2. Технологический расчет.

2.1.Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов.

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = Gн(1-Xн/Хк) = 4,2(1-11/53) = 3,3 Кг/с

2.2 Концентрации упариваемого раствора.

Принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

Тогда

w1 = 1*W/1+1.1 = 1*3.3/1+1.1= 1.57 Кг/с

w2 = 1.1*W/1+1.1 = 1.1*3.3/1+1.1 = 1.73 Кг/с

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

x1= Gнxн/Gн-wy = 4.2*11/4.2-1.57 = 17.58 %

x1= Gнxн/Gн-wy = 4.2*11/4.2-1.57-1.73 = 51.33 %

Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора

2.3. Температура кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

∆P_об =P_г.п1 – P_б.к. =107,8 – 18,2= 89.6 кПа ,

Тогда давления греющих паров в корпусах равны:

P_г.п1=107,8 кПа,

_{Pгп2=Pвп1= Pгп1- ∆Pоб/3= 107,8-89,6/3= 77,93 кПа}

Давление пара в барометрическом конденсаторе

_{Pб.к. = Pгп2 - ∆Pоб/3 = 77,93 - 89,6/3 = 47,43 кПа}

Что соответствует заданному значению.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии :

P, кПа t, ⁰С І, кДж/кг r, кДж/кг

P_г.п1=107,8 t _г.п1=102,2 І₁=2680 r₁=2253

P_г.п2=77,93 t _г.п2=93,2 І₂=2653 r₂=2274

P_б.к.=47,93 t _б.к.=80,1 І _б.к.=2307,7 r_бк=2642,6

Примем для каждого корпуса Δ'''=1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

t _{в.п 1}= t _г.п2+ Δ'''₁ =93,2 + 1 = 94,2 ⁰С,

t _{в.п 2}= t _б.к.+ Δ'''₂=80,1+1 = 81,1 ⁰С

Сумма гидродинамических депрессий:

ΣΔ'''= Δ'''₁+ Δ'''₂ =1+1=2.0 ⁰С.

По температурам вторичных паров определяем их давления. Они равны соответственно (в МПа): P_вп1 = 0.083; P_вп2 = 0.049.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:

P_ср = P_вп + ρgH(1-ε)/2,

где Н - высота кипятильных труб в аппарате, м;

ρ – плотность кипящего раствора, кг/м³;

ε – паронаполнение, м³/м³.

Для выбора значений Н необходимо ориентировочно оценить поверхность (F_ор) теплопередачи выпарного аппарата. При кипение водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20 000-50 000 Вт/м². Примем q = 40 000 Вт/м².

Тогда

F_ор = Q/q =w₁·r₁/q = 1.57·2253·10³ / 40000 = 88.43 м²

По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и составной греющей камерой состоят из кипятильных труб высотой 3 и 4 м при диаметре 38 мм и толщине стенки 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н=3 м.

При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет ε = 0.4-0.6. Примем ε = 0.5. Плотность водных растворов, при температуре 15 ⁰С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

ρ = 10[1.42Х+(100-Х)],

ρ₁ = 10[1.42·14,3+(100-14,3)] =1060

ρ₂ = 10[1.42·35,5+(100-35,5)] =1149

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:

P_ср1 = P_вп1 + ρ₁gH(1-ɛ)/2

P_ср1 = 77.93·10³ + (1060·9.81·4·0.5)/ 2 = 88.3 кПа,

P_ср2 = 47.43*10³ + (1149·9.81·4·0.5)/ 2 = 47.66 кПа.

Этим давлениям соответствуют соответствующие температуры кипения растворителя:

t _ср1 = 96,6 ⁰С, t _ср2 = 80,1 ⁰С

Определим гидростатическую депрессию по корпусам:

Δ''₁ = t _ср1- t _{в.п 1.}= 96,6 – 94.2 = 2.4 ⁰С,

Δ''₂ = t _ср2- t _{в.п 2.}= 80.1 – 81.1 = 1 ⁰С.

Сумма гидростатических депрессий:

ΣΔ'' = Δ''₁+ Δ''₂= 1+ 7,2 = 3.4 ⁰С.

