ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Материальный баланс процесса выпарки

 

Расчёт концентраций упариваемого раствора

Определяем производительность установки по выпариваемой воде W, кг/с

(2.10)

где Gн – количество упаренного раствора, кг/ с;

хн, хк – соответственно начальная и конечная концентрации раствора,

масс. доли.

кг/с

На основании практических данных принимают, что выпариваемая вода

распределяется между корпусами в соотношении:

W1 : W2 : W3: W4 = 1,0 :1,1 : 1,2: 1,3

Тогда кг/с

кг/с

кг/с

кг/с

Проверка W = W1 + W2 +W3 +W4 = 8,0+8.8+9,6+10,4 = 38 кг/с

Рассчитываем концентрации растворов в корпусах

кг/кг ( 12% )

кг/кг ( 16% )

кг/кг ( 23% )

кг/кг (50% )

Концентрация в 4-м корпусе соответствует заданной Хк

Данные материального расчёта представим на схеме материальных потоков

 

Рисунок 2.3 - Схема материальных потоков по корпусам.

Определение температур кипения растворов

 

Температура кипения раствора в корпусе ( t і кип) определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса ( t і+1) и температурных потерь

(2.11)

 

Определение температур греющего пара

 

Примем, что перепад давления в установке DР распределяется между корпусами поровну:

МПа

где Рг1давление греющего пара в 1-м корпусе, МПа;

Рб.к.давление пара в барометрическом конденсаторе, МПа;

 

Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет:

Рг1= 1,0 МПа

 

По давлению греющего пара находим его температуру и теплоту парообразования rг ( табл. 2.1 ) по корпусам.

 

 

Таблица 2.1- Определение температуры и теплоты парообразования

 

Давление, МПа Температура, 0С Теплота парообразования, кДж/кг  
Рг1 = 1,0 tг1 = 179,84 rг1 = 2021
Рг2 = 0,752 tг2 = 166,79 rr2 = 2063
Рг3 = 0,504 tг3 = 151,94 rr3 = 2114
Рг4 = 0,256 tг4 = 127,85 rr4= 2185
Рб.к. = 0,00752 tб.к = 40,35 rб.к = 2403

 

Определение температурных потер

Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной ,гидростатической и гидродинамической депрессиями.

а) Гидростатическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус.

Примем = 1 град.

Тогда температура вторичных паров в корпусах равны:

град.

град.

град.

град.

Сумма гидродинамических депрессий:

град

По температурам вторичных паров определяется их давления и теплоты паробразования (табл. 2.2 ).

Найденные свойства греющего и вторичного паров по корпусам представим на схеме ( рисунок 2.4 ).

Таблица 2.2-Определение давления и теплоты парообразования

 

Температура, 0С Давление, МПа Теплота парообразования, кДж/кг  
tвп1 = 167,79 Рвп1 = 0,753 rвп1 = 2063
tвп2= 152,94 Рвп2 = 0,518 rвп2 = 2111
tвп3 = 128,85 Рвп3 = 0,261 rвп3 = 2182
tвп4 = 41,35 Рвп4 = 0,008 rвп4 = 2340

 

б) Гидростатическая депрессия обуславливается наличием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата температура кипения по высоте труб неодинакова. Величина не может быть точно рассчитана ввиду того, того что раствор в трубах находится в движении, причём величина зависит от интенсивности циркуляции и изменяющийся плотности парожидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб.

 

Рисунок 2.4 - Свойства греющего и вторичного паров по корпусам.

Приблизительно расчёт возможен на основании определения температуры кипения в среднем слое труб. Величина определяется как разность температуры кипения в среднем слое труб

( t ср) и температуры вторичного пара ( tср ):

(2.12)

Для того, чтобы определить tср, нужно найти давление в среднем слое

( Р ср) и по этому давлению определить температуру в среднем слое кипятильных труб. Плотность парожидкостной эмульсии в трубах при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора. Плотность раствора ( при 100 0 С) определяется в зависимости от концентрации раствора в корпусе.

