Процессы и аппараты химических технологий

 

Количество тепла, расходуемое  на выпаривание раствора во втором корпусе:

.     (1.31)

 

 

12. Коэффициент теплопередачи от  конденсирующего насыщенного водяного пара к кипящему раствору определяется по формуле:

                                               (1.32)

где - коэффициент теплоотдачи от конденсирующего насыщенного водяного пара к греющим трубам,  Вт/м^2.0С, кДж/м^2.час^.0С ;

- коэффициент теплоотдачи от  стенок греющих труб к кипящему раствору, Вт/м^2.0С, кДж/м^2.час^.0С ;

-толщина накипи на стенках  греющих труб, м ;

-толщина стенок греющих труб, м ;

-теплопроводность накипи, Вт/м^.0С, кДж/м^.час^.0С ;

-теплопроводность греющих труб, Вт/м^.0С , кДж/м^.час^.0С .

Значения коэффициентов  теплоотдачи от конденсирующегося  насыщенного пара к стенкам труб в греющих камерах выпарных аппаратов изменяются в пределах от 9 000 до 15 000 Вт/м^{2 . 0}С и не оказывают значительного влияния на коэффициент теплопередачи, величина которого определяется коэффициентом теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору и термическими сопротивлениями материала греющих труб и накипи. Принимаем значения коэффициентов теплоотдачи и среднюю толщину накипи = 
= 0,0005 м, коэффициент теплопроводности накипи = 2,32 Вт/м²×⁰С.

Для стальных греющих труб размером 38 х 3,0 мм (сталь марки Ст. 3) коэффициент теплопроводности .

Коэффициент теплоотдачи от стенок греющих труб к кипящему раствору изменяется в пределах 700-15 000 Вт/м^2.ОС в зависимости от концентрации раствора. С увеличением концентрации раствора - снижается. Рекомендуется принимать для растворов концентраций:

 

С_Р = 15-25%      -      = 2 500 – 2 000 Вт/м^2.ОС ,

С_Р = 25-35%      -      = 2 000 – 1 500 Вт/м^2.ОС ,

С_Р > 35%           -       = 1 500 – 700 Вт/м^2.ОС .

Предварительно принимаем коэффициент  равным =1000 Вт/м^2.ОС.

Определяем коэффициент  теплопередачи от конденсирующегося  насыщенного водяного пара к кипящему 40% раствору NaOH:

             .     

Удельная тепловая нагрузка во втором корпусе:

                      .       (1.33)

По уравнению:

                          ,                           (1.34)

проверяем принятый коэффициент  теплоотдачи от стенок греющих труб к кипящему раствору:

                 ,     

который совпадает здесь  с принятым ранее.

Здесь: - коэффициент, зависящий от свойств раствора, определяемый по экспериментальным данным [1].

13. Поверхность нагрева  второго корпуса определяется  из уравнения:

                      ,          (1.35)

где 0,278 – переводной коэффициент, кДж/ч^.Вт.

Количество воды, выпариваемой в 1 корпусе:

.        

Количество раствора, поступающего из первого во второй корпус:

                          .       (1.36)

Расход греющего пара, поступающего в первый корпус, учитывая, что будет равен:

          

Количество тепла, расходуемое  на выпаривание раствора в первом корпусе:

                      .      

Коэффициент теплопередачи  в первом корпусе определяем, исходя из принятого условия, что Q₁ = Q₂  и распределения полезной разности температур по корпусам:

                       .       (1.37)

Поверхность нагрева  первого корпуса в первом приближении:

                                 .        

Количество воды, выпариваемое установкой, по результатам расчета  в первом приближении составит

                          .       (1.38)

Рассчитанное количество выпариваемой воды оказалось меньше, чем следует по заданию, а поверхности нагрева выпарных аппаратов отличаются друг от друга на 23,7%.

14. Для получения более  точных значений поверхностей  нагрева проводим расчет во  втором приближении, принимая  за исходные данные результаты первого приближения.

 

1.1.2. Расчет во втором приближении

 

Для этого делаем перерасчет количеств выпариваемой воды по корпусам, учитывая, что

Тогда количество воды, выпариваемое в первом корпусе:

                          ,        

во втором корпусе:

                          .        

 

В результате расчета  во втором приближении получим поверхности  нагрева:

в первом корпусе: ,

во втором корпусе: ,

которые отличаются друг от друга менее, чем на 3 %.

Средняя поверхность  нагрева:

                               .        

Удельный расход  греющего пара:

                              .         (1.39)

 

 

  1.2 Расчет выпарного аппарата

 

 По рассчитанной  поверхности нагрева и в соответствии  с ГОСТ 11987-66 определяем основные размеры выпарных аппаратов.

1. Количество греющих труб в выпарных аппаратах:

                    ,           (2.1)

где d_СР = 0,035 м – средний диаметр труб;

h_ТР = 3,0 м – длина труб.

Таким образом, в греющей  камере должны быть расположены 227 труб размером 38 х 3 х 3000 мм. Разбивку и размещение трубок выполняем согласно ГОСТ 11987-66 . Располагаем трубы по вершинам правильных шестиугольников. Шаг разбивки t = 48 мм.

 

Количество труб, расположенных  по диагонали наибольшего шестиугольника:

                          .           (2.2)

Диаметр греющей камеры:

                   ,         (2.3)

где d_Н – наружный диаметр греющих труб, м.

