Температурный режим работы выпарной установки

Узловые точки технологической схемы	Температура,	Давление,
Барометрический конденсатор		83,9		0.56
Паровое пространство аппарата		85,4		0.6
Выход кипящего раствора в сепаратор		86,7	в сепараторе	0.6
Трубное пространство (середина высоты труб)		94,4		0.804
Межтрубное пространство греющей камеры		118,5		1,94
Вход исходного раствора в выпарной аппарат		84,7	-	-

3.3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВЫПАРНОГО АППАРАТА

3.3.1 Расход теплоты на выпаривание

Тепловая нагрузка выпарного аппарата равна:

, (3.9)

где - расход теплоты на нагревание раствора, кВт; - расход теплоты на испарение влаги кВт; - теплота дегидратации. Обычно, эта величина мала по сравнению с другими статьями теплового баланса и ею можно пренебречь; - расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду.

Расход теплоты на нагревание раствора , определяется по формуле:

, (3.10)

где - теплоемкость разбавленного раствора, определяется по формуле:

(3.11)

где , , , , - удельная теплоемкость воды, определяется по формуле:

(3.12)

где - температура воды,

Тогда по формуле 3.11 будет равна:

и по формуле 3.10 получим:

Расход теплоты на испарение определяется по формуле:

(3.13)

где при температуре .

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим :

тогда по формуле 3.13 находим расход теплоты на испарение:

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду ,при расчете выпарных аппаратов принимают 3-5% от суммы . Таким образом, равняется:

Следовательно, количество теплоты, передаваемой от греющего пара к кипящему раствору, по формуле 3.9 равняется:

3.3.2 Определение расхода греющего пара

Расход греющего пара (в кг/с) в выпарном аппарате определяем по уравнению:

, (3.14)

где - паросодержание (степень сухости) греющего пара; - удельная теплота конденсации греющего пара, . Из (/1/, табл. LVII, стр. 550) находим для температуры ,

И получаем:

Удельный расход греющего пара:

3.4 РАСЧЕТ ГРЕЮЩЕЙ КАМЕРЫ ВЫПАРНОГО АППАРАТА

Выпарная установка работает при кипении раствора в трубах при оптимальном уровне. При расчете выпарного аппарата мы приняли высоту труб . При расчете установки мы приняли: тепловая нагрузка ; средняя температура кипения раствора хлорида аммония ; температура конденсации сухого насыщенного водяного пара . Для кипящего раствора коэффициент теплопроводности раствора NaNO3 мы рассчитываем по формуле:

, (3.15)

где , - коэффициент теплопроводности воды, :

, (3.16)

Тогда по формуле 2.15 получаем:

Средняя разность температур:

Находим коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к поверхности вертикальных труб по формуле:

, (3.17)

где (/1/, табл. 4.6, стр. 162).

;

Следовательно,

Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к кипящему раствору:

, (3.18)

где

, (3.19)

и - соответственно плотности раствора и его пара при средней температуре кипения , К; - динамический коэффициент вязкости, ; - поверхностное натяжение раствора, Н/м, при и .

Плотность раствора, рассчитанная по формулам 3.6 и 3.7, равна:

;

Плотность пара находим по (/1/, табл. LVI, стр. 548):

Таким образом, по формуле 3.19 получаем:

Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле:

, (3.20)

где - температура раствора, , , ; - вязкость воды, :

(3.21)

При средней температуре кипения раствора получаем:

Поверхностное натяжение берем по (/1/, табл. XXIII, стр. 526) для нитрата натрия 10 % концентрации:

Подставляя найденные значения в формулу 3.18 получаем:

Принимаем тепловую проводимость загрязнений (/1/, табл. XXXI, стр. 531) стенки со стороны греющего пара и со стороны кипящего раствора . Коэффициент теплопроводности стали по (/1/, табл. XXVIII, стр. 529) принимаем равным:

по (/3/, табл. 2.2, стр. 16) толщину труб принимаем равной 2 мм. Тогда

Ввиду того, что и , для расчета коэффициента теплопередачи принимаем метод последовательных приближений.

Для определения исходного значения , учитывая: что при установившемся режиме теплопередачи , выражаем через :

Затем рассчитываем исходные значения и , принимая :

;

Находим значение

Составляем расчетную таблицу 3.3, в которую записываем исходные данные , , , и результаты последующих расчетов.

Температурный режим работы выпарной установки Таблица3.3

Прибли-жения и провероч-ный расчет	Конденсация греющего пара

I	118,5	117,04	1,46	9473,37	13831,12
II	118,5	116.35	2.15	8599.7	18489.4
III	118,5	115.95	2.55	8240.6	21013.53
IV	118,5		2.73	8101.25	22116.4
Прибли-жения и провероч-ный расчет	Стенка и ее загрязнения	Кипение раствора

I		7,75	109,29	94,4	14,89	1941,79	28913,25
II		10.36		94,4	11.6	2356.4	27334.24
III		11.8	104.15	94,4	9.75	2566.2	25020.45
IV		12.4	102.67	94,4	8.2	2655.25

I. Первое приближение:

;

; .

