Рассчитать трехкорпусную прямоточную выпарную установку с естественной циркуляцией раствора для концентрирования 5 кг/с 4% раствора СаСl2. Конечная концентрация раствора 25%. Раствор поступает на выпарку подогретым до температуры кипения в выпарном аппарате. Абсолютное давление греющего водяного пара 4 ат. Высота греющих труб 4 м.давление в барометрическом конденсаторе 0,1 ат.
Решение:
- Количество воды, выпариваемой в трех корпусах установки:
- Распределение нагрузки по корпусам.
Сделаем это распределение на основании практических данных, приняв следующее соотношение массовых количеств выпариваемой воды по корпусам:
1:2:3 = 1,0:1,05:1,1.
Следовательно, количество выпариваемой воды:
В 1 корпусе
Во 2 корпусе
В 3 корпусе
_____________________________________
итого: W = 4.2 кг/c
- Расчет концентраций раствора по корпусам.
Начальная концентрация раствора хН = 4%. Из 1 корпуса во 2 переходит раствора:
Концентрация раствора, конечная для первого и начальная для 2, будет равна:
из 2 корпуса в 3 переходит раствора
|
|
с концентрацией
из 3 корпуса выходит раствора
с концентрацией
, что соответствует заданию.
- Распределение перепада давлений по корпусам.
Разность между давлением греющего пара и давлением пара в барометрическом конденсаторе:
Предварительно распределим этот перепад давлений между корпусами поровну, т.е. на каждый корпус примем:
, тогда абсолютное давление по корпусам будут:
В 3 корпусе р3 = 0,1 ат
Во 2 корпусе р2 = 0,1 + 1,3 =1,4 ат
В 1 корпусе р1 = 1,4 + 1,3 = 2,7 ат
Давление греющего пара:
р = 2,7 + 1,3 = 4 ат
По паровым таблицам находим температуры насыщения паров воды и удельные теплоты парообразования для принятых давлений в корпусах:
Для 1 корпуса:
tH = 119.6+ (132,9 – 119.6) ∙ 0,7/1 = 129 0C
r = 2208+ (2171 – 2208) ∙ 0,7/1 = 2182 КДж/кг
Для 2 корпуса:
tH =108.7 0C
r = 2237КДж/кг
Для 3 корпуса:
tH = 45,4 0C
r = 2390 КДж/кг
Для греющего пара:
tH = 142.9 0C
r = 2141 КДж/кг
Температура насыщенного пара, 0C | Удельная теплота парообразования, КДж/кг | |
1 корпус | 129 | 2182 |
2 корпус | 108.7 | 2237 |
3 корпус | 45,4 | 2390 |
Греющий пар | 142.9 | 2141 |
Эти температуры и будут температурами конденсации вторичных паров по корпусам.
- Расчет температурных потерь по корпусам.
От депрессии
В справочных таблицах находим температуры кипения растворов при атмосферном давлении
Концентрация СаСl2, % | Температура кипения, 0C | Депрессия, К или 0C | |
1 корпус | 5.4 | 101 | 1 |
2 корпус | 8.7 | 102 | 2 |
3 корпус | 25 | 108 | 8 |
Следовательно, по трем корпусам:
∆tдепр = 1 + 2 + 8 = 110C = 11 К.
От гидростатического эффекта
В справочных таблицах находим плотность раствора при 20 0C
|
|
Концентрация СаСl2 % | 5.4 | 8.7 | 25 |
Плотность, кг/м3 | 1025 | 1075 | 1230 |
Эти значения примем и для температур кипения по корпусам.
Расчет ведем для случая кипения в трубках при оптимальном уровне.
1 корпус
при р1=2.7 ат; tкип = 129 0C;
при рср =2.8 ат; tкип = 119.6 + (132.9 – 119.6) ∙ 0,8/1= 130.20C.
∆tг. эф =130.2 - 129 = 1.2К.
2 корпус
при р1=1,4 ат; tкип = 108.7 0C;
при рср =1.5 ат; tкип = 108,7 + (112,7 – 108,7) ∙ 0,1/1,63 = 109,1 0C.
∆tг. эф =109,1 - 108,7 = 0.4 К.
при р1=0,1 ат tкип = 45.4 0C
при рср =0,2ат tкип = 59.7 0C.
∆tг. эф =59.7 – 45.4 = 14.3К.
