() ![]() св – теплоемкость воды при ![]() ![]() ![]() ![]() tкип ж – температура кипения раствора при хн = 14%, ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() v – скорость циркулирующего раствора, м/с. В аппаратах с естественной циркуляцией v = 0,6 – 0,8 м/с. Принимаем v = 0,7 м/с. S1 – сечение потока в аппарате, м². Рассчитывается по формуле: ![]() где ![]() ![]() ![]() Отсюда рассчитаем массу циркулирующего раствора: ![]() ![]() ![]() Получаем: ![]() св = 4,292 кДж/кг·К [1] ![]() tкип ж = 102 ![]() ![]() Расчет температуры перегрева для 2-ого корпуса: ![]() где ![]() ![]() св– теплоемкость воды при ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Отсюда рассчитаем массу циркулирующего раствора: ![]() ![]() ![]() Получаем: ![]() св = 4,19 кДж/кг [1] ![]() ![]() 4.1.4 Расчет полезной разности температур Полезные разности температур по корпусам находим по формуле: ![]() где ![]() ![]() Получаем: ![]() ![]() Общая полезная разность температур равна: ![]() 4.1.5 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: ![]() ![]() ![]() где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потери тепла в окружающую среду; с1, с2 – теплоемкости растворов в корпусах, кДж/(кг·К); ![]() ![]() Q1конц,Q2конц –теплоты концентрирования по корпусам, кВт; ![]() tн – температура кипения исходного раствора, °C; Принимаем, что ![]() Поскольку Q1конц,Q2конц малые величины, то можно ими пренебречь, получим систему уравнений: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Решение этой системы уравнений дает следующие результаты: ![]() Результаты расчета сведем в таблицу 4.3: Таблица 4.3 – Результаты расчета
4.2 Выбор конструкционного материала Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора ![]() ![]() 4.3 Расчет коэффициентов теплопередачи Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений: ![]() где ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() Получим: ![]() ![]() ![]() ![]() Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен: ![]() где ![]() Физические характеристики конденсата, входящие в коэффициент теплоотдачи, находим при температуре пленки, равной: ![]() где ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Расчет коэффициента ведут методом последовательных приближений, тогда: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение: ![]() где q– удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; ![]() ![]() Из этого уравнения следует: ![]() Получаем: ![]() Рассчитываем разность между температурой стенки со стороны раствора и температуры нагретого раствора по формуле: ![]() Получаем: ![]() Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору для его нагрева, без изменения агрегатного состояния, в вертикальных трубках находится по формуле: ![]() где Nu – критерий Нуссельта. Рассчитывается по уравнению: ![]() Физические характеристики растворов, входящие в критерии подобия, находим при средней температуре потока, равной ![]() ![]() Pr – критерий Прандтля. Рассчитывается по формуле: ![]() где с – теплоемкость раствора при tср, Дж/кг·К; ![]() ![]() dвн – внутренний диаметр трубы, м; Re – критерий Рейнольдса. Рассчитывается по формуле: ![]() ![]() Физические свойства нагретых растворов NaOH [6] приведены в таблице 4.4. Таблица 4.4 – Физические свойства кипящего раствора NaOH
Подставляя численные значения, получаем: ![]() Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: ![]() ![]() Как видно q/≠q//, проводим второе приближение, примем ![]() Рассчитываем коэффициент теплоотдачи, пренебрегая изменением свойств конденсата при изменении температуры на градус: ![]() Получим: ![]() ![]() Проверим правильность второго приближения по равенству удельных тепловых нагрузок: ![]() ![]() ![]() Как видно q/≈q//, поэтому рассчитываем коэффициент К1: ![]() Пользуясь формулами приведенными ранее, рассчитываем коэффициент теплопроводности во втором корпусе, для этого находим коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке, принимая что ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Как видно q/≠q//, проводим второе приближение, примем ![]() Примем во внимание изменение физических свойств конденсата при изменении температуры на 6°С: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Как видно q/≈q//, поэтому рассчитываем коэффициент К2: ![]() 4.4 Распределение полезной разности температур Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи: ![]() где, ![]() ![]() ![]() Подставляя численные значения в формулу, получаем: ![]() ![]() Проверим общую полезную разность температур установки: ![]() ![]() Рассчитываем поверхность выпарных аппаратов по формуле: ![]() Подставляя численные значения в формулу получаем: ![]() ![]() Найденные значения мало отличаются от ориентировочно определенной раннее поверхности Fор . Коррективы в изменение конструктивных размеров аппаратов вводиться не будут. Сравнение распределенных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур Δtп представлено в таблице 4.5. Таблица 4.5 – Сравнение распределенных Δtп
|