В первом приближении: .

II. Второе приближение.

Рассчитываем по первому приближению :

тогда

Величину определяем, принимая при :

Затем выполняем аналогичный расчет (см. строку II в табл. 3.3).

Расхождение и по второму расчету:

III. Третье приближение.

Рассчитываем по второму приближению :

тогда

Величину определяем, принимая при :

Затем выполняем аналогичный расчет (см. строку III в табл. 3.3).

Расхождение и по третьему расчету: .

По результатам расчетов второго и третьего приближения строим график . Полагая что при малых изменениях температуры поверхностные плотности и линейно зависят от , графически определяем (рис. 3.1, точка А).

IV. Проверочный расчет (см. табл. 3.3).

Расчеты аналогичны расчетам первого приближения.

Расхождение и :

По данным последнего приближения определяем коэффициент теплопередачи:

Площадь поверхности теплопередачи:

По (/3/ Таблице 2.2 стр. 16) принимаем аппарат Тип 1, Исполнение 2, группа А (С выносной греющей камерой и кипением в трубах), с площадью поверхности теплопередачи 267 (действительная), Трубы 38 х 2 мм, длинной Н = 4000 мм, т.е. с запасом .

3.5 ПОЛНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ НАЧАЛЬНОГО РАСТВОРА

3.5.1 Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева раствора перед подачей в выпарной аппарат

Таблица 3.4

Основные данные для расчета подогревателя

Раствор хлорида аммония	Греющий пар
, % масс.
2.5		86.7	118.5	1.94

Температурная схема процесса:

Характер изменения температур теплоносителей

t,°C t1 ΔtM Δtб t2K t2H F

Рис. 3.2

Значение усредненной по всей теплообменной поверхности разности температур рассчитывается по формуле:

; (3.22)

при этом

;

Получаем

Средняя температура раствора NaNO3:

где - среднее арифметическое значение температуры теплоносителя, которое изменяется на меньшую величину (в данном случае температура конденсации греющего пара);

Расход раствора NaNO3:

Расход теплоты на нагрев раствора:

, (3.23)

где - удельная теплоемкость раствора, рассчитанная по формуле 2.11, при и % масс.

По формуле 3.12 удельная теплоемкость воды при равна:

Тогда по формуле 3.11 получаем:

Расход теплоты на нагрев раствора по формуле 3.23 равен:

Расход греющего пара:

Принимая по (/1/, табл. 4.8 стр. 172) ориентировочный коэффициент теплопередачи , (аппарат со свободной циркуляцией, передача тепла от конденсирующегося пара к воде), рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи:

Проходное сечение трубного пространства рассчитываем по формуле:

, (3.24)

где - внутренний диаметр труб; - динамический коэффициент вязкости начального раствора при средней температуре ; Re – критерий Рейнольдса.

По формуле 3.21 при для воды получаем:

а по формуле 3.20 для раствора находим:

Для обеспечения интенсивного теплообмена подбираем аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Раствор направляется в трубное пространство, греющий пар – в межтрубное.

Максимальное проходное сечение считаем при критерии Рейнольдса :

минимальное – при :

По полученному оценочному значению поверхности теплопередачи с учетом и , в качестве подогревателя, мы выбираем по (/3/ табл. 1.2 стр. 6) одноходовый теплообменник, с внутренним диаметром кожуха , числом труб , поверхностью теплообмена , длиной труб , проходным сечением и числом рядов труб , расположенных в шахматном порядке.

3.5.2 Подробный расчет теплообменного аппарата

3.5.2.1 Теплоотдача в трубах

По (/1/, табл. 4.1, стр. 151) находим, что теплоотдача для раствора NaNO3 описывается уравнением:

, (3.25)

где - критерий Нуссельта; - поправочный коэффициент; Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля; - критерий Прандтля при температуре стенки трубы.

Коэффициент примем равным 1, полагая, что (/1/, табл. 4.3, стр. 153), где - длина труб, - эквивалентный диаметр. Критерий Рейнольдса рассчитываем по формуле:

, (3.26)

где - средняя скорость потока, и - соответственно плотность раствора и динамический коэффициент вязкости, при средней температуре .

По формуле 3.7 плотность раствора при и % масс. равняется:

Среднюю скорость потока определяем по формуле:

Учитывая, что для труб круглого сечения диаметр труб и эквивалентный диаметр совпадают, то для труб получаем:

Критерий Прандтля находим по формуле:

, (3.27)

где - удельная теплоемкость, ; - коэффициент теплопроводности, ; - динамический коэффициент вязкости, .

