2 Цели и задачи проекта

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.).

3 Основная часть

В однокорпусной выпарной установке, принципиальная схема которой показана на рисунке 1, подвергается выпариванию раствор MgSO4 под вакуумом.

Исходный разбавленный раствор из промежуточной ёмкости Е1 подается в межтрубное пространство холодильника Х, где он нагревается, охлаждая концентрированный раствор. Потом попадает в подогреватель П (где нагревается греющим паром уже до температуры, близкой к температуре кипения), а затем – в трубное пространство греющей камеры выпарного аппарата ВА. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате. Греющая камера обогревается греющим паром, который поступает в ее межтрубное пространство. Конденсат греющего пара из выпарного аппарата выводится с помощью конденсатоотводчика.

Концентрированный раствор из выпарного аппарата подается в трубное пространство холодильника Х. Затем раствор отводится в вакуум-сборники Е2-3, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает в емкость концентрированного раствора Е4.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическим конденсатором БК и вакуум-насосом ВН.

Р исунок 1 - Принципиальная схема однокорпусной выпарной установки

4. Инженерные расчеты

4.1 Расчет выпарного аппарата

Основные уравнения материального баланса:

(1)

(2)

где - массовый расход начального раствора, кг/с;

- массовый расход конечного раствора, кг/с;

- массовая доля растворенного вещества в начальном растворе;

- массовая доля растворенного вещества в конечном растворе;

W – расход вторичного пара, кг/с.

Из формулы (2) получаем:

;

кг/с. (3)

Решая совместно уравнения (1) и (2) получаем:

;

кг/с. (4)

Абсолютное давление в барометрическом конденсаторе:

P1=Pабс=Ратм - Рвак =101325-44000=57000=0.057МПа

(5)

По заданному значению давления по таблице свойств насыщенного пара из [2] находим температуру в сепараторе выпарной установки:

Запишем формулу интерполяции:

(6)

∆t_г.

Принимаем .

По формуле (7) рассчитаем

⁰C

Где -– температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе

∆t_г.с - гидравлическая депрессия, или изменение температуры вторичного пара на участке сепаратор - барометрический конденсатор, вызванное падением давления пара из-за гидравлического сопротивления паропровода вторичного пара ∆p_г.с

По найденной температуре по паровой таблице из [2] с помощью интерполяции находим давление в барометрическом конденсаторе :

Конечная температура при которой конечный раствор выводится из аппарата определяется по формуле 5 приложения А при P=P₁ =57284 Па и x=x_кон =0,14

; (8)

Оптимальную высоту уровня в кипятильных трубах определяем по [2]:

(9)

где - плотности раствора ;

- плотности воды, ;

- рабочая высота труб, принимаем .

Плотность воды можно рассчитать по приложению А при :

; (10)

.

Плотность раствора определяем по приложению А при и x=x_кон=0,14:

; (11)

Подставляя найденные значения и в формулу (9) получаем:

Гидростатическое давление в середине высоты труб при определяем по формуле:

; (12)

.

Подставляя в формулу (8) давление и , находим температуру кипения раствора на середине кипятильных труб:

Найдем температуру греющего пара по формуле:

(13)

где - полезная разность температур

Принимаем = 25 К.

Рассчитаем t_гр.п:

⁰C

По найденной температуре находим давление греющего пара P_гр.п по таблице свойств насыщенного пара из [2]

Тепловая нагрузка выпарного аппарата равна:

где – расход теплоты на нагревание раствора, Вт;

– расход теплоты на испарение влаги, Вт;

– расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду (3-5% от суммы ).

где –удельная теплоемкость разбавленного раствора, определяется при . Ее найдем по формуле

где

–удельная теплоемкость воды, находится по формуле:

Тогда:

где – расход вторичного пара, кг/с;

– удельная теплота парообразования, Дж/кг. Ее определяем по температуре по паровой таблице из [2] путем интерполяции по формуле (6):

Таким образом находим энтальпию вторичного пара по таблице свойств насыщенного пара из [2]:

Вт

Теперь по формуле (14) определим тепловую нагрузку выпарного аппарата Q:

Расход греющего пара в выпарном аппарате определяем по уравнению:

(19)

где - удельная теплота конденсации греющего пара, определяем при температуре по таблице свойств насыщенного пара из [2]

Теперь по формуле (11) определим :

Удельный расход греющего пара:

(20)

Запишем уравнение теплопередачи:

, (21)

где K – коэффициент теплопередачи, ;

F – поверхность теплообмена, ;

-средняя движущая сила процесса теплопередачи, ⁰С.

Коэффициент теплопередачи К определяется по формуле:

, (22)

где , - коэффициенты теплоотдачи, ;

- суммарное сопротивление стенки, .

Найдем по формуле:

, (23)

где , - термические сопротивления загрязнений, ;

- толщина стенки, 2·10^-3м;

- коэффициент теплопроводности стали, 46,5 .

Значения , определяем из [2]:

Теперь по формуле (23) найдем суммарное термическое сопротивление стенки:

Коэффициенты теплоотдачи , определяются по формулам:

(24)

(25)

Определим величины, входящие в эти уравнения:

Величину функции A_t находим из [2] при температуре t_гр.п=116.05⁰С путем интерполяции:

Безразмерная величина b определяется по формуле:

(26)

где - плотность раствора;

- плотность пара;

определяем по формулам (5) и (6) при t= t_кип=88.35⁰С и x=x_кон=0,14 :

определяем по таблице свойств насыщенного пара из [2] путем интерполяции при t_кип= :

Теперь определим по формуле (26) безразмерную величину b:

Для кипящего раствора MgSO4 коэффициент теплопроводности мы рассчитываем по формуле 4 приложения А при t= t_кип= 91.05 ⁰С и x=x_кон=0,14:

(27)

- коэффициент теплопроводности воды, .

(28)

Тогда по формуле (27) получаем:

Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле 2а приложения А:

(29)

- вязкость воды, . Находим по формуле 2б приложения А:

(30)

При температуре t= t_кип= и x=x_кон=0.14 получаем:

.

Ранее мы определили плотность раствора при t=t_кип=91.05⁰С и x=x_кон=0.14:

Кинематическая вязкость ν находится по формуле:

(31)

Где - динамический коэффициент вязкости,

Найдем кинематическую вязкость ν по формуле (31):

Поверхностное натяжение σ берем из [2] путем интерполяции при t_кип=88.35 :