Температурную депрессию Δ' определяем по уравнению:

Δ' = 0.38ехр(0.05 + 0.045Х),

Δ'₁ = 0.38ехр(0.05 + 0.045·12,75) = 0.76 ⁰С,

Δ'₂ = 0.38ехр(0.05 + 0.045·25) = 1,97 ⁰С.

Сумма температурных депрессий:

ΣΔ' = Δ'₁+ Δ'₂= 0.76+ 1,97= 2.73 ⁰С.

Температуры кипения растворов в корпусах равны:

t _к1 = t _r2 + Δ'₁ + Δ''₁ + Δ'''₁ = 93.2+0,71+1+1 = 95,91 ⁰С,

t _к2 = t _бк + Δ'₂ + Δ''₂ + Δ'''₂ = 53+1,23+7,2+1 = 62,43⁰С

Полезная разность температур.

Полезные разности температур по корпусам равны:

∆t _п1 = t _r1 - t _к1 = 101,2 – 95,91 = 5,29 ⁰С,

∆t _п2 = t _r2 - t _к2 = 93,2 – 62.43 = 30,77 ⁰С.

Общая полезная разность температур равна:

Σ ∆t _п = ∆t _п1 + ∆t _п2 = 5.29 + 30.77 = 36,06 ⁰С.

Проверим общую полезную разность температур:

Σ ∆t _п = t _r1 - t _б.к – (ΣΔ' + ΣΔ'' + ΣΔ''') =

=102,2 – 80,1 – 2,73 – 2 – 2 = 15,37 ⁰С.

Определение тепловых нагрузок.

Расход греющего пара в 1-й корпус D, производительность каждого корпуса по выпаренной воде W, тепловые нагрузки по корпусам Q, и удельный расход греющего пара d определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q₁ = D(І_r1 – i₁) = W₁r₁;

Q₂ =W₂r₂;

W = w₁ + w₂;

Получаем систему уравнений:

Q₁ = D(2680 – 429)

Q₁= W₁r₁;

Q₂ = W₂ (2274)

W = w₁ + w₂ = 3,3

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 1,57 кг/с, w₁ = 1,57кг/с, w₂ = 1,73кг/с, Q₁ = 3,537·10⁶ , Вт, Q₂ = 3,934·10⁶ Вт

d=D/W

Результаты расчета сведены в таблицу:

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	1,57	1,73
Концентрация растворов, Х, %	17,6	51,3
Давление греющих паров, кПа	107,8	77,9
Температура греющих паров, tr, ^0С	102,2	93,2
Температурные потери ∆, ^0С	0,76	1,97
Температура кипения раствора, tк, ^0С	95,91	62,43
Полезная разность температур, ∆t п, ^0С	5,29	30,77

Расчет коэффициентов теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

K₁

K₂

Распределение полезной разности температур. Определение поверхности теплопередачи.

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

где ∆t_пi , Q_i и K_i – соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для i-го корпуса.

Подставив численные значения, получим:

∆t_п1 = 15,37[(3,54·10⁶ /1601)/

(3,54·10⁶/1601+3,93·10⁶/708,1)] = 4,38 ⁰С,

∆t_п2 = 15,37 [(3,93·10⁶ /708,1)/

(3,54·10⁶/1601+3,93·10⁶/708,1)]= 10,99 ⁰С,

Проверим общую полезную разность температур установки:

∑ ∆t_п = 4,38+10,99 = 15,37 ⁰С.

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

F= Q/(K∆t_п),

F₁ = 3,54·10⁶/1601·4,38 = 50,47 м²,

F₂ = 3,93·10⁶/708,1·10,99 = 50,51 м²,

По ГОСТ 11987-87 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена F_н = 63 м²,

Диаметр тpyбы d = 38*2 мм,

Высота труб Н =3000 мм,

Диаметр греющей камеры D = 800 мм,

Диаметр сепаратора D₁ = 1600 мм,

Диаметр циркуляционной трубы D₂ = 500 мм,

Общая высота аппарата Н = 13 000 мм,

Масса аппарата М = 7 500 кг.