Расчет барометрического конденсатора

 

2.1 Расчёт концентраций выпариваемого раствора

 

Производительность установки  по выпариваемой воде определяем по формуле: 
,

Где W – производительность по выпаренной воде, кг/с;

-производительность по исходному раствору, кг/с;

-количество упаренного раствора, кг/с;

a – соответственно начальная и конечная концентрации раствора, масс. доли,

 

 

На основании практических данных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами в соотношении

 

 

Тогда:

Проверка:

W₁+W₂+W₃= W=3,472+3,819+4,167=11,458 кг/с.

Рассчитываем концентрации растворов  в корпусах:

Концентрация  раствора в третьем корпусе x соответствует заданной концентрации упаренного раствора 60 масс, %.

 

2.2 Определение температур кипения раствора

 

Температура кипения раствора в  корпусе определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса и температурных потерь

 

 

где  – соответственно температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, °C.

Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆P распределяется между корпусами поровну:

По давлению греющего пара находим  его температуру и теплоту  парообразования rг1(табл. 2.1) по корпусам.

 

Таблица 1.1 – Температуры и теплоты парообразования

Давление кгс/м	Температура, ºС	Теплота парообразования, кДж/кг
PГ1=6,303	tГ1=160	rГ1=2089
PГ2=4,2365	tГ2=145	rГ2=2125
PГ3=2,17	tГ3=95	rГ3=2273
Pбк=0,1033	tбк=49	rбк=2382,26

 

2.3 Определение температурных потерь

Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной , гидростатической и гидродинамической депрессиями.

а) Гидродинамическая депрессия  вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений  трения и местных сопротивлений  паропроводов при переходе из корпуса  в корпус. Обычно в расчётах принимают  = 1,0 – 1,5 ºС на корпус. Примем  = 1 ºС, тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

Сумма гидродинамических депрессий:

 

 ºС

 

По температурам вторичных  паров определим их давления и  теплоты парообразования (табл. 2.2).

 

Таблица 1.2 – Давления и теплоты парообразования

Температура,ºС	Давление, МПа	Теплота парообразования, кДж/кг
tвп1=146	Pвп1=4,3614	rвп1=2177
tвп2=96	Pвп2=0,8962	rвп2=2230
tвп3=50	Pвп3=0,1258	rвп3=2367

 

б) Гидростатическая депрессия  обусловливается наличием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата температура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина не может быть точно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причем величина зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб. Приблизительно расчет возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильных труб. Величина определяется как разность температуры кипения в среднем слое труб tкср и температуры вторичного пара (tвп1):

 

  (1.5)

Для того, чтобы определить tкср нужно найти давление в среднем слое (P_ср) и по этому давлению определить температуру в среднем слое (по таблице свойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубах при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора. Плотность раствора (при 100 °С) определяется в зависимости от концентрации раствора в корпусе.

Давление в среднем сечении  кипятильных труб (в МПа) равно  сумме давлений вторичного пара в  корпусе и гидростатического  давления столба жидкости (∆P_ср ) в этом сечении трубы длиной H:

 

P_ср = P_вп + ∆P_ср = P_вп +

 

Для выбора значения H нужно ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 10000 ÷ 30000 Вт/м². Примем q = 10000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно будет равна:

 

 

По ГОСТ 11987—81 для выпарного  аппарата с естественной циркуляцией  и вынесенной греющей камерой  ближайшая будет поверхность – 63 м² при диаметре труб 38x2 мм и длине труб Н = 4000 мм.

Давления в среднем слое кипятильных  труб корпусов равны:

 

 

Этим давлениям соответствуют  следующие температуры кипения  и теплоты парообразования (табл. 1.3):

 

Таблица1.3 – Температуры кипения и теплоты парообразования

Давление, МПа	Температура,ºС	Теплота парообразования, кДж/кг
P1ср = 0,443	t1ср=143,3	r1ср=2155,10
P2ср = 0,104	t2ср=99,1	r2ср=2262,34
P3ср = 0,025	t3ср=60,2	r3ср=2374

 

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам

 

Сумма гидростатических депрессий  составляет:

в) Температурная депрессия определяется по уравнению:

 

,  (1.6)

 

где Т_ср =(t_ср + 273), К;

 – температурная депрессия при  атмосферном давлении, ºС;

 – теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

Определяется величина как разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя (воды) при атмосферном давлении. Температуры кипения раствора при атмосферном давлении в зависимости от концентрации даны в справочной литературе.