Всего ∑∆tг. эф = 1.2 + 0.4 +14.3 = 15.9 К
От гидравлических сопротивлений
Потерю разности температур на каждом интервале между корпусами принимаем в 1 К. интервалов всего 3, следовательно,
∆tг. с =1∙3 =3 К
сумма всех температурных потерь для установки в целом:
∑∆tпот = 11 + 15.9 + 3 =27.2 К
- полезная разность температур.
Общая разность температур 142.9 – 59.7 = 83.2 К; следовательно, полезная разность температур:
∆tпол=83.2 – 27.2 = 56 К
- Определение температур кипения в корпусах:
В 3 корпусе t3 = 59.7 + 1 + 8 + 14,3 = 830С
В 2 корпусе t2= 109.1 + 1 + 2 + 0.4 = 112.5 0С
В 1 корпусе t1= 130.2 + 1 + 1 + 1.2 = 133.4 0С
- Расчет коэффициентов теплопередачи по корпусам
По найденным температурам кипения и концентрациям растворов в корпусах подбираем в справочниках расчетные константы – физические характеристики растворов (плотность, теплопроводность, теплоемкость, вязкость). Далее задаемся диаметром труб и их длиной.
По этим данным рассчитываем коэффициенты теплопередачи. При этом следует учесть слой накипи порядка 0,5 мм.
На основании этих расчетов примем:
Для 1 корпуса К1 = 1700 Вт/м2 ∙ К
Для 2 корпуса К2 =990 Вт/м2 ∙ К
Для 3 корпуса К3 = 580 Вт/м2 ∙ К;
Из ориентировочного соотношения коэффициентов теплопередачи по корпусам при выпаривании водных растворов солей К1:К2:К3 = 1:0,58:0,34.
- Составление тепловых балансов по корпусам.
Для упрощения приближенного расчета составляем тепловые балансы без учета тепловых потерь и принимаем, что каждого последующего корпуса в последующий раствор поступает при средней температуре кипения.
По условию раствор подается на выпарку подогретым до температуры кипения в 1 корпусе. Тогда расход теплоты в 1 корпусе:
Q1 = W1 ∙ r1 =1,3 ∙ 2182000=2836600 Bт
Раствор приходит во 2 корпус перегретым, следовательно, Qнагр отрицательно и расход теплоты во 2 корпусе:
Q2 = W2 ∙ r2 – G1 ∙ c1(t1 – t2) =1,4 ∙ 2237000 – 3,7∙ 4190 ∙ 0.946(129 – 108,7) = 2834083Bт
Количество теплоты, которое даст вторичный пар 1 корпуса при конденсации, составляет W1 ∙ r1 = 2836600 Bт. Расхождения прихода и расхода теплоты в тепловом балансе 2 корпуса менее 1% (0,1%).
Расход теплоты в 3 корпусе:
Q3 = W3 ∙ r3 – G2 ∙ c2(t2 – t3) =1,5 ∙ 2390000 – 2,3 ∙ 4190 ∙ 0.913(108,7 – 45,4) = 3028050 Bт
Вторичный пар 2 корпуса дает теплоты при конденсации
W2 ∙ r2 = 1,4 ∙ 2237000 =3131800 Вт.
- Расход греющего пара в 1 корпусе:
Удельный расход пара:
d = GГ. П./W = 1,3 / 4,2 = 0.31 кг/кг
- Распределение полезной разности температур по корпусам.
Распределение полезной разности температур по корпусам сделаем в двух вариантах: из условия равной площади поверхности и из условия минимальной общей площади поверхности корпусов, т.е. пропорционально Q/К и пропорционально √ Q/К..
Найдем факторы пропорциональности:
Отношение | Q/К | √ Q/К∙103 |
1 корпус | 1669 | 1292 |
2корпус | 2862 | 1692 |
3корпус | 5221 | 2285 |
сумма | 9752 | 5269 |
Полезные разности температур по корпусам:
Отношение | Вариант равной площади поверхности корпусов | Вариант минимальной общей площади поверхности корпусов |
∆t1 | 9.6 | 13,7 |
∆t2 | 16,4 | 18 |
∆t3 | 30 | 24.3 |
сумма | 56 | 56 |
- Определение площади поверхности нагрева:
Отношение | Вариант равной площади поверхности корпусов | Вариант минимальной общей площади поверхности корпусов |
F1 | 174 | 94,3 |
F2 | 174,5 | 94 |
F3 | 174 | 94 |
сумма | 522,5 | 282,3 |
Следовательно, при равных площадях поверхностей корпусов общая площадь поверхности нагрева больше на 46 %.
|
|