Матеріальний баланс випарного апарату.

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗРАХУНОК

Розрахунок однокорпусної вакуум - випарної установки

ПРИКЛАДИ РОЗРАХУНКУ ПРЯМОТЕЧІЙНИХ ВАКУУМ-ВИПАРНИХ УСТАНОВОК.

Завдання на проектування. Спроектувати однокорпусну випарну установку для концентрування G_п=1800кг/год (5кг/с) водного розчину нітрату амонію від початкової масової концентрації х_п=10% до кінцевої х_к=60% при наступних умовах:

1) обігрів здійснюється насиченою водяною парою з тиском p_г.п=0.157Па;

2) абсолютний тиск у паровому просторі випарного апарату p_б.к=0.0196МПа;

3) температура розчину, що поступає в установку, t₀=20°С; 4) температура розчину, що поступає у випарний апарат t₁=12°C; 5) початкова температура охолоджуючої води t=12°С; 6) температура суміші охолоджуючої води і конденсату, що виходить з барометричного конденсатора, нижче температури конденсації на Δt=5° С;

7) випарний апарат з виносною нагрівальною камерою тип 1,виконання 2.

Кількість випареної води визначається за формулою(3.4):

W= G_к-G_п= G_п(1- x_п/x_к)

W=5/(1-10/60)=4.165 кг/с

Кількість випареного розчину, згідно (3.1):

G_п = G_к+W

G_к=5-4.165=0.835 кг/с.

2.Тепловий розрахунок.

2.1.Визначення температури кипіння розчину.

Температура кипіння розчину визначається за формулою(3.5):

t_кип = t_{втор.пари}+ Δ

Температура вторинної пари t_{втор.пари}, яка поступає із випарного апарата в барометричний конденсатор при р =0.0196МПа, дорівнює 59.7°С.

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

На основі практичних рекомендації (див. п.3.1.5) приймаємо гідравлічну депресію Δ^''' =1°С. Тоді температура вторинної пари у випарному апараті:

t'_{втор.пари}=59.7+1=60.7°C

Цій температурі відповідає тиск р’_п= 0.0207МПа, теплота пароутворення r =2355,54кДж/кг.

Гідростатичну депресію Δ^' визначаємо наступним чином. Визначаємо висоту оптимального рівня розчину у кипятильних трубах..Для вибору значення труби Н орієнтовно визначається площа поверхні теплопередачі випарного апарата F_op (3.7). При кипінні водних розчинів солей питоме теплове навантаження для апаратів з природною циркуляцією q=20000-50000 Вт/м². Приймаємо q=30000Вт/м². Тоді:

F_ор = Q/q = (W·r)/ q

Fop=4.165∙2355.54∙10³/30000=327м²

По ГОСТ11987-81 приймаємо випарний апарат з наступними характеристиками:

- поверхня теплообміну 355м²;

- довжина труб 5м;

- діаметр труб 38 2мм;

- крок між трубами 48мм;

- матеріал труб-стальХ18Н10Т.

Орієнтовно приймаємо температуру кипіння розчину в апараті на 20°С більше температури вторинної пари, тобто температура кипіння 80°С. Відповідно, згідно залежності (3.6.б) оптимальний рівень розчину в трубах випарного апарату:

Н_опт = Н[0.26+0.0014(ρ_р- ρ_в)]

Н_опт =[0.26+0.0014(1223-972)∙5=3.06 м,

де 1223 і 972кг/м³ густина розчину і води при температурі 80⁰С.

Таким чином, тиск в середньому шарі кип’ятильних труб, згідно (3.6.а):

Р_сер = р^’_{втор.пари} + (ρ_р·g·H_опт /2)

Р_сер =0.0207+(1223∙9.81∙3.06/2)=0.039МПа.

Цьому тиску відповідає температура кипіння води t=75.4°С і теплота пароутворення r = 2320кДж/кг.

Таким чином, гідростатична депресія, по (3.8):

Δ^''= t_в- t'_{втор.пари}

Δ^'' 75.4 – 60.7=14.1°С.

Температурна депресія визначається за формулою(3.9):

Δ^'=16.2 Т² Δ^'_атм /r

Δ^'=16.2(273+75.4)²∙13.57/(2320∙10³)=11.5°С,

де Δ_атм =13.57°С - температурна депресія 60% розчину при атмосферному тиску.

Температура кипіння розчину (3.5):

t_кип = t_{втор.пари}+ Δ

t_кип =59.7+11.5+14.7+1=86.9°С

2.2.Корисна різниця температур, (3.13):

Δt_кор.=Т- t_кип

Δt_кор=112.7-86.9=25.8°С

де Т=112.7°С - температура конденсації гріючої пари, яка визначається за тиском гріючої пари згідно табл. LVII [1].

2.3.Витрату гріючої пари G_г.п. визначаємо із рівняння теплового балансу (3.11):

де і=2607кДж/кг-ентальпія вторинної пари; C_п=3866Дж/(кг К) - питома теплоємність 10% розчину; C_к=2618.1Дж/(кг К)-питома теплоємність випареного розчину; r_г.п.=2227 кДж/кг - питома теплота пароутворення води при P_г.п. =0.157МПа; 0.95-коефіцієнт, який враховує 5% втрати теплоти.

Теплове навантаження гріючої камери(3.12):

Q_г.к.= G_г.п· r_г.п

Q_г.к =5.77∙2227∙10³=12849.8∙10³Вт.

