Технологічний розрахунок однокорпусної вакуум-випарної установки

Метою технологічного розрахунку однокорпусної випарної установки є визначення основних розмірів випарного апарату та вибір стандартизованої конструкції випарника згідно ГОСТ 11987-81.

Розрахунок проводять за наступною схемою:

Для розрахунку і проектування випарної установки звичайно задано:

продуктивність по вихідному розчину G_п, кг/с; початкова x_п, % та кінцева x_к, % концентрації розчиненої речовини в розчині; тиск гріючої пари Р_г.п., МПа; тиск вторинної пари, яка поступає в барометричний конденсатор Р_б.к., МПа; тип випарного апарату, параметри розчину, який поступає в корпус випарної установки.

3.1.1. Складають принципову технологічну схему випарної установки. Наносять на схему параметри потоків, доповнюючи їх по мірі виконання розрахунків.

3.1.2. Приводять довідникові дані про фізико-хімічні властивості розбавленого і концентрованого розчинів в залежності від температури.

3.1.3. Складають матеріальний баланс випарного апарату:

- по всьому апарату

G_п = G_к+W (3.1)

- по розчиненій речовині

G_пx_п=G_кx_к 2)

Вирішуючи два рівняння матеріального балансу – по потоках і по розчиненій речовині, визначають невідомі витрати випарюваної води W і концентрованого розчину G_к.

G_к =G_пx_п/x_к(3.3)

W= G_к-G_п= G_п(1- x_п/x_к), (3.4)

де G_п- масова витрата вихідного розчину, кг/с;

G_к - масова витрата концентрованого розчину, кг/с;

W - масова витрата випарюваної води, кг/с;

x_п, x_к – масова концентрація розчиненої речовини, %.

3.1.4. Визначають температуру кипіння розчину по формулі:

t_кип = t_{втор.пари}+ Δ, (3.5)

де t_{втор.пари}- температура вторинної пари, °С - визначається за тиском парів в паровому (сепараційному) просторі випарного апарата, або за тиском пари в барометричному конденсаторі (задано в завданні), по таблицях властивостей насиченої водяної пари (табл. LVII) [1];

Δ - температурні втрати на різних ділянках вакуум-випарної установки, загальна величина яких складається з температурної Δ ^', гідростатичної Δ ^'' та гідравлічної Δ^''' депресій і визначається згідно п.3.1.5.

3.1.5. Гідравлічна депресія Δ^''' обумовлена гідравлічним опором на тертя та у місцевих опорах, які повинна подолати вторинна пара під час руху через сепараційні пристрої і паропроводи, що призводить до зменшення її тиску. Підвищення температури кипіння розчину внаслідок дії гідравлічної депресії коливається в межах 0.5-1.5°С. Для однокорпусного апарату Δ^'''– може бути прийнята 1°С [3].

Гідростатича депресія Δ ^'' - підвищення температури кипіння розчину внаслідок гідростатичного тиску стовпа рідини.

В першому наближенні, визначають тиск посередині кип’ятильних труб:

Р_сер = р_{втор.пари} + (ρ_р·g·H_опт /2), (3.6.а)

де

Н_опт = Н[0.26+0.0014(ρ_р- ρ_в)] (3.6.б)

– оптимальний рівень розчину в трубах випарного апарату, м; ρ_р і ρ_в – густина розчину (при кінцевій концентрації в апараті) і води при температурі кипіння, кг/м³; (оскільки, температури кипіння наперед невідомі, то з достатньою для технічних розрахунків точністю приймають густини при температурі вторинної пари в апараті);

Для вибору значення висоти труби H і розрахунку Н_опт, орієнтовно визначають площу поверхні теплопередачі випарного апарату:

F_ор = Q/q = (W·r)/ q(3.7)

де Q – теплове навантаження випарного апарату, Вт; r – теплота пароутворення вторинної пари, Дж/кг (визначається за тиском вторинної пари по таблицях властивостей насиченої водяної пари (табл. LVII) [1]); q - питоме теплове навантаження апарату Вт/м².

При кипінні водних розчинів солей питоме теплове навантаження для апаратів з природною циркуляцією приймають q = 20000-50000 Вт/м², а для апаратів з вимушеною циркуляцією розчину - q = 40000-80000 Вт/м².

Приймаючи q, визначають F_ор і по ГОСТ 11987-81 згідно додатку 3.2 вибирають випарний апарат, який найбільше відповідає визначеним параметрам. Виписують параметри вибраного випарника: площа теплообміну, довжина і діаметр труб, висота парового простору і загальна висота апарата.

