Определение температур кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен, МПа:

(7)

где давление греющего пара в первом корпусе, МПа; давление греющего пара в барометрическом конденсаторе, МПа.

Подставив, получим, МПа:

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:

= 1,135

(8)

, МПа

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

(9)

, МПа

Что соответствует заданной величине давления греющего пара в барометрическом конденсаторе.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Полученные величины сводим в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 Значения давления, температуры и энтальпии

Давление, Мпа	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг
Рг1 = 1,135	tг1 = 192.368	I1 = 2926
Рг2 = 0,585	tг2 = 133.876	I2 = 2232
Рбк = 0,035	tбк = 120,327	Iбк = 5828

 

 

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

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей 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 (Δ^’), гидростатической (Δ^”) и гидродинамической (Δ^”’) депрессий.

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают Δ^”’ = 1,0 – 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ^”’ = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:

°С (10)

°С (11)

Сумма гидродинамических депрессий:

°С (12)

По температурам вторичных паров определим их давления:

Полученные величины сводим в таблицу 1.2

Таблица 1.2 Значения температуры и давления

Температура, °С	Давление, МПа
tвп1 = 134.876	Рвп1 = 0,601
tвп2 = 121,327	Рвп2 = 0,324

 

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению:

(13)

где Р_ВП – давление вторичных паров, МПа; Н – высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ – плотность кипящего раствора, кг/м³; ε – паронаполнение (объёмная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_ОР. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппарата с естественной циркуляцией q = 20000 – 50000 Вт/м². Примем q = 40000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна:

 

(14)

где r₁ = 2073 кДж/кг – теплота парообразования вторичного пара [2].

 

, м²

 

По ГОСТ 11987-81 трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 2, исполнение 1) состоят из кипятильных труб высотой 4 м при диаметре d_Н = 38 мм и толщине стенки δ_СТ = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 6 м. При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε = 0,4 – 0,6. Примем ε = 0,5. Плотность водных растворов при температуре 35 °С и соответствующих концентрациях в корпусах равна [3]:

ρ₁ = 1055 кг/м³; ρ₂ = 1371 кг/м³;

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры от 35 °С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объёмного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

, МПа

, МПа

 

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:

Полученные величины сводим в таблицу 1.3

Таблица 1.3 Значения давления, температуры и теплоты испарения

 

Давление, МПа	Температура, °С	Теплота испарения, кДж/кг
Р1ср = 0,611	t1ср = 136.271	rвп1 = 1677
Р2ср = 0,3342	t2ср = 123,463	rвп2 = 1850

 

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам (°С):

,°С

,°С

Сумма гидростатических депрессий равна:

,°С

Температурная депрессия Δ определяется по уравнению:

, (15)

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; r_ВП– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг; - температурная депрессия при атмосферном давлении, К [3].

 

Находим значение Δ^’ по корпусам (в °С):

, °С

, °С

Сумма температурных депрессий равна:

,°С

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °С):

, °С

, °С

В аппаратах с вынесенной греющей камерой и принудительной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора v = 2 – 2,5 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:

 

(16)

где ρ – плотность раствора, кг/м³; S – сечение потока в аппарате, м².

Сечение потока в аппарате S рассчитываемое по формуле:

(17)

 

S = S_труб ∙ n_труб =0,0011 ∙ 0,488=0,00055

где d_ВН – внутренний диаметр труб, м; Н – принятая высота труб, м.

Таким образом, перегрев раствора в j -м аппарате Δt_перj равен:

, (18)

где I_ВП – энтальпия вторичного греющего пара, кДж/кг; с_В, с_Н – теплоемкости соответственно воды и конденсата греющего пара, кДж/(кг∙К); t_К – температура конденсата греющего пара, К; М – масса конденсата, кг.

Полезная разность температур в каждом корпусе может быть рассчитана по уравнению:

(19)

Анализ этого уравнения показывает, что величина Δt_пер /2 представляет собой дополнительную температурную потерю. В связи с этим общую полезную разность температур выпарных установок с аппаратами с вынесенной зоной кипения нужно определять по следующему выражению:

(20)