Материальный баланс.

Количество выпаренной воды определяется по формуле (3.4):

Количество упаренного раствора:

Тепловой расчет

Определение температуры кипения раствора. Температура кипения раствора определяется по формуле (3.14). Температура вторичного пара, поступающего из выпарного аппарата в барометрический конденсатор, при р = 0,0196 МПа, равна 59,7 °С (табл. П 32).

На основании практических рекомендаций принимаем гидравлическую депрессию Δ'" = 1 °С. Тогда температура вторичного пара в выпарном ап­парате равна:

t'_п= Δ'" + t_кип =59,7+ 1=60,7 °С.

Этой температуре соответствует давление = 0,0207 МПа, теплота па­рообразования r = 2355,54 кДж/кг (табл. П 32).

Гидростатическую депрессию Δ" определяем следующим образом.

Определяем высоту оптимального уровня раствора в кипятильных тру­бах Н_опт, м, по уравнению (3.18).

Для выбора значения высоты трубы Н ориентировочно определяется площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата F_op (формула (3.12)). При кипении водных растворов солей удельная тепловая нагрузка для аппа­ратов с естественной циркуляцией q = 20 000 50 000 Вт/м². Принимаем q = 30 000 Вт/м². Тогда

По ГОСТ 11987—81 принимаем выпарной аппарат со следующей харак­теристикой: поверхность теплообмена 355 м²; длина труб 5 м; диаметр труб 38 2 мм; шаг между трубами 48 мм; материал труб — сталь Х18Н10Т.

Ориентировочно принимаем температуру кипения раствора в аппарате на 20 °С больше температуры вторичного пара, т.е. t_кип 80 °С.

Следова­тельно,

,

где 1223 и 972 кг/м³ - плотность соответственно раствора и воды при 80 °С.

Увеличение давления в среднем слое раствора (уравнение (1.8)):

18 338 Па = 0,0183, МПа

Таким образом, давление в среднем слое кипятильных труб:

р_ср = 0,0207 +0,0183 = 0,039 МПа.

Этому давлению соответствует температура кипения воды t = 75,4 °С и теплота парообразования r = 2320 кДж/кг.

Следовательно, гидростатическая депрессия равна:

Δ" = 75,4 — 60,7= 14,7, °С

Температурная депрессия определяется по формуле (1.6):

Δ' = ,°С

где Δ_атм=13,57 °С - температурная депрессия 60 % раствора при атмосфер­ном давлении (табл. П 1).

Температура кипения раствора находиться по уравнению (3.14):

= 59,7+ 11,5+ 14,7 + 1 = 86,9, °С

Полезная разность температур определяется по уравнению (3.13):

Δt_{пол кип} = 112,7-86,9=25,8, °С

Расход греющего пара D_г.п, определяется из уравнения теплового баланса,

= , кг/с

где h = 2607 кДж/кг - энтальпия вторичного пара; с_н = 3866 — удельная теплоемкость 10% раствора; с_к = 2618,1 — удель­ная теплоемкость упаренного раствора; r_п = 2227 кДж/кг — удельная теплота парообразования воды при р_г.п = 0,157 МПа; 0,95 — коэффици­ент, учитывающий 5 % потерь теплоты в окружающую среду.

Тепловая нагрузка греющей камеры (уравнение (3.9)):

, Вт

Находится коэффициент теплоотдачи в соответствии с уравнением (3.15) Для этого определяется коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке α₁, , по уравнению (3.16).

Расчет α₁ ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Δt₁=2 °С.

=2,04

По таблице свойств водяного пара при давлении 0,157 МПа (табл. П 32) и воды (табл. П31):

Удельная теплота конденсации r=2227 кДж/кг

Плотность конденсата ρ_ж=951 кг/м³

Коэффициент теплопроводности λ_ж=0,685

Коэффициент динамической вязкости μ_ж= 0,153 .

Коэффициент теплоотдачи α₂ от стенки к кипящему раствору определяем в среднем слое раствора (формула (3.17)).