Площадь поперечного  сечения греющей камеры:

                                      (2.4)

Площадь поперечного  сечения циркуляционной трубы:

                                          (2.5)

Диаметр циркуляционной трубы:

                                           (2.6)

Выбираем по ГОСТ 11987-66 ближайшие диаметры греющей камеры и циркуляционной трубы к рассчитанным:

                                          D_К = 1000мм ,

                                          D_Ц = 700 мм .

2. Расчет парового пространства сепаратора.

Объем парового пространства:

,          (2.7)

где W_II – количество выпаренной воды во втором корпусе, равное количеству вторичного пара, поступающему в конденсатор, кг/час ;

-  плотность пара при Р_ВТII, кг/м³ ;

   -  напряжение парового  пространства, м³/м³ч.

Напряжение парового пространства определяется в зависимости от давления в аппарате. Причем, с увеличением давления напряжение парового пространства уменьшается.

Исходя из условия  взаимозаменяемости выпарных аппаратов, определяем объем парового пространства во втором корпусе, т.е. при Р_ВТII = 0,018 МПа.

При этом давление = 0,104 кг/м³.

Напряжение парового пространства при давлении 0,01-0,02 МПа при кипении растворов принимается в пределах 16000-10000 м³/м³ч.

Принимаем:

Диаметр сепаратора определим  по допустимой скорости пара в сепараторе:

.                            (2.8)

Тогда диаметр сепаратора определяется по формуле:

  ,                            (2.9)

при W_П = 3,5 м/с,

                                                        (2.10)

По ГОСТ 11987-66 принимаем  диаметр сепаратора D_С =1200 мм.

Высота парового пространства практически принимается в пределах: Н = (1,0-1,25) D_С. Принимаем высоту парового пространства Н = 1000 мм.

 

1.3. Расчет барометрического конденсатора

 

1. Расход охлаждающей  воды:

                                  ,                            (3.1)

где t_ВК, t_ВН – конечная и начальная температуры охлаждающей воды, ⁰С ;

i   -  энтальпия вторичного пара, кДж/кг ;

С_В-  теплоемкость воды, кДж/кг^.0С.

Принимаем, что t_ВК = t_КОНД – 3,0 = 60 – 3,0 = 57 ⁰С , t_ВН  = 20 ⁰С,

                                   

 

2. Диаметр барометрического конденсатора:

                             ,          (3.3)

где     - плотность пара при температуре конденсации t_КОНД ;

W_ПК – скорость пара в конденсаторе, которая принимается W_ПК = 30-50 м/с, = 0,0979кг/м³ – при температуре конденсации t_КОНД= 57 ⁰С.

Тогда

                       .

По таблице  выбираем D_Б = 500 мм.

3. Диаметр барометрической  трубы:

                                 ,                            (3.4)

где W – скорость воды в барометрической трубе, принимаемая  1,0-1,2 м/с.

                          .

По таблице и ГОСТ 8734-58 принимаем трубу Ǿ 125 х 3 мм.

4. Высота барометрической  трубы:

.                            (3.5)

Высота столба в барометрической  трубе:

                            ,                            (3.6)

где В – разряжение в конденсаторе, мм рт.ст.

 

Высота столба воды, создающего динамический напор:

                                 ,           (3.7)

при Re ≤ 10⁵     .

Принимаем = 0,026;  Н_I = h _З + 0,5 м ;

                    

                           Н = 8,78 + 0,24+ 0,5 = 9,52 м.

 

1.4. Выбор вакуум-насоса

 

Количество воздуха, отсасываемого  из конденсатора:

                      ,                            (4.1)

                  .

Объем отсасываемых газов:

                     ,          (4.2)

где t_Г – температура воздуха, отсасываемого из конденсатора.

                         ,                             (4.3)

t_ВК, t_ВН   -  конечная и начальная температуры охлаждающей воды, ^ОС:

                       t_Г = 20 + 0,1(57 – 20) = 23,7 ^ОС;

Р = Р_К – Р_П  - парциальное давление отсасываемого воздуха;         (4.4)

Р_К – давление в конденсаторе, МПа;

Р_П – парциальное давление пара в воздухе, которое принимается равным давлению насыщенного пара при t_Г, МПа.

В нашем случае: Р_П = 0,00309 МПа.

Тогда Р_Г = 0,015 – 0,00309 = 0,0119 МПа.

Объем отсасываемых газов:

                   

Для отсасывания рассчитанного  количества газов устанавливаем  водокольцевой  вакуум-насос  ВВН-0,75  по  ГОСТ  1867-57.

 

1.5. Расчет подогревателя исходного раствора

 

Поверхность нагрева  подогревателя:

                                         ,          (5.1)

где Q – тепло на подогрев раствора до температуры кипения.

            ,         (5.2)

здесь t_Н – начальная температура, равная температуре раствора в хранилище, ⁰С;

 t_Н1 – температура кипения раствора при концентрации Х_Н=7 % масс:

 t_Н1= 102 ⁰С.

Начальную температуру  принимаем t_Н = 20 ⁰С.

Средняя движущая сила

              .         (5.3)

Коэффициент теплопередачи  К от конденсирующегося пара к  раствору принимается в пределах от 800 до 3 500 Вт/м^2.0С. Принимаем К = 1000 Вт/м^2.0С = 3600 кДж/м^2.ч^.0С .

Поверхность нагрева: