Определение температур кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

(2.3)

где P_r1– давление греющего пара, МПа;

P_бк – абсолютное давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

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

равны:

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

,

что соответствует заданному значению P_бк.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1]:

Таблица 2.1 Давление паров по температуре и энтальпии

P, МПа	t, 0C	I, кДж/кг
Pг1 = 0,335	tг1 = 85	I1 = 1280
Pг2 = 0,184	tг2 = 65	I2 = 1260
Pбк = 0,0335	tбк = 56	Iбк =1150

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 ΣΔ от температурной

(Δ^/), гидростатической (Δ^//) и гидродинамической (Δ^///) депрессий (ΣΔ = Δ^/ + Δ^// + Δ^///).

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Δ^/// = 1,0…1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ^/// = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ⁰C) равны:

Сумма гидродинамических депрессий

ΣΔ^/// = Δ₁^/// + Δ₂^/// = 1 +1 = 2 ⁰С.

По температурам вторичных паров определим их давление [2]:

Таблица 2.2 Давление вторичных паров

Температура, °С	Давление, МПа
tвп1 = 66	Рвп1 = 0,217
tвп2 =57	Рвп2 = 0,0497

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:

, (2.4)

где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м;

ρ – плотность кипящего раствора, кг/м³;

ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе).

Для выбора значения H необходимо оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_ор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной

циркуляцией q = 20000…50000 Вт/м². Примем q = 40000 Вт/м².

Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна:

(2.5)

где r₁ – теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг.

По ГОСТ 11987 – 81 трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и cоосной греющей камерой состоят из кипятильных труб, высотой 3 и 4 м при диаметре d_н=35 мм и толщине стенки δ_ст=3 мм.

Примем высоту кипятильных труб H =3 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение

ε = 0,4…0,6.Примем ε = 0,5.

Плотность водных растворов, в том числе NaOH, при температуре 15⁰С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

ρ₁ = 1066 кг/м³, ρ₂ = 1111 кг/м³.

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 35 ⁰С до температуры кипения

ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

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

.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1]:

Таблица 2.3 Зависимость давления от температуры кипения и теплоты испарения растворителя

Давление, МПа	Температура, °С	Теплота испарения, кДж/кг
Р1ср = 0,01	t1ср = 70	rвп1 = 1730
Р2ср = 0,0086	t2ср = 60	rвп2 = 1682

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ⁰C):

Сумма гидростатических депрессий

Температурную депрессию Δ^/ определим по уравнению

(2.6)

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

Δ_атм^/ – температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение Δ^/ по корпусам (в ⁰C):

;

.

Сумма температурных депрессий

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ⁰C)

В аппаратах с вынесенной греющей камерой и естественной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора v = 0,6 …0,8 м/с.

Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:

(2.7)

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

(2.8)

(2.9)

где d_вн – внутренний диаметр труб, м;

Н – принятая высота труб, м.

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

(2.10)

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:

(2.11)

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:

(2.12)