Основные технические данные испарителей со стекающей пленкой

(диаметр труб 38 х 2 мм)

Внутренний диаметр кожу­ха D, м	Число труб z, шт,	Площадь поверхности теплообмена F (м2) при длине труб L, м
		2,0 м	3,0 м	4,0 м	5,0 м
0,6	54	11,5	17,0	23,0	29
0,8	120	25,6	38,4	51,2	64
1.0	210	44,8	67,0	89,6	112
1,2	360	77,0	115,0	153,0	192
1,4	510	109,0	163,0	218,0	272
1,8	932	—	299,0	398,0	498
2,0	1154	—	370,0	493,0	616

Приклад 5.2. Розрахунок роторного плівкового випарювача.

Необходимо подобрать стандартный роторный пленочный аппарат для концентрирования раствора.

Производительность аппарата, приведенная к началь­ной концентрации

q_mн = 0,06 кг/с.

Начальная концентрация раствора х_н = 0,50 кг/кг;

конечная концентрация х_к = 0,75 кг/кг;

температура кипения при начальной концентрации t_кип.н = 83,5 °С,

температура кипения при конечной концентрации t_кип.к= 109 °С;

максимальная температура греющего пара t_п = 158°С;

допустимое время пребывания жидкости в зоне нагрева τ_доп = 30 с.

Теплофизические свойства раствора при средней концентрации имеют следующие значения:

_ж = 1097 кг/м³; с_р = 3,59^.10³ Дж/(кг^.К); _ж = 0,45 Вт/(м^.К);

r_н = 2,3210⁶ Дж/кг; _ж = 1,25^.10 ^-6 м²/с.

Предварительный расчет аппарата осуществляется в следующей последо­вательности.

Производительность аппарата по конечному раствору

q_mк = q_mнх_н / х_к = 0,06 = 0,04 кг/с.

Производительность по испаряемому растворителю

q_mв = q_mн - q_mк = 0,06 – 0,04 = 0,02 кг/с.

Средний массовый расход жидкости через аппарат

q_тср= (q_тн+q_тк)/2= (0,06+0,04)/2=0,05 кг/с.

Средний объемный расход жидкости

q_ж = 4,55^.10^-5 м³/с.

Тепловой поток, необходимый для нагревания раствора и испарения раство­рителя

Q = q_mн с_р(t_{kип к}—t_кип._н) + q_mвr_и =

= 0,06 ^. 3,59 ^.10³(109 - 83,5) + 0,02 ^. 2,32 ^. 10⁶ = 5,19^.10⁴ Вт.

Предварительно примем толщину стенки аппарата _cт = 12 мм (табл. 5.2);

коэффициент теплоотдачи со стороны греющего пара ₁ = 10⁴ Вт/(м^2.К);

коэф­фициент теплоотдачи со стороны перемешиваемой пленки

₂ =1,510³ Вт/(м^2.К);

термические сопротивления загрязнений со стороны греющего пара и продукта

r₁ = r₂ = 10⁴ м^2.К/Вт .

Корпус аппарата обычно бывает выполнен из нержавеющей стали с коэффи­циентом теплопроводности _ст = 17,5 Вт/(м^.К).

Тогда ориентировочное значение коэффициента теплопередачи составит

К = = 605 Вт/(м^2.К).

Разность температуры теплоносителей в верхней и нижней частях аппарата составит:

t_в = t_п  t_кип._н = 158  83,5 = 74,5 °С;

t_н = t_п  t_кип.к = 158 – 109 = 49^о С.

Средняя разность температур

t_cр = (t_в + t_н)/2 = (74,5 + 49) / 2 = 61,75° С.

Ориентировочная площадь теплообмена

F_min = = = 1,36 м².

При концентрировании или нагревании термолабильных растворов ротор­ный аппарат должен иметь площадь теплообменной поверхности меньше мень­шего из значений, вычисленных по формулам:

F_max1=2,3 g^0,45q / ; F_max2 = 0,55( gq _ж)^0,4.