За тиском „ Р_{с ер}”, визначеним за формулою (3.6.а), по таблицях властивостей насиченої водяної пари (табл. LVII) [1], знаходять температуру кипіння води t_в, °С і питому теплоту випаровування r, Дж/кг, що відповідає цьому тиску. Величину гідростатичної депресії розраховують таким чином:

Δ^''= t_в-t_{втор.пари} (3.8)

Температурна депресія Δ ^' дорівнює різниці між температурою кипіння розчину і температурою кипіння чистого розчинника за однакових тисків.

Якщо відома температурна депресія розчину за атмосферного тиску, то температурну депресію Δ ^' за робочого тиску визначають за рівнянням Тищенка [3]:

Δ ^' =16.2 Т²Δ^' _атм /r(3.9)

Т – температура парів в середньому шарі кип’ятильних труб, яка дорівнює (t_в +273)К;

r – теплота випаровування води при даному тиску (Р_сер), Дж/кг;

Δ ^'_атм – температурна депресія при атмосферному тиску, К (згідно додатку 3,5).

Якщо температурна депресія розчину невідома, то її можна визначити користуючись правилом Бабо з поправкою Стабникова [1]. Згідно правила Бабо: (р/р₀) _t = соnst. Тут р - тиск парів розчину, а р₀ – тиск насиченої пари чистого розчинника при цій же температурі t. Якщо теплота розчинення додатна (тепло виділяється при розчиненні), то поправка Стадникова береться з знаком «+», якщо від’ємна - то з знаком «-», згідно табл.3.1.

Наприклад, необхідно визначити температурну депресію Δ ^' для 25%-го розчину хлористого кальцію при абсолютному тиску над розчином р₁=0,36 кгс/см².

табл.3.1

р/р0	Поправка ±∆ t, К
0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3
р,мм.рт.ст.
- - -	- -	-					0,9 1,8 2,6 3,6

По табл. ХХХVІ [1] знаходимо, що 25%-й розчин хлористого кальцію при атмосферному тиску кипить при температурі 107,5 ⁰С. При цій температурі тиск насиченої пари води (табл. LVI [1]) р_в=1,345 кгс/см².

(р_атм/р_в)_107,5=1,033/1,345=0,77

Згідно правила Бабо, дане відношення має постійне значення при всіх температурах кипіння розчину. Для температури кипіння розчину при р₁=0,36 кгс/см²:

(р₁/р_в)_t=0,36/ р_в= 0,77

Звідки р_в= 0,467 кгс/см²=343 мм.рт.ст. Даному тиску відповідає по табл. ХХХVІІІ температура кипіння води 79,2⁰С. Таку ж температуру буде мати 25%-й розчин хлористого кальцію при тиску над розчином 0,36 кгс/см².

Температурна депресія розчину: Δ^'= t_р-t_в=79,2-72,9=6,3⁰С=6,3К.

Враховуючи поправку Стадникова, по табл. 3.1 при р_р/р_в=0,77 і р_р=0,36 кгс/см²=264,6 мм.рт.ст. поправка ∆t=-0,9 К. Поправка зі знаком «-», тому що теплота розчинення хлористого кальцію від’ємна.

Таким чином: Δ^'= 6,3-0,9=5,4К.

3.1.6. Складають тепловий баланс випарного апарату. Нехтуючи теплотою зміни концентрації розчину, рівняння теплового балансу матиме вигляд:

G_г.пr_г.п+ G_пc_вt₁ = Wi_в.п.+G_кc_кt_кип+ Q_втр, (3.10)

де G_г.п. - масова витрата гріючої пари, кг/с;

r_г.п – питома теплота конденсації гріючої пари,

G_п. - масова витрата вихідного розчину, кг/с;

c_п - питома теплоємність вихідного розчину, Дж/(кг·К);t₁ – температура розчину, який поступає в апарат, °С;

W – масова витрата випареної води, кг/с;

і_вт - питома ентальпія вторинної пари на виході з сепараційного простору випарного апарату, Дж/кг (визначають за тиском парів в паровому просторі випарного апарата, або за тиском в барометричному конденсаторі (табл. LVII) [1]);

G_к - масова витрата випареного розчину, кг/с;

c_к - питома теплоємність випареного розчину, Дж/(кг·К);

t_кип - температура кипіння розчину, °С;

Q_втр - витрата тепла на компенсацію втрат, Вт (приймають в межах 3 – 5 %).

3.1.7. На основі записаного рівняння теплового балансу визначають витрату гріючої пари:

G_г.п = (Wi_в.п.+G_кc_кt_кип- G_пc_вt₁)/(r_г.п · 0.95) (3.11)

3.1.8. Виконують детальний тепловий розрахунок гріючої камери випарного апарату. Розраховують корисну різницю температур, коефіцієнт теплопередачі К, на основі основного рівняння теплопередачі визначають поверхню теплообміну гріючої камери і вибирають стандартизований випарний апарат по каталогу.

