Определение температур кипения растворов

1 2 3 4 5 6 7

В первом приближении общий перепад давлений в установке распределяют по корпусам поровну. Общий перепад давлений равен:

DP_ОБ= P_r₁ - P_БК = 107,9^.10⁴-1,47^.10⁴ = 106,4^.10⁴ Па.

Тогда давление по корпусам равны:

P_r₁ = 107,9^.10⁴ Па;

P_r₂ = P_r₁ - DP_ОБ/3 = 107,9^.10⁴ - 106,4^.10⁴/3 = 72,42^.10⁴ Па;

P_r₃ = P_r₂ - DP_ОБ/3 = 72,42^.10⁴ - 106,4^.10⁴/3 = 36,94^.10⁴ Па.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

P_БК = P_r₃ - DP_ОБ/3 = 36,94^.10⁴ - 106,4^.10⁴/3 = 1,47^.10⁴ Па.

Это соответствует заданной величине P_БК.

По давлению паров находим [1] их температуры и энтальпии:

Давление, Па	Температура, ^оС.	Энтальпия, кДж/кг.
P_r1 = 107,9^.10⁴	t_r1 = 183,2	J₁ = 2787
P_r2 = 72,42^.10⁴	t_r2 = 166,3	J₂ = 2772
P_r3 = 3,94^.10⁴	t_r3 = 140,6	J₃ = 2741
P_БК = 1,47^.10⁴	t_БК = 53,6	J_БК = 2596

При определении температуры кипения растворах в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией соответствуют модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора – при конечной концентрации.

По высоте кипятильных труб происходит изменение температуры кипения вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Принимают температуру кипения в корпусе соответствующую температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (D^/), гидростатической (D^//) и гидродинамической (D^///) депрессий.

Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления паром на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах D^/// принимают равной 1,0 ¸1,5 градуса на корпус. Примем D^/// для каждого корпуса по 1⁰, тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:

Сумма температурных потерь вследствие гидродинамических депрессий:

По температурам вторичных паров определим их давления.

Температура, ^оС	Давление, Па
t_В1 = 167,3	P_В1 = 74,5^.10⁴
t_В2 = 141,6	P_В2 = 37,8^.10⁴
t_В3 = 54,6	P_В3 = 1,54^.10⁴

Определение гидростатической депрессии. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:

P_СР = P_В+ H ^.r ^.q ^.e / 2,

где P_В – давление вторичного пара в корпусе, Па;

H – высота кипятильных труб в аппарате, м;

r - плотность кипящего раствора, кг.м³;

e - паронаполнение (объёмная доля пара в парожидкостной смеси), м³/м³.

Для выбора величины H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. Можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией раствора q = 30000 ¸ 50000 Вт/м², аппаратов с принудительной циркуляцией раствора в корпусах q = 80000 ¸ 100000 Вт/м². Примем q = 40000 Вт/м², тогда для 1-го корпуса ориентировочная поверхность будет равна:

где r₁– теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТу [2] (см. приложение 2) аппарата с естественной циркуляцией, соосной греющей камеры и кипением раствора в трубках (Тип 1, исполнение 1) имеют высоту кипятильных труб 4 и 5 м при диаметре труб d_Н = 38 мм и толщине стенки s_СТ = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет e - 0,4 ¸ 0,6. Примем e = 0,5. Плотность водных растворов KOH [3] (см. приложение 3) по корпусам при t = 15⁰C равна:

r₁ = 1062 кг/м³;

r₂ = 1104 кг/м³;

r₃ = 1399 кг/м³.

При определении плотности раствора в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры от 15⁰С до температуры кипения в связи с малым значением коэффициента объёмного расширения и ориентировочным значением величины e.

Давление в среднем слое кипятильных труб по корпусам равно:

P_1СР = P_B₁ + H ^.r₁ ^. g1 ^. e / 2 = 74,3 ^. 10⁴ + 4 ^.1062 ^. 9.8 / 2 = 75,5 ^. 10⁴ Па;

P_2СР = P_B₂ + H ^.r₂ ^. g₂ ^. e / 2 = 37,8 ^. 10⁴ + 4 ^.1104 ^. 9.8 / 2 = 38,9 ^. 10⁴ Па;

P_3СР = P_B₃ + H ^.r₃ ^. g₃ ^. e / 2 = 1,54 ^. 10⁴ + 4 ^.1399 ^. 9.8 / 2 = 2,91 ^. 10⁴ Па.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1]:

Давление, Па	Температура, ^оС	Теплота испарения, кДж/кг
P_1СР = 75,5 ^. 10⁴	t_1СР = 168,0	r_В1 =2068
P_2СР = 38,9 ^. 10⁴	t_2СР = 142,8	r_В2 =2140
P_3СР = 2,91 ^. 10⁴	t_3СР = 69,3	r_В3 =2340

Гидростатическая депрессия по корпусам:

Сумма гидростатических депрессий равна:

Температурная депрессия D^/ определяется по уравнению:

где T – температура паров в среднем слое кипятильных труб, K,

r_a- теплота испарения, кДж/кг,

- температурная депрессия при атмосферном давлении [3] (см. приложение № 3).

Тогда температурная депрессия по корпусам равна:

Сумма температурных депрессий равна:

Температуры кипения раствора по корпусам:

При расчёте температуры кипения в плёночных выпарных аппаратах (тип V и VI, см. приложение 2) не учитывают гидростатическую депрессию D^//. Температуру кипения находят как среднюю между температурами кипения растворов с начальной и конечной концентрациями при давлении в данном корпусе.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения как с принудительной, так и с естественной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой (тип II, III и тип IV, см. приложение 2). Кипение в трубах предотвращается за счёт гидростатического столба жидкости в трубе закипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по отношению к температуре кипения на верхнем уровне раздела фаз, поэтому в этих аппаратах температуру кипения раствора также определяют также без учёта гидростатических температурных потерь D^//. Температура перегрева раствора Dt_ПЕР может быть найдена из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Баланс тепла для j корпуса записывается в следующем виде:

G_н_j ^. C_н_j ^. (t_к_j– t_к_j-1) + M^. C_н_j^. D t_пер_j.

где M – производительность циркуляционного насоса, кг/с определяют по каталогу [4] для выпарного аппарата заданного типа, имеющего поверхность равную F_ОР(поверхность орошения).

Циркуляционные насосы в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечивают развитый турбулентный режим при скоростях раствора в трубках V = 2,0 ¸ 2,5 м/с.

В аппаратах с вынесенной нагревательной камерой и естественной циркуляцией раствора обычно достигаются скорости V = 0,6 ¸ 0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркуляционного раствора равна:

M = V ^. S ^. r,

де S – сечение потока в аппарате, м².