Из этого условия найдем максимально допустимую площадь теплопередающей поверхности аппарата:

F_max1= 2,3 =13,2 м².

F_max2 = 0,56 = 11,2 м².

В соответствии с условием 1,36<F<11,2 из табл. 5.2 выбираем наименьший аппарат со следующими основными параметрами:

D = 0,3 м; F = 1,6 м²; H= 1,73 м; _{с т}= 10 мм; z = 6; _пл = 3 мм; n = 2,1 с^-1; N_э = 3 кВт.

Уточненный расчет аппарата проведем в следующей последовательности. Коэффициент мощности в предположении, что лопасти работают в режиме «стирания», вычисляем по формуле

K_N2 =7,75z²

К_N2 = 7,75^. 6 ^. 0,034² = 0,0548.

Параметр , входящий в это выражение,

 =2,4^.6^-0,33.155^0,27 (l,51•10⁵)^-0,38. 0,135^0,17 sin 60⁰ = 0,034.

Здесь критерии подобия соответственно составят

Re_пл = 4Г_ср/_ж = = 155;

Re_цб = nD²/_ж = = 1,51.10⁵;

Fr_цб =n²D/g = = 0.135.

При работе лопастей в режиме «плавания» коэффициент мощности при массе лопасти длиной 1 м, равной

m_уд = _лп_лпb = 7800 • 0,003 • 0,04 = 0,936 кг,

определим по формуле

К_N1 = 15,5 sin 2

К_N1 = 15,5 sin 120⁰ = 1,02.

В рассматриваемом случае К_N1>К_N2, т.е. лопасти работают в режиме «стирания» и зазор =0. Коэффициент мощности, характеризующий затраты энергии на вращение ротора, с учетом трения лопастей о корпус (лопасти стальные и коэффициент трения f =0,17) вычислим по формуле :

K_N3 =

К_N3 = = 0,286.

а мощность— по выражению :

N=К_Ni_жn³D⁴H

N =0,286^.10972,1³0.3⁴ 1,73=40,7 Вт.

Объемный расход жидкости в одном валике согласно

q_вл = (q_ж- q_пл)/z

составит

q_вл = = 0,76^.10^-5 м³/с.

Для нахождения площади сечения валиков выполним расчеты по уравне­ниям (5.100) и (5.101):

S_вл /D² = 0,95 Fr Re [q_вл/( D)]⁰'⁵⁶ (K_N/z)^0,12 (sin )-^0,32

S_вл = 3,75 [q_вл /(gsin )]^0,5

S_вл = 0,95.0.3² (1,51.10⁵)^-0,76.0,135^0,56 (sin 60)^-0,32 =10,4^.10^-6 м².

S_вл = 3,75 = 3,97.10^-6 м².

Принимаем площадь сечения валиков равной наибольшему из найденных значений: S_вд = 10,4^.10^-6 м²_.

Удерживаемый на теплообменной поверхности объем жидкости вычислим по формуле (5.94):

V_ж = DH + zHS_вл

V_ж = 0 + 6^.10,4^. 10^-6.1,73 = 1,08^. 10^-4 м³ .

Среднее время пребывания жидкости на теплообменной поверхности составит

_ср = V_ж_ж / q_mср = 1,08^.10^{-4 .} 1097 / 0,05 = 2,37 с.

Найденное время меньше допустимого (_доп=30 с), т. е. одно из условий выбора аппарата выдержано.

Коэффициент теплоотдачи найдем по формуле (5.130):

 =1,13(z n _ж с_р)^0,5

 = 1,13 (6^.2,1^.0,45^.1097^.3,59^.10³) = 1516 Вт/(м^2.К) ,

где Рг = с_р_ж_ж / _ж = 3,59^.10^3.1097^.1,25_.10^-6/0,45 = 10,94.

Уточненный коэффициент теплопередачи

К = = 652 Вт/(м^2.К).

Необходимая площадь поверхности теплообмена по формуле (5.119):

F=(Q-N)/(Kt_ср)

F = = 1,27 м².

Найденное значение F меньше площади теплообмена ранее выбранного аппарата РП-300-1