Давление в среднем слое кипятильных труб ( в МПа) равно сумме давлений вторичного пара в корпусе и гидростатического давления столба жидкости ( D Рср)в этом сечении труб длиной Н:

(2.13)

Для выбора значения Н нужно ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q = 20000 Вт/ м2. Тогда поверхность теплопередачи 4-го корпуса ориентировочно будет равна:

м2

По ГОСТ 11987-81 для выпарного аппарата с естественной циркуляцией и блочной греющей камерой большая поверхность – 500 м2 при диаметре труб Ø 38 × 2 мм и длине труб Н = 6000 мм.

Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов ( в МПа) равны:

r1=1085,5 кг/ м3- плотность раствора NaOH при t = 100 0 и Х1 = 12 %

r2=1127,7 кг/ м3- плотность раствора NaOH при t = 100 0 и Х2 = 16 %

r3 =1202 кг/ м3- плотность раствора NaOH при t = 100 0 и Х3 = 23 %

r4 =1385 кг/ м3- плотность раствора NaOH при t = 100 0 и Х4 = 50 %

МПа

МПа

МПа

МПа

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования ( табл. 2.3 ).

Таблица 2.3-Определение температуры кипения и теплоты парообразования

 

Давление, МПа Температура, 0С Теплота парообразования, кДж/кг  
Р1ср = 0,768 t1ср = 168,66 r1ср= 2060
Р2ср = 0,535 t2ср = 154,24 r2ср = 2107
Р3ср= 0,279 t3ср = 130,86 r3ср =2177
Р4ср= 0,029 t4ср = 68,24 r4ср =2337

 

Определим гидростатическую депрессию по корпусам:

град

 

град

град

град

Сумма гидростатических депрессий составляет:

град

 

в) Температурная депрессия определяется по уравнению:

(2.14)

где Тср =( t ср+273)

– температурная депрессия при атмосферном давлении, град.

Находим по корпусам :

град – для 1- го корпуса при Х1 = 12 %

град – для 2-го корпуса при Х2 = 16 %

град – для 3-го корпуса при Х3 = 23 %

град – для 4-го корпуса при Х4 = 50 %

Находим значение по корпусам:

град

град

град

град

Сумма температурных депрессий равна:

 

град.

Тогда температуры кипения растворов в корпусах равны ( 0 С ):

t к1 = t г2 + 0 С

t к2 = t г3 + 0 С

t к3 = t г4 + 0 С

t к4 = t бк + 0 С

Расчет полезной разности температур

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является некоторой полезной разности температур греющего пара и кипящего раствора.

Полезные разности температур по корпусам равны:

D tп1 = t г1 – tк1 = 179,84 – 174,6 = 5,24 град.

D tп2 = t г2 – tк2 = 166,79 – 162,7 = 4,09 град.

D tп3 = t г3 – tк3 = 151,94 – 143,98 = 7,96 град.

D tп4 = t г4 – tк3 = 127,85 – 102,25 = 25,6 град.

Общая полезная разность температур:

град.

Проверим общую полезную разность температур:

град.

2.4.2 Тепловой баланс установки

 

Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в первом корпусе, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путём совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

(2.15)

Так как ( I г1 i 1) »r г1, а ( I вп1- св× t ) » r вп1 , то

(2.16)

(2.17)

(2.18)

Прежде чем написать уравнение теплового баланса для 4 – го корпуса, учтём что часть раствора в твёрдом виде выпадает в виде кристаллов в вакуумном кристаллизаторе.

Уравнение материального баланса для 3 – го корпуса имеет вид:

(2.19)

Где – расход раствора, поступающего в 3– й корпус;

– расход раствора, выходящего из 3 – го корпуса;

– количество кристаллов, которые выпадают в вакуумном кристал-лизаторе;

– количество влаги, упаренной в 3 – ем корпусе.

Расход раствора, поступающего в 3- й корпус определяется по формуле:

кг/с

(2.20)

– растворимость NaOH в 3 – ем корпусе

По таблице П2,[6] определяем растворимость NaOH при t к3

и концентрации раствора ( 10,9 %)

Решаем систему уравнений относительно

 

 

(2.21)

 

(2.22)

кг/с

кг/с – расход кристаллов, выпадающих в вакуумном кристаллизаторе.