Находим значение по корпусам:

Сумма температурных депрессий  равна:

Тогда температуры кипения растворов  по корпусам равны:

 

2.4 Расчёт полезной разности температур

 

Необходимым условием передачи тепла  в каждом корпусе является наличие  некоторой полезной разности температур греющего пара и кипящего раствора.

Полезные разности температур по корпусам равны:

Общая полезная разность температур:

 

Проверим общую полезную разность температур:

2.5 Определение тепловых нагрузок

 

Расход греющего пара в первом корпусе, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки:

Q₁=G_гп·2089·10³=[15,28·3561,5·(153,567-30)+W₁·(2757·10³-4190·153,567)]·1,05 ;

Q₂=W₁·2125·10³=[11,808·3376,721·(114,812-153,567)+W₂·(2702·10³-4190·114,812)]·1,03 ;

Q₃=W₂·2273·10³=[7,989·3363,728·(73,034-114,812)+W₃·(2632·10³-4190·73,034)]·1,03 ;

W₁+W₂+W₃=W=11,458 ;

Решив данную систему получаем:

        W₁=3,61 кг/с ; W₂=3,72кг/с ; W₃=4,02кг/с ;

        G_гп=7,21 кг/с ; Q₁=15072,1кВт ; Q₂=7671,25кВт ; Q₃=8455,56 кВт .

Наибольшее отклонение вычисленных  нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (W₁=3,472 кг/с , W₂=3, 819кг/с W₃=4,167 кг/с ) не превышает 3%, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

	корпуса
	1	2	3
Количество исходного раствора, кг/с	15,28	11,808	7,989
Концентрация исходного раствора, %	15	19,42	28,69
Температура исходного раствора, °C	30	153,567	114,812
Температура упаренного раствора, °C	153,567	114,812	73,034
Теплоемкость исходного раствора, Дж/(кг·К)	3561,5	3367,721	3363,728
Энтальпия ТОричного пара, Дж/кг	2757	2702	2632
Теплота парообразования греющего пара, Дж/кг	2089	2125	2273

Таблица  исходных данных

 

2.6  Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaOH в интервале изменения концентраций от 20% до 80%  и температур от 60 да 180°C [6]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки X20H10T. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности  λ_ст=24,9 Вт/(м·К).

2.7 Расчет коэффициентов теплопередачи

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки λ_ст/δ_ст и накипи λ_н/δ_н . Термическое сопротивление со стороны пара не учитывается.

Принимаем для всех корпусов толщину  слоя накипи δ_н=0,5 мм,          λ_н=3,05 Вт/(м·К), получаем:

∑r=0,002/24,9+0,0005/3,05=2,442·10^-4 м²·К/Вт .

С достаточной степенью точности для  расчета можно принять температуру  пленки конденсата в греющих камерах  выпарных аппаратов равными температурам конденсации греющего пара.

При t_к1=153,567°C       А₁=304·10³ ;

При t_к2=114,812 °C    А₂=291·10³ ;

При t_к3=114,812°C        А₃=283·10³ .

Коэффициент теплоотдачи α₁ от конденсирующегося водяного пара к стенки вертикальных труб в греющих камерах выпарных аппаратов определяем по уравнению (6.19), а коэффициент теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору α₂ – по уравнению (5.63). Необходимые для определения α₂ физико-химические свойства NaOH и водяного пара при температуре кипения приведены в таблице 5.[3; 4;5;6].