Константы раствора при температуре кипения (табл. П11-П14): ρ=1215,6 кг/м³; μ=0,782 ; λ=0,4247 ; с=2618,1 ; σ = 71,0 Н/м (табл. П2)

Свойства водяного пара при р = 0,039 МПа: r = 2292,4 Дж/кг; ρ_п= = 0,38 кг/м³.

Плотность водяного пара при р=0,1 МПа ρ₀=0,579 кг/м³. Следовательно,

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле (3.15):

где δ_тр = 0,002 м – толщина стенки труб; λ_тр=16,4 – коэффициент теплопроводности стали Х18Н10Т; 1/r_з1= 5000 – тепловая проводимость загрязнений со стороны раствора и 1/r_з2= 5800 – тепловая проводимость загрязнений со стороны пара (приняты).

Полное термическое сопротивление теплоотдачи будет равно, формула (3.22):

,

В соответствии с уравнением (3.22):

°С.

Тогда

°С.

Удельный тепловой поток от пара к стенке будет равен:

, Вт/м²

Тогда Вт/(м²·К).

Далее проводиться проверка правильности первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

, Вт/м²

, Вт/м²

Как видим, . Для второго приближения принимаем Δt₁= 3 °С.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1 °С, определяем α₁ по соотношению:

Вт/(м²·К),

°С,

_кип °С,

Вт/(м²·К),

Вт/м²,

Вт/м².

Как видно . Расхождение 2,86 %. Если расхождение между не превышает 3 %, тогда находится коэффициент теплопередачи, по уравнению (3.15).

Поверхность теплообмена будет равна:

м²

По ГОСТ 11987-81 выбираем номинальную площадь поверхности теплообмена F_н=500 м² (прил. 4).

4.2. Расчет трехкорпусной вакуум-выпарной установки

Схема трехкорпусной вакуум-выпарной установкипредставлена на рис. 4.3. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12 подается в теплообменник 14, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем в первый корпус 11 выпарной установки. Предварительный нагрев раствора повышает интен­сивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус и теплообменник обогреваются насыщенным водяным паром, поступающим из котельной. Вторичный пар, образующийся при кон­центрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве грею­щего во второй корпус 10. Сюда же поступает частично сконцентрирован­ный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус 7 обогревается вторичным паром второго и в нем проводится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давления, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 3, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды из водооборотной системы и отсосом неконденсирующихся паров вакуум-насосом 5. Смесь охлаждающей воды иконденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 4 и направляется для охлаждения в градирню. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор поступает в сборник упаренного раствора, откуда центробежным насосом 9 подается потребителю. Конденсат греющего пара из первого корпуса выпарной уста­новки и теплообменника подается в котельную, а конденсат из второго и третьего корпусов — на технологические нужды производства.

Схема автоматизирована. Принципы контроля и регулирования парамет­ров технологического процесса такие же, как для однокорпусной выпарной установки.

Задание на проектирование.Спроектировать трехкорпусную вакуум-вы­парную установку для концентрирования раствора едкого калия от началь­ной массовой концентрации b₀= 5 % до конечной b₃= 40 % при следую­щих условиях:

1) количество поступающего раствора G₀=40 000 кг/ч (11, 12 кг/с);

2) обогрев осуществляется насыщенным водяным паром давления р_г.п = 1,079 МПа;

3) абсолютное давление в барометрическом конденсаторе

р_б.к.= 0,0147 МПа;

4) взаимное направление пара и раствора — прямоток; отбор экстра-пара не производится;

5) выпарной аппарат — с выносной нагревательной камерой тип 1, исполнение 2;

6) раствор перед подачей в первый корпус подогревается до темпера­туры, близкой к температуре кипения в одном теплообменнике, насыщенным водяным паром из котельной;

7) температура раствора, поступающего на установку, t =25 °С;

8) начальная температура охлаждающей воды t= 20 ^оС;

9) температура конденсата вторичного пара, выходящего из баромет­рического конденсатора, ниже температуры конденсации на 3 ^оС;

10) при разработке схемы выпарной установки предусмотреть насосы, емкости, вакуум-насос, барометрический конденсатор и другие необходимые устройства.