Рисунок 1 - принципиальная схема установки

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

(1.1)

Для определения тепловых нагрузок , коэффициентов теплопередачи K и полезной разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находятся методом последовательных приближений.

Первое приближение:

Производительность установки по выпариваемой воде определяем из уравнения материального баланса:

(1.2)

где, Ї расход исходного раствора ;

(масс.)Ї концентрация исходного раствора;

(масс.)Ї концентрация конечного раствора

Подставив, получим:

;

1.1 Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношении нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. Примем, что производительность по выпариваемой, воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

.

где и производительность по выпариваемой воде соответственно в первом и втором корпусах.

Тогда

(1.3)

Далее рассчитываются концентрации растворов в корпусах:

(1.4)

(1.5)

Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .

2. Определение температур кипения по корпусам

Общий перепад давлений в установке равен:

(2.1)

где, давление греющего пара, МПа.

;

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющего пара во втором корпусе (в МПа) равно:

(2.2)

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

(2.3)

что соответствует заданному давлению в барометрической камере.

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

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 (), гидростатической (), и гидродинамической () депрессий ().

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают на корпус. Примем для каждого корпуса . Тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

(2.4)

(2.5)

Сумма гидродинамических депрессий:

(2.6)

По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования. Они равны соответственно:

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности.

Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:

(2.7)

где Н - высота кипятильных труб в аппарате, м;

- плотность кипящего раствора кг/м³;

- паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

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

Примем . Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

(2.8)

Так как при выпаривании раствора нитрата калия выделяется незначительное количество осадка, по ГОСТ 11987-81 [2] выберем трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной зоной кипения (тип 1, исполнение Б), состоящие из кипятильных труб высотой 5 м при диаметре и толщине стенки .

При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет. Примем . Плотность водных растворов при температуре 28С и соответствующих концентрациях в корпусах равна [1]:

;

При определении плотности раствора в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 28 С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения .

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

(2.9)

(2.10)

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

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °С):

(2.11)

Сумма гидростатических депрессий:

(2.12)

Температурную депрессию определим по уравнению:

(2.13)

где T - температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; - температурная депрессия при атмосферном давлении [4]:

Находим значение по корпусам (в °С):

(2.14)

(2.15)

Сумма температурных депрессий:

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

(2.16)

°С

3. Определение полезной разности температур, тепловых нагрузок

Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:

(3.1)

(3.2)

Тогда общая полезная разность температур:

Проверим общую полезную разность температур:

3.1 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус D, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам Q₁, Q₂ определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

(3.3)

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

с_н, с₂ - теплоемкости растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах, [3];

t_н - температура поступления исходного раствора в 1-ый корпус,

(3.4)

где температурная депрессия для исходного раствора; I_г1, I_г2 - энтальпии гр. паров; i₁, i₂ - энтальпии жидкости (воды) при температурах греющих паров. При решении уравнений можно принять:

Теплоемкость раствора в первом корпусе найдем [2, стр. 254];

C_н= 4190•(1 - х) (3.5)

4190•(1 - 0,07)=3,897 кДж/(кг·К)

Теплоемкость раствора во втором корпусе найдем [2, стр. 253]:

С₂=4190•(1-x)+c₁•x (3.5)

4190•(1-0,25)+1013,9•0,25=3,396 кДж/(кг·К)

где c_1' - удельная теплоемкость растворенного вещества, Дж/(кг К) [2, стр. 254].

Решим систему:

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

;

;

;

;

.

Результаты расчета сведем в таблицу:

Таблица 3.1

Распределение параметров по корпусам установки

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых ( ) не превышает 3%, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

производительность материальный баланс теплопередача

4. Расчет коэффициентов теплопередачи

4.1 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора KNO3 в интервале изменения концентраций от 7 до 25 % [6]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не более 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности .

4.2 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

(4.1)

Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору показано на рисунок 4.1.

Рисунок 4.1 - Распределение температур в процессе теплопередачи от пара к кипящему раствору через многослойную стенку: 1 - пар; 2 - конденсат; 3 - стенка, 4 - накипь; 5 - кипящий раствор

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.

Получим:

(4.2)

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен [2]:

(4.3)

где - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

л_ж1, - соответственно плотность (кг/м³),

теплопроводность Вт/(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки t_пл = t_г1 - Дt₁/2,

где Дt₁ - разность температур конденсации пара и стенки, °С. Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем =2,0. Тогда

= - =127,36 - 1 =126,36 (4.4)

=999,75

=0,21 (Па•с)

=0,66

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q = Дt₁ = = Дt₂ (4.5)

Где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

Дt_ст - перепад температур на стенке, °С;

Дt₂ - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С

Отсюда:

Дt_ст = Дt₁• = 8484,7·2·3,296 · 10^-4 = 4,77°С (4.6)

Тогда:

Дt₂ = Дt_п1 - Дt_ст - Дt₁ = 16,81 - 4,77 - 2 = 10,04°С (4.7)

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен [6]:

= Aq^0,6 = 780 q^0,6 (4.8)

•=8484,7 • 2,0=16969,43

Таблица 4.1

Физические свойства кипящих растворов KNO3, и их паров

Подставив численные значения получим:

= 780•16969,43^0,6 =

= 4104,6

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q' = Дt₁ = 8484,7·2 =16969,4

q'' = Дt₂ =4104,6· 9,22 = 37826,32

Как видим, q'? q'', для второго приближения примем Дt₁ = 3,0°С

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при незначительном изменении температуры, рассчитаем по соотношению:

= 8484,7• = 7666,8 (4.9)

Получим:

Дt_ст = = 7666,8·3·3,296 · 10^-4 = 7,58°С

Дt₂ = 16,81 - 7,58 - 3 = 6,23°С

= 780•23000,41•^0,6 =

= 4926,25

q' = 7666,8·3 = 23000,414

q'' = 4926,25· 6,23 = 30676,71

Как видим .

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рисунок 4.2) и определяем

Рисунок 4.2

Получим:

= 8484,7• = 7376,965

Отсюда:

Тогда:

= 780•25819,38^0,6 =

= 5280,1

Как видим .

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов и на этом заканчивают.

Находим К₁ [2]:

К₁ = = 1527,58 (4.10)

Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса К₂. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен[2]:

Где - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

л_ж1, - соответственно плотность (кг/м³), теплопроводность Вт/(м·К), вязкость (Па·с) конденсата при средней температуре пленки t_пл, где Дt₁ - разность температур конденсации пара и стенки, °С. Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем = 2 град. Тогда

= - =107,58 - 1 =106,58

=1110,236

=0,363 ( Па•с)

=0,62

Дt_ст = 7488,3 · 2 · 3,296 · 10^-4= 5,59

Дt₂= 39,78 - 5,59 - 2 = 32,84

= =2407

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Размещено на allbest.ru