3.1.8.1. Теплове навантаження гріючої камери:

Q_г.к.= G_г.п· r_г.п (3.12)

3.1.8.2. Корисна різниця температур - різниця між температурою конденсації гріючої пари Т,°С (визначається за тиском гріючої пари згідно табл. LVII [1]) та температурою кипіння випарюваного розчину t_к;

Δt_кор.=Т- t_кип (3.13)

3.1.8.3. Визначають коефіцієнт теплопередачі К за формулою:

, (3.14)

де , - коефіцієнти тепловіддачі, Вт /(м² ·К);

r₁, r₂ – термічні опори забруднень стінки, м² ·К / Вт;

λ_ст – теплопровідність матеріалу стінки, Вт / (м · К);

δ_ст – товщина стінки, м;

∑r_ст – загальний термічний опір стінки та її забруднень з двох боків, м² ·К / Вт.)

Під час розрахунку коефіцієнта теплопередачі К приймають, що α₁ – коефіцієнт тепловіддачі від гріючої пари, яка конденсується на зовнішній стінці вертикальної труби; α₂ –коефіцієнт тепловіддачі від внутрішньої стінки труби до киплячого розчину; δ – товщина стінки труб, м; λ_тр – коефіцієнт теплопровідності сталі, Вт/(м·К); теплопровідність забруднень зі сторони розчину і зі сторони пари приймають 5000 Вт/(м²·К) і 5800 Вт/(м²·К), відповідно.

При розрахунку коефіцієнта тепловіддачі α₁ – використовують залежності для визначення тепловіддачі при плівковій конденсації пари на зовнішній поверхні вертикальних труб. В різних джерелах літератури автори наводять залежності для визначення α₁.

Як приклад, може бути використана наступна схема розрахунку α₁ [3]:

а) визначають число труб гріючої камери

n = F/(π·d·Н) (3.15)

де F, d і Н – поверхня теплопередачі, м², зовнішній діаметр і висота труб, м, попередньо вибраного випарника, на основі проведених розрахунків в п. 3.1.5.

б) визначають лінійну густину зрошування при стіканні конденсату по зовнішній поверхні вертикальних труб.

Г= G_г.п./П, (3.16)

де G_г.п. – витрата конденсату, кг/с (витрата гріючої пари);

П – загальний периметр поверхні, по якій стікає конденсат, м;(П= n·π·d).

в) розраховують критерій Рейнольдса для плівки конденсату Re_пл, через лінійну густину зрошування

Re_пл=4Г/μ, (3.17)

де μ – динамічний коефіцієнт в’язкості води при температурі конденсації, Па·с (температура конденсації дорівнює температурі гріючої пари Т).

г) визначають критерій Нусельта Nu_пл., як Nu_пл.= f (Re_пл.):

(Re_пл. <400) Nu_пл.=1,86/ Re_пл^0,33 (3.18.а)

(Re_пл. >400) , (3.18.б)

де Pr – критерій Прандтля для води при температурі конденсації (при температурі гріючої пари Т). Критерій Прандтля для води визначають згідно номограми ХІІІ [1], або розраховують: Рr = сμ/λ (фізичні параметри води – теплоємність с, Дж/(кг·К), динамічний коефіцієнт в’язкості μ, Па·с і λ – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К), приймають за температури гріючої пари Т).

д) розраховують коефіцієнт тепловіддачі α₁

α₁= Nu_пл·δ_прив / λ, (3.19)

де λ – коефіцієнт теплопровідності конденсату, Вт/(м·К), δ_прив= [μ²/(ρ²g)]^0.33 - приведена товщина плівки, м

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячого розчину α₂ – визначають за умов бульбашкового кипіння на внутрішній поверхні вертикальних труб, яке найчастіше спостерігається в умовах роботи випарних установок. В залежності від області використання, існують випарні апарати різного типу. Їх технічні характеристики і основні конструктивні розміри наведені в додатках 4.1 і 4.2 [2]. Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі від стінки до киплячого розчину α₂ виконують в залежності від типу апарату.

Для апаратів з природною циркуляцією розчину α₂ розраховують за рівнянням [3]:

α₂ = А'·q^0,6 (3.20)

де , де

λ_р – коефіцієнт теплопровідності розчину, Вт/(м·К);

ρ_р – густина розчину, кг/м³;

с_р – теплоємність розчину, Дж/(кг·К);

μ_р – динамічний коефіцієнт в’язкості розчину, Па·с;

σ – поверхневий натяг, Н/м;

r – теплота пароутворення, Дж/кг;

ρ_п – густина пари, кг/м³;

ρ₀ – густина водяної пари при тиску 0,1 МПа.

q – питоме теплове навантаження апарату, Вт/м²;

Фізичні властивості рідини, а також густину вторинної пари приймають при температурі кипіння.

