Температурный режим работы выпарной установки

Узловые точки технологической схемы	Температура,	Давление,
Барометрический конденсатор				0.715
Паровое пространство аппарата				0.740
Выход кипящего раствора в сепаратор		98.57	в сепараторе	0.740
Трубное пространство (середина высоты труб)		99.48		0.801
Межтрубное пространство греющей камеры		142,9		4,03
Вход исходного раствора в выпарной аппарат		92,0	-	-

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 - энтальпия вторичного пара, при температуре .

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

Теплоемкость воды по формуле 3.12 при температуре будет равна:

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 NH4Cl 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 хлорида аммония 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	142,9	139,9	3,0
II	142,9	137,31	5,59
III	142,9	136,06	6,85
IV	142,9	135.17	7.73
Прибли-жения и провероч-ный расчет	Стенка и ее загрязнения	Кипение раствора

I		13,88	125,73	109,9	28,65
II		20,65	116,66	109,9	19,58
III		24,05	112,01	109,9	14,93
IV		26.33	108.84	109,9	11.76

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).

Графическая зависимость

80000

70000

60000

50000

40000

30000

20000

0 133 134 135 136 137 138 139 140 141 tст1

Рис. 3.1

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 132 (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.
		92,0	142,9	4,03

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 :

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

Расход раствора :

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) 2-у ходовый 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 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; =7430 (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	142,9	137.9	5,0
II	142,9	131,4	11,5
III	142,9	132.6	9,1
Прибли-жения и провероч-ный расчет	Стенка и ее загрязнения	Нагревание раствора

I		118,73	1,642
II		98,2	1,804
III		100,08	1,783

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 (рис. 3.3, точка А).

Графическая зависимость

q1 q 2 х х х х

140000

130000

120000

110000

100000

90000

80000

70000

860000

840000

130 131 132 133 134 135 136 137 Рис. 3.3 tст1

III. Проверочный расчет.

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

Расхождение и :

Коэффициент теплопередачи равен:

Поверхность теплообмена:

Так как , то истинную поверхность теплообменника рассчитывают по формуле:

где - внутренний диаметр труб, - число труб, - длина труб.

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

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.