Определение концентрации упариваемого раствора

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса. Уравнение материального баланса имеет вид:

, (2)

где G_н - производительность аппарата, кг/ч; х_н - начальная концентрация упариваемого раствора, %.масс; х_к - конечная концентрация упариваемого раствора, %.масс.

Подставив, получим:

кг/с.

Определение концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. Сделаем распределение концентраций на основании практических данных, приняв следующее соотношение массовых количеств выпариваемой воды по корпусам:

= 1,0:1,1:1,2

Тогда:

кг/с;

кг/с;

кг/с.

Далее рассчитаем концентрации растворов в корпусах:

;

или

;

или

;

или .

Концентрация раствора в последнем корпусе ₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора _к.

Определение температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

МПа.

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

МПа

МПа

МПа.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

МПа,

что соответствует заданному значению .

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [2] (таблица 1).

Таблица 1 – Распределение температуры насыщенных паров воды и удельных энтальпий по корпусам.

Давление пара, МПа	Температура насыщенного пара t, 0С.	Удельная энтальпия I, кДж/кг
Pг1 = 0,5886	tг1 = 158,1	I1=2768
Pг2 = 0,39567	tг2 = 143,1	I2=2744
Pг3 = 0,20274	tг3 = 120,4	I3=2711
Рбк = 0,00981	tбк = 45,4	Iбк=2581

Гидродинамическая депрессия

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают град на корпус. Примем ∆^/// = 1 град для каждого корпуса. Тогда температуры вторичных паров по корпусам будут равны:

⁰C;

⁰C;

⁰C.

Сумма гидродинамических депрессий:

⁰C.

По температурам вторичных паров определим их давления [2]

Р_вп1 = 0,4059МПа; Р_вп2 = 0,20804МПа; Р_вп3 = 0,0104 МПа.

1.4.2 Гидростатическая депрессия

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

(3)

где – высота кипятильных труб в аппарате, м; – плотность кипящего раствора, кг/м³; – паронаполнение, м³/м³.

Для выбора значения необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи аппарата . При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией = 20000-50000 Вт/м². Примем = 40000 Вт/м², тогда:

м²,

где – теплота парообразования вторичного пара[2], кДж/кг.

По ГОСТ 11987-82 [3] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре = 38 мм и толщине стенки = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб = 4 м. При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет = 0,4-0,6. Примем = 0,5.

Плотность водных растворов, в том числе раствора NH₄Cl [4] при температуре 20⁰C и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

кг/м³, кг/м³ , кг/м³.

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

Па;

Па;

Па.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [2] (таблица 2).

Таблица 2 – Температуры кипения и теплоты испарения растворителя.

Рср, МПа	tср, 0С	rвп, кДж/кг
0,4184	145,4
0,2207	123,6
0,024	63,3

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ⁰С):

;

Сумма гидростатических депрессий:

⁰С.

Определим температурную депрессию:

, (4)

где – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; – температурная депрессия при атмосферном давлении [1], ⁰С.

Находим значения по корпусам (в ⁰С):

;

;

.

Сумма температурных депрессий:

⁰С.

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ⁰С):

; ;

Перегрев раствора может быть найден из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Уравнение теплового баланса для j-го корпуса записывается в следующем виде:

G_нjc_нj(t_кj-1-t_кj)+Mc_нj t_перj=w_j(I_впj-c_вt_кj), (5)

где М – производительность циркуляционного насоса (в кг/с), для первого корпуса t_кj-1 – это температура раствора, поступающего в аппарат из теплообменника-подогревателя.

В аппаратах с естественной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна

М= S

Здесь S – сечение потока в аппарате (м²), рассчитываемое по формуле

S=F_орd_вн/4H,

где d_вн- внутренний диаметр труб, м; Н- принятая высота труб, м.

м²

М₁= кг/с; М₂= кг/с; М₃= кг/с.

Перегрев раствора в j-м аппарате равен:

(6)

⁰С,

⁰С,

⁰С,

Третье приближение

Полученные после перераспределения температур (давлений) параметры растворов и паров по корпусам представлены ниже (таблица 6).

Таблица 6-Параметры растворов по корпусам.

Параметр	Корпус
Производительность по испаряемой воде W, кг/с	0,73	0,81	0,89
Концентрация растворов х, %	6,8	11,3
Температура греющего пара в 1-ом корпусе tг1, 0С	158,1	-	-
Полезная разность температур ∆tп, град	19,5	22,3	33,9
Температура кипения раствора tк = tг-∆tп, 0С	138,6	112,2	72,4
Температура вторичного пара tвп = tк-(∆/+∆//), 0С	135,5	107,3	46,45
Давление вторичного пара Рвп, МПа	0,3131	0,1325	0,0386
Температура греющего пара tг = tвп-∆///, 0С	-	134,5	106,3

Рассчитаем тепловые нагрузки (в кВт):

Q₁=

Q₂=

Q₃=

Расчет коэффициентов теплопередачи, выполненный описанным выше методом, приводит к следующим результатам в Вт/(м²·К):

К₁=1670; К₂=1441; К₃=1181;

Распределение полезной разности температур:

град;

град;

град.

Проверка суммарной полезной разности температур:

град.

Сравнение полезных разностей температур ∆t_п, полученных в 3-м и 2-м приближениях:

Корпус

1 2 3

∆t_п в 3-м приближении, град 20,27 22,50 33,0

∆t_п в 2-м приближении, град 19,50 22,30 33,9

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F₁ = м²;

F₂ = м²;

F₃ = м².

По ГОСТ 11987-81 [2] выбираем выпарной аппарат (тип 1, исполнение 2)

со следующими характеристиками (таблица 7).

Таблица 7 – Техническая характеристика выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой.

Номинальная поверхность теплообмена Fн, м2
Диаметр труб d, мм	38х2
Высота труб Н, мм
Диаметр греющей камеры dк, мм
Диаметр сепаратора dс, мм
Диаметр циркуляционной трубы dц, мм
Общая высота аппарата На, мм
Масса аппарата Ма, кг

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

(16)

где - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²К); - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, выбирают в интервале 35-45⁰С; - температура изоляции со стороны аппарата; - температура окружающей среды, ⁰С; - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м²К).

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-го корпуса:

Вт/(м²К).

В качестве материала для тепловой изоляции выбираем совелит, имеющий коэффициент теплопроводности Вт/(м·К).

Тогда получим

м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,046 м и для других корпусов.

Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

, (17)

где I_бк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг, t_н – начальная температура охлаждающей воды, ⁰С, t_к – конечная температура смеси воды и конденсата, ⁰С.

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_к = t_бк-3,0 = 45,4-3,0 = 42,4 ⁰С.

Тогда:

кг/с.

Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора d_бк определяют из уравнения расхода:

, (18)

где ρ – плотность паров, кг/м³; υ – скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров υ = 15-25 м/с. Примем υ =20 м/с. Тогда:

м.

По нормалям НИИХИММАШа [6] подбираем конденсатор диаметром, равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром d_бк = 500мм.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса. Уравнение материального баланса имеет вид:

, (2)

где G_н - производительность аппарата, кг/ч; х_н - начальная концентрация упариваемого раствора, %.масс; х_к - конечная концентрация упариваемого раствора, %.масс.

Подставив, получим:

кг/с.

Определение концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. Сделаем распределение концентраций на основании практических данных, приняв следующее соотношение массовых количеств выпариваемой воды по корпусам:

= 1,0:1,1:1,2

Тогда:

кг/с;

кг/с;

кг/с.

Далее рассчитаем концентрации растворов в корпусах:

;

или

;

или

;

или .

Концентрация раствора в последнем корпусе ₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора _к.