2.4.Розрахунок коефіцієнта теплопередачі.

Число труб гріючої камери визначається за формулою 3.15:

n = F/ (π·d·Н)

n=355/(3.14∙0.038∙5)=595

Густина стікання конденсату по зовнішній поверхні труб визначається за формулою (3.16):

Г= G_г.п./П

Г=5.77/(595∙3.14∙0.038)=0.0813кг/(м∙с),

Критерій Re_пл для плівки конденсату визначається за формулою (3.17):

Re_пл=4Г/μ

Re_пл=4∙0.0813/(0.251∙10^-3)=1295.6

де μ=0.251∙10^-3 Па∙с - динамічний коефіцієнт в’язкості води при температурі конденсації t=112.7 С.

Так як Re_пл>400 то значення Nu_пл визначається за формулою (3.18.б):

де Pr=1.56 критерій Прандтля для води при температурі t=112.7 С. [1]

Коефіцієнт тепловіддачі α₁ від водяної пари до стінок труб розраховують згідно (3.19):

α₁= Nu_пл·δ_прив / λ

α₁=0.202∙0.685/(0.215∙10⁴)=6435.8Вт/(м²∙К),

приведена товщина плівки:

δ_прив =[(0.25∙110^-3)²/948.5²∙9.81)] ^0.33=0.215∙10^{-4 м,}

де ρ=948.5кг/м³- густина води при температурі кондесації t=112.7⁰С.

Коефіцієнт тепловіддачі α₂ від стінки до киплячого розчину визначається за умов бульбашкового кипіння на внутрішній поверхні вертикальних труб, яке найчастіше спостерігається в умовах роботи випарних установок.

Для апаратів з природною циркуляцією розчину α₂ розраховують за рівнянням (3.20):

α₂ = А'·q^0,6

де .

Константи розчину при температурі кипіння: ρ=1215.1кг/м³, μ=0.782∙10^-3 Па∙с, λ=0.4247Вт/(м∙К), с=2618.1Дж/(кг∙К), σ=7110^-3 Н/м.

Властивості водяної пари при р=0.039МПа, r=2292.4∙10³Дж/кг, ρ_п.=0.38кг/м3.

Густина водяної пари при р=0.1МПа, ρ₀=0.579кг/м³.

Таким чином:

Коефіцієнт теплопередачі визначається за ф-лою (3.14):

= ,

Вт(м²·К),

де d_тр=0.002м - товщина стінки труби; λ _тр=16.4Вт/(м/К)-коефіцієнт теплопровідності сталі Х18Н10Т; 1/r₁=5000Вт(м²∙К)-теплопровідність забруднення зі сторони розчину; 1/r₂=5800Вт/(м²∙К)-теплопровідність забруднення зі сторони пари.

Питоме теплове навантаження

q=Δt_кор К= Вт/м²

звідки Δt_кор=0.6335∙10^-3q+0.1775q^0.4.

Розраховуємо питоме теплове навантаження методом послідовних наближень: задаємося безрозмірним значенням q, проводимо розрахунок Δt_кор і за отриманими значеннями будуємо графік q-Δt _кор. (рис.3.3).

q,Вт/м2 20∙10³ 30∙10³

Δ tкор,°С 22,0 30,0

Рис.3.3. Визначення питомого теплового навантаження випарного апарата.

Із графіка визначаємо, що для попередньо розрахованого значення Δt_кор=25.88°С питоме теплове навантаження q=24.7·10³ Вт/м².

Коефіцієнт теплопередачі, (3.23):

К = q/ Δt_кор

K=24.7∙10³/25.8=957.4 Вт/(м²∙К)

Необхідна площа поверхні теплообміну випарного апарата, (3.24):

К = q/ Δt_кор

F=12849.8∙10³/(957.4∙25.8)=520.2м²

По ГОСТ 11987-81 вибираємо номінальну поверхню теплообміну Fн=560м².

Так як розрахована площа поверхні теплообміну значно відрізняється від орієнтовно визначеної раніше величини F_ор, виконуємо повторний розрахунок по визначенню коефіцієнта теплопередачі К, виходячи із розрахованої площі поверхні теплообміну. В результаті розрахунку отримаємо:

- число труб гріючої камери n = 939шт.;

- густина стікання конденсату по зовнішній поверхні труб Г=0.0515кг/(м∙с);

- критерій Re_пл для плівки конденсату Re_пл=821;

- критерій Nu_пл=0.213;

- коефіцієнт тепловіддачі α₁=6786Вт/(м²∙К);

- коефіцієнт теплопередачі К=1/(0.6225 10³+0.1775/q^0.6), Вт/(м²∙К).

Корисна різниця температур:

Δt_кор=0.6255∙10 ^-3q+0.1775q^0,4.

Задаємося безрозмірними значеннями q, виконуємо розрахунок Δt_кор і за отриманими даними будуємо графік q -Δt_кор

q,Вт/м 20∙10³ 30∙10³

Δtкор 21.8 29.7

Корисній різниці температур Δt_кор=25.8°С відповідає питоме теплове навантаження q=24.85∙10³ Вт/м².

Коефіцієнт теплопередачі

K=24.85∙10³/25.8=963 Вт/(м²∙К).

Площа поверхні теплообміну:

F=12849.8∙10³/(963∙25.8)=517.2м²

По ГОСТ 11987-81 вибираємо номінальну площу поверхні теплообміну F_н=560м².

Дата добавления: 2017-02-01