Коэффициент теплопроводности при и % масс. по формуле 3.15 равняется:

Таким образом, критерий Pr при и равняется:

Коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:

С учетом формулы 3.25 получаем:

. (3.28)

3.5.2.2 Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара

Для водяного пара в случае конденсации на пучке горизонтальных труб осредненный по всему пучку коэффициент теплопередачи можно рассчитать по формуле:

где - поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали; - наружный диаметр труб; =7219 (взято из /1/, табл.4.6, стр. 162 при температуре конденсации греющего пара); - разность средней температуры конденсации греющего пара и температуры стенки со стороны греющего пара :

Поправочный множитель находим по (/1/, рис. 4.7, стр. 162) для шахматного расположения труби при числе рядов труб по вертикали :

Имеем:

. (3.29)

3.5.2.3 Расчет коэффициента теплопередачи

I. Первое приближение.

Принимаем в первом приближении . Тогда температура стенки со стороны греющего пара равняется:

Тогда по формуле (3.29) получаем:

При этом удельный тепловой поток от пара к стенке равен:

Сумма термических сопротивлений равна:

где - соответственно термические сопротивления загрязнений со стороны греющего пара, стенки и со стороны раствора.

По (/1/, табл. XXXI, стр. 531) находим:

Для стенки:

где - толщина стенки, - коэффициент теплопроводности стали (/1/, табл. XXVIII, стр. 529).

Поскольку удельный тепловой поток от пара к стенке равен удельному тепловому потоку через стенку , то можно получить:

при этом - температура стенки со стороны раствора равна:

При температуре удельная теплоемкость, динамический коэффициент вязкости и коэффициент теплопроводности, вычисленные, соответственно, по формулам 3.11, 3.15, 3.20 равны:

;

Подставляя найденные значения в формулу 3.27, получаем значение критерия Прандтля при температуре стенки:

По формуле 3.28 находим в коэффициент теплоотдачи от раствора к стенке:

Тогда удельный тепловой поток от стенки к раствору равняется:

где - вычисленная ранее средняя температура раствора.

Расхождение между и в первом приближении составляет

Составляем таблицу 3.4, в которую заносим результаты первого и второго приближений, а также проверочный расчет:

Таблица 3.5

Прибли-жения и провероч-ный расчет	Конденсация греющего пара

I	118,5	113,5	5,0
II	118,5		11,5
III	118,5	109,4	9,1		55495,1
Прибли-жения и провероч-ный расчет	Стенка и ее загрязнения	Нагревание раствора

I			1,72	2946,8
II			2,26	2752,4	31102,1
III		86,7	2,1	2803,4	52961,2

II. Второе приближение.

Принимаем . Результаты - табл 3.4 строка II.

Расхождение по второму приближению: .

По результатам расчетов первого и второго приближения строим график . Полагая что при малых изменениях температуры, поверхностные плотности и линейно зависят от , графически определяем

III. Проверочный расчет.

Расчеты аналогичны расчетам первого приближения (см. табл. 3.4, строку III).

Расхождение и :

Коэффициент теплопередачи равен:

Поверхность теплообмена:

Запас поверхности:

3.5.3 Выбор типа аппарата

Поверхностная плотность теплового потока:

Определение температуры внутренней поверхности труб :

;

Определение температуры наружной поверхности труб:

;

Средняя температура стенок труб:

Средняя разность:

Величина меньше 40 К (/1/, табл. 35, стр. 534), поэтому (/1/, стр. 213) принимаем кожухотрубчатый горизонтальный теплообменник с неподвижными трубными решетками типа ТН.

Греющий пар NaNO3

3.6 РАСЧЕТ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА

Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:

где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; - начальная температура охлаждающей воды, ; - конечная температура смеси воды и конденсата, ; - расход вторичного пара (см. табл. 1), кг/с; - теплоемкость воды, .

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим, что при , . По заданию . Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 К, поэтому принимаем . Теплоемкость воды принимаем равной .

По расходу вторичного пара по (/3/, табл. 3.3, стр. 17) выбираем барометрический конденсатор смешения, диаметром , с диаметрои труб .

Высота трубы:

, (3.30)

где - высота водяного столба, соответствующая вакууму разряжения в конденсаторе и необходимая для уравновешивания атмосферного давления, м; - высота, отвечаемая напору, затрачиваемому на преодоление гидравлических сопротивлений в трубе и создания скоростного напора в барометрической трубе; 0,5 – запас высоты на возможное изменения барометрического давления, м.

;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений; - коэффициент трения.

Принимаем (/4/, стр. 365).

Находим критерий Рейнольдса:

где - динамический коэффициент вязкости воды, при температуре ,

По формуле 3.21 получаем:

Принимаем скорость смеси воды и парового конденсата в пределах 0,5-1,0 м/с,

По (/1/, табл. XII, стр. 519) принимаем среднее значение шероховатости стенки трубы , тогда отношение .

По (/1/, рис. 1.5, стр. 22) находим, что при таких Re и коэффициент трения равняется

Подставляя найденные значения в формулу 3.30 получаем:

откуда

8.97м.

Выбираем барометрический конденсатор диаметром , одноходовый, с высотой труб 5,97м.

3.7 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-НАСОСА

Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

где - количество газа. Выделяющегося из 1 кг воды; 0,01- количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

где - универсальная газовая постоянная R = 8,314 ; - молекулярная масса воздуха M = 29 кг/кмоль; - температура воздуха, ; - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.