Определение поверхности теплопередачи выпарный аппаратов

Технологический расчёт

Определение поверхности теплопередачи выпарный аппаратов

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F = Q/K∆t_П

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = G_Н(1-x_Н/x_К)

G_Н = 14,5 т/ч; x_Н = 6%; x_К = 30%.

Подставив, получим:

W = 14,5(1-6/30) = 13,7 кг/с

Концентрация упариваемого раствора.

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением.

w₁: w₂: w₃ = 1,0: 1,1: 1,2

Тогда

w₁ = 1,0W/(1,0+1,1+1,2) = 1,0W/3,3

w₂ = 1,1W/(1,0+1,1+1,2) = 1,1W/3,3

w₃ = 1,2W/(1,0+1,1+1,2) = 1,2W/3,3

w₁ = 1,0∙0,87/3,3 = 0,263кг/с

w₂ = 1,1∙0,87/3,3 = 0,29 кг/с

w₃ = 1,2∙0,87/3,3 = 0,32 кг/с

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

x₁ = G_H∙x_H/(G_H-w₁) (3)

x₂ = G_H∙x_H/(G_H-w₁-w₂)

x₃ = G_H∙x_H/(G_H-w₁-w₂-w₃)

Пдставив, находим:

x₁ = 1,53∙0,15/(1,53-0,263) = 18%

x₂ = 1,53∙0,15/(1,53-0,263-0,29) = 23,4%

x₃ = 1,53∙0,15/(1,53-0,263-0,29-0,32) =35%

Концентрация раствора в последнем корпусе x₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора x_k.

Определение тепловых нагрузок.

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Q₁ = D∙ i _Г1 = 1,035∙[G_H∙c_H∙(t_K1-t_H)+w₁∙ r_ВП1+Q_конц] (19)

Q₂ = w₂∙ i _Г2 = 1,025∙[(G_H-w₁)∙c₁∙(t_K2-t_K1)+w₂∙ r_ВП2+ Q_конц2] (20)

Q₃ = w₂∙ i _Г1 = 1,015∙[(G_H-w₁-w₂)∙c₂∙(t_K3-t_K2)+w₃∙ r_ВП2 + Q_конц3] (21)

W = w₁ + w₂ + w₃ (22)

где 1,035; 1,025; 1,015 - коэффициенты, учитывающие потери тепла в окружающую среду; с_Н,с1,с2 - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг∙К) [4]; Q_конц, Q_конц2, Q_конц3 - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; t_н - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; t_н=t_вп1+∆'_н=150,7+1,76=140,5 (где ∆_н - температурная депрессия для исходного раствора); можно принять:

Анализ зависимости теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса:

Q_конц3 = G _сух Δq = G _н x _н Δq (23)

где G _сух – производительность по сухому KOH, кг/с; Δq – разность интегральных теплот растворения при концентрациях х₂ и х_3, кДж/кг.

Q_конц3 = 1,53·0,15 =0,233

Сравним Q_конц3 с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q_3ор

Q_3ор = (G_H-w₁-w₂)∙c₂∙(t_K3-t_K2)+w₃∙(I_ВП3-c_В∙t_K3) (24)

Q_3ор = (1,53-0,263-0,29) ∙3,64∙(75,32-129,65)+0,32∙(2606,7-4,19∙75,32) =371,8 кВт

Поскольку Q_конц3 составляет значительно меньше 3 % от Q_3ор, в уравнениях тепловых балансов пренебрегаем этой величиной.

Получим систему уравнений:

Q₁=D∙635,2=1,035∙[1,53∙3,85∙(155,20-22)+w₁∙2157,2]

Q₂=w₁∙578=1,025∙[(1,53-w₁)∙3,78∙(129,65-155,20)+w₂∙2212,5]

Q₃=w₂∙480,3=1,015∙[(1,53-w₁-w₂)∙3,65∙(75,32-129,65)+w₃∙2332]

w₁ + w₂ + w₃ = 0,55

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 0,360 кг/с; w₁= 0,283 кг/с; w₂ = 0,229 кг/с; w₃ = 0,322 кг/с

Q₁= 754,6 кВт; Q₂ = 720,2 кВт; Q₃ = 828,5 кВт;

Наибольшее отклонение вычесленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (w₁= 0,263 кг/с, w₂ = 0,29 кг/с, w₃ = 0,32 кг/с) не привышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения.

Параметры растворов и паров по корпусам

Таблица 4.

Параметр	Корпус
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	0,263	0,29	0,32
Концентрация растворов x, %		23,4
Давление греющих паров Pг, МПа	0,443	0,227	0,115
Температура греющих паров tг, °C	160,4	149,6	122,4
Температурные потери , град	4,60	6,61	15,75
Температура кипения раствора tk, °C	155,20	129,65	75,32
Полезная разность температур , град	9,2	13,95	39,72

 

Расчёт вспомогательного оборудования

Расчет барометрического конденсатора.

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще при температуре окружающей среды (около 20 °С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуума – насоса откачивают неконденсирующие газы.

Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

(36)

где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; t_н - начальная температура охлаждающей воды, °С; t_k – конечная температура смеси воды и конденсата, °С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

t_k = t _б.к - 3,0 = 59,57 - 3 = 56,57 °C.

t_H = 22 °C

I_БК = 2593,1 кДж/кг

с_В = 4,190 кДж/кг∙К

Тогда

Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяют из уравнения расхода:

(37)

где ρ – плотность паров, кг/м³, v – скорость паров, м/с

 

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров v = 15-25 м/с. Тогда

ρ_П = 0,8 кг/м³

Подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основые размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром

d_бк =500 мм.

Технологический расчёт

Определение поверхности теплопередачи выпарный аппаратов

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

F = Q/K∆t_П

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = G_Н(1-x_Н/x_К)

G_Н = 14,5 т/ч; x_Н = 6%; x_К = 30%.

Подставив, получим:

W = 14,5(1-6/30) = 13,7 кг/с