Уравнение теплового баланса для 4 – го корпуса имеет вид:

Решаем следующую систему:

где D – расход греющего пара в первом корпусе, кг/с;

1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

Q1конц, Q2конц, Q3конц, Q4конц – теплота концентрирования по корпусам, величинами Qконц пренебрегаем , поскольку эти величины значительно меньше принятых 3% потерь тепла;

– температура кипения исходного раствора, подаваемого в первый корпус

 

– температурная депрессия исходного раствора при Х н = 10 %

Сн , С1 , С2, С3 , С4 – теплоёмкость растворов при концентрациях Хн, Х1, Х2, Х3, Х4

Теплоемкость ( кДж/кг×к) разбавленных водных растворов при Х £ 20 % рассчитывается по формуле:

 

Теплоёмкость раствора при Х > 20% рассчитывается по формуле:

(2.23)

где С т – теплоёмкость твердого химического соединения ( щёлочи NaOH )

 

(2.24)

где М = 39 кг/кмоль – молекулярная масса щёлочи NaOH

nNa, nH, nO – количество атомов каждого из химических элементов, входящих в химическое соединение.

С Na= 26 Дж/кг×атом×к – атомная теплоёмкость натрия.

Сн = 9,6 Дж/кг×атом×к – атомная теплоёмкость водорода

СО = 16,8 Дж/кг×атом×к – атомная теплоёмкость кислорода

 

(2.25)

]

D × 2021 = 1,03 × ( 499,68 + W1 × 2063)

W1 × 2063 = 1,03×( - 1450+ 43,93 × W1 + 2111 × W2)

W2 × 2114 = 1,03 ×( - 2177,6+ 65,99× W1 + 65,99 × W2+2182 × W3)

W3 × 2185 = 1,03 ×( - 4324,14 + 147,68 × W1 + 147,68 × W2 + 147,68 × W3 +

+ W4 × 2340 )

W = W1 + W2 + W3 + W4 = 38

 

D × 2021 = 514,67 + 2124,89 × W1

W = W1 + W2 + W3 + W4 = 38

 

 

W = W1 + W2 + W3 + W4 = 38

0,95×D – 0,25 + 0,88×D + 0,46 + 0,771×D + 1,43 + 0,55×D + 3,13 = 24

3,15 × D = 22,23

D = 7,06 кг/с

Тогда : кг/с

кг/с

кг/с

кг/с

Проверка кг/с

Отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно найденных по материальному балансу составляет не более 5%.

Определим тепловые нагрузки:

Q1 = D×rг1 = 6,1× 2021 = 12328 кВт

Q2 = W1×rг2 = 5,545× 2063 = 11439 кВт

Q3 = W2×rг3 = 5,828 × 2114 = 12320 кВт

Q4 = W3×rг4 = 6,13 × 2185= 13394 кВт

Полученные данные сводим в таблицу 2.4.

 

Таблица 2.4-Параметры растворов и паров по корпусам

Параметр Корпус
Производительность по испаряемой воде W, кг/с 5,45 5,828 6,13 6,485
Концентрация растворов Х, %
Давление греющих паров Рг,МПа 1,0 0,752 0,504 0,256
Температура греющих паров tгп, 0С 179,84 166,79 151,94 127,85
Температурные потери, 7,81 10,76 16,13 61,9
Температура кипения раствора tкип,0С 174,6 162,7 143,98 102,25
Полезная разность температур Dt, град 5,24 4,09 7,96 25,6
Тепловая нагрузка Q, кВт
Плотность пара rп, кг/м3 5,13 3,912 2,614 0,164
               

 

Расчёт коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи К (Вт/м2×к) можно рассчитать по уравнению:

(2.26)

где – коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенке к кипящему раствору соответственно, Вт/ м2×к;

– сумма термических сопротивлений загрязнений стенки и накипи,

2×к/Вт);

Dt 1 – разность температур между греющим паром и стенкой со стороны пара в первом корпусе, 0С.