Що стосується q, то визначення його значення – див. пункт 3.1.8.4.

В апаратах з винесеною зоною кипіння, а також в апаратах з примусовою циркуляцією де забезпечуються високі швидкості руху розчину – стійкий турбулентний режим, α₂ розраховують за емпіричним критеріальним рівнянням [2]:

Nu=0.023·Re^0.8·Pr^0.4 (3.21)

де Nu=αl/λ – критерій Нуссельта, Re = wlρ/μ – критерій Рейнольдса, Рr = сμ/λ – критерій Прандтля.

l – визначальний геометричний розмір (діаметр труби),м;

λ – коефіцієнт теплопровідності киплячого розчину, Вт/(м·К);

w- швидкість руху потоку, м/с;

ρ – густина киплячого розчину, кг/м³;

μ – динамічний коефіцієнт в’язкості киплячого розчину, Па·с;

с – теплоємність киплячого розчину, Дж/(кг·К);

Фізичні властивості розчину, які входять в критерії подібності, визначають при середній логарифмічній температурі розчину. [2,5]

При кипінні розчинів в плівкових випарних апаратах, коефіцієнт тепловіддачі рекомендується визначати за рівнянням:

(3.22)

де λ– коефіцієнт теплопровідності киплячого розчину, Вт/(м·К); δ – товщина плівки, м, яку розраховують, як де

ν – кінетична в’язкість розчину, м²/с; критерій Рейнольдса Re_пл. (див. залежність (3.17); q- питоме теплове навантаження апарату, Вт/м²; t_в.п. – температура вторинної пари, °С.

Значення коефіцієнтів і показників степені в рівнянні (3.22):

при q<20000 Вт/м²: с =163.1, n = - 0.264; m = 0.685;

при q>20000 Вт/м²: с =2.6, n = 0.203; m = 0.322;

3.1.8.4. Оскільки при визначенні коефіцієнта тепловіддачі α₂ за формулою (3.20) або (3.22) потрібно знати дійсну величину питомого теплового навантаження q, коефіцієнт теплопередачі К розраховують наступним чином: наприклад, для апарату з природною циркуляцією розчину згідно попередньо проведених розрахунків було визначено, що α₁=6436 Вт/(м²·К), α₂=5,634·q^0,6 Вт/(м²·К), δ=0,002 м, λ_тр=16,4 Вт/(м·К); 1/r_забр1=5000 Вт/(м²·К) і 1/r_забр2=5800 Вт/(м²·К).

Коефіцієнт теплопередачі розраховують згідно (3.14)

Питоме теплове навантаження ,

звідки

Визначення питомого теплового навантаження q ведуть методом послідовних наближень: задаючись кількома значеннями q, визначають для кожного з них Δt_кор., після чого будують графік Δt_кор = f (q). За графіком Δt_кор = f (q) визначають q, яке відповідає Δt_кор., що було попередньо розраховане_. за рівнянням (3.13) (див. приклад розрахунку однокорпусної випарної установки).

Питоме теплове навантаження можна прийняти, як q=α₁Δt₁, де Δt₁ - різниця температур пари і стінки [2].

Розраховують коефіцієнт теплопередачі:

К = q/ Δt_кор (3.23)

3.1.8.5. Визначають необхідну поверхню теплопередачі випарного апарата

F=Q/(K Δt_кор.) (3.24)

і вибирають стандартизований випарний апарат по каталогу [2, 3] згідно ГОСТ 11987-81.

Якщо розрахована за рівнянням (3.24) площа поверхні теплопередачі значно відрізняється від орієнтовно визначеної раніше F_ор, то необхідно виконати повторний розрахунок:

- приймають за орієнтовну F_ор поверхню теплопередачі розраховану за рівнянням (3.24);

- розраховують кількість труб n, густину плівки конденсату Г, критерій Re_пл., Nu_пл і коефіцієнт тепловіддачі α₁;

- складають рівняння залежності корисної різниці температур від питомого теплового навантаження q - (Δt_кор.=f(q);

- задаються різними значеннями q і визначають Δt_кор., будують графік залежності Δt_кор.=f(q) і за графіком визначають питоме теплове навантаження, яке відповідає значенню, визначеному за рівнянням (3.13);

- за знайденим q розраховують коефіцієнт теплопередачі по залежності (3.23) і визначають необхідну площу поверхні теплообміну F за рівнянням (3.24).

- остаточно вибирають стандартизований випарник згідно ГОСТ 11987-81.

Дата добавления: 2017-02-01