 

 

Таблица 5 – Свойства кипящих растворов  NaOH и их паров

Параметр	Корпус
	1	2	3
Температура t, °C	153,567	114,812	73,034
Концентрация x,%	19,41	28,69	60
Теплопроводность раствора     λ, Вт/(м·К)	0,579	0,559	0,509
Плотность раствора ρ, кг/м3	1316	1308	1065
Вязкость раствора μ,мПа·с	7,31	8,12	9,71
Поверхностное натяжение δ,мН/м	85	97	130
Теплоемкость раствора с, Дж/кг·К	3367,721	3363,728	4200
Теплота парообразования r,          к Дж/кг	2177	2230	2367
Плотность пара ρп, кг/м3	2,17	1,02	0,17
Плотность пара при ρпо=105 Па	0,579

 

Определим коэффициент В по уравнению [3]:

 

В=780λ^1,3·ρ^0,5·ρ_п^0,06/δ^0,5·r^0,6· ρ_по^0,66·с^0,3·μ^0,3 ;

В₁=780·0,579^1,3·1280^0,5·2,17^0,06/                                                                           (85·10^-3)^0,5·(2177·10³)^0,6·0,579^0,66·(3367,721)^0,3·(7,31·10^-3)^0,3=7,19 ;

В₂=780·0,559^1,3·1308^0,5·1,02^0,06/                                                                           (97·10^-3)^0,5·(2230·10³)^0,6·0,579^0,66·(3363,728)^0,3·(8,31·10^-3)^0,3=3,71;

В₃=780·0,509^1,3·1545^0,5·0,12^0,06/                                                                           (130·10^-3)^0,5·(2367·10³)^0,6·0,579^0,66·4200^0,3·(9,71·10^-3)^0,3=2,12 .

 

Коэффициент теплоотдачи α₁ при высоте труб H=5м равен:

α₁=А/(q·5)^0,33=0,62А/q^0,33 .

Расчет коэффициентов  теплоотдачи приведен в таблице 6.

Так как в выпарных аппаратах  удельные тепловые нагрузки заранее неизвестны, то их рассчитываем методом последовательных приближений: задаемся различными значениями q, проводим расчет (см таблицу 6) и по результатам расчета строим график q=f(∆t_пол).  Из графика следует, что для предварительных значений полезных разностей температур по корпусам ∆t_пол1 =6,433 °C , ∆t_пол2 =30,188 °C, ∆t_пол3 =21,966 °C удельные тепловые нагрузки соответственно равны:

q₁=5100 Вт/м²;

q₂=17000 Вт/м²;

q₃=13400 Вт/м².

Коэффициенты теплопередачи по корпусам равны:

К₁=q₁/∆t_пол1=792,78 Вт/К·м² ;

К₂=q₂/∆t_пол2=563,14 Вт/К·м² ;

К₃=q₃/∆t_пол3=610,03 Вт/К·м² .

 

 

 

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

∆t_полi=∑∆t_пол·(Q_i/K_i)/∑ Q_i/K_i ;

∆t_пол1=58,587·(15072,1·10³/792,78)/46494,877 =23,95 °C;

∆t_пол2=58,587·(7671,25·10³/563,14)/ 46494,877 =17,16 °C;

∆t_пол3=58,587·(8455,56·10³/610,03)/ 46494,877  =17,46 °C .

Проверка суммарной полезной разности температур:

∆t_пол=∆t_пол1+∆t_пол2∆t_пол3=23,955+17,16+17,46=58,587°C .

Площади поверхностей теплопередачи  выпарных аппаратов:

F= Q_i/( K_i·∆t_полi·3);

F₁=15072,1·10³/729,78·23,95·3=287,44м²;

F₂=7671,25·10³/563,14·17,16·3=264,61м²;

F₃=8455,56·10³/610,3·17,46·3=264,50 м².

По ГОСТ 11987-81 принимаем выпарной аппарат со следующей характеристикой: F=500 м², диаметр труб d=38x2мм, длина труб l=5м, диаметр греющей камеры D=1600 мм (не менее), диаметр сепаратора D₁=4500 мм (не более), диаметр циркуляционной трубы D₂=1200 мм (не более), высота аппарата H=16500 мм (не более), масса аппарата М=33000 кг (не более).