Коэффициент теплоотдачи рассчитываем по уравнению:

(2.27)

где rг1 = 2021 кДж/кг – удельная теплота парообразования во 1-м корпусе

соответственно плотность (кг/м3 ), теплопроводность ( Вт/м2)

и вязкость конденсата ( Па×с) при средней температуре пленки.

Первоначально примем Dt1 = 1,5 0С

0С (2.28)

Значения физических величин конденсата по [ 11 ]:

(2.29)

Определим суммарное термическое сопротивление и величины Dt2 ,Dtст.

Допустим, что суммарное термическое сопротивление равно суммарному термическому стенки и накипи , а термическое сопротивление со стороны пара не учитываем. Толщина стенки трубы , тепловодность стенки , толщина накипи Вт/м×к, теплопроводность накипи .

м2 ×к/Вт

Коэффициент таплоотдачи от стенки к кипящему раствору в условиях естественной циркуляции для пузырькового режима в вертикальных трубах определяется по формуле:

где – плотность пара в 1 – ом корпусе;

- плотность пара при атмосферном давлении.

Значения величин, характеризующих свойства растворов NaOH, представлены в таблице 2.5.

 

=

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Как видим

Для второго приближения примем град

Вт/м2×к

Таблица 2.5- Физические свойства растворов NaOH

 

Параметр Корпус
Плотность раствора кг/м3 1085,5 1127,7
Вязкость раствора 1,36 1,258 3,308 11,45
Теплопроводность раствора 0,63 0,635 0,641 0,647
Поверхностное натяжение ×103 Н/м 78,1 81,8 88,8 111,3
Теплоёмкость раствора С, Дж/кг×к

 

град

град

Вт/м2×к

Вт/м2×к

Вт/м2×к

И снова

Для расчёта в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур Dt и определим истинное значение Dt1 = 0,35.

Вт/м2×к

град

град

Вт/м2×к

Вт/м2 ×к

Вт/м2×к

Как видно q1 » q2

Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, то расчёт коэффициентов заканчиваем и определяем коэффициент теплопередачи для 4-го корпуса:

(2.30)

 

Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

 

(2.31)

Найдём поверхности теплопередачи выпарных аппаратов по корпусам, расчёт производим по формуле (1.1):

 

 

По ГОСТ 11987 – 81 выбираем выпарной аппарат с поверхнос-тью теплообмена F=1000 м2 и длиной труб l=6 м. Выпишем техни-ческие характеристики выпарного аппарата (табл. 2.6).

 

Таблица 2.6 - Техническая характеристика выпарного аппарата

 

F при диаметре труб Æ38×2 и длине l = 6 м Диаметр греющей камеры D, мм Диаметр сепара-тора D1, мм Диаметр циркуляци-онной трубы D2, мм Высота аппарата Нап, м Масса аппарата m, кг  

 

Определяем запас поверхности по формуле:

Δ= (2.32)

Поверхность выбранного выпарного аппарата полностью удо-влетворяет нормальным условиям протекания технологического процесса.

2.5 Конструктивные расчеты

 

Определение диаметров штуцеров

 

Диаметр штуцера для разбавленного раствора

(2.33)

где Gн= 170000 кг/ч – производительность исходного раствора;

rн = 1064 кг/м3 – плотность исходного раствора при Хн = 10 %;

wн = 1 м/с – средняя скорость исходного раствора.

Принимаем dн = 200 мм

Диаметр штуцера для выхода упаренного раствора:

(2.34)

где Gк = Gн – W1 = 30,0 – 6,457 = 26,54 кг/с – расход упаренного раствора на выходе из 1-го корпуса;

wк = 1 м/с – скорость упаренного раствора на выходе из 1-го корпуса;

rк = 1085,5 кг/м3 – плотность упаренного раствора на выходе из 1-го

корпуса.

Принимаем dк = 200 мм

Диаметр штуцера для ввода греющего пара:

(2.35)

где wп = 40 м/с – скорость пара в паропроводе;

rп = 5,13 кг/м3 – плотность пара в 1-м корпусе;

 

 

Принимаем dп = 200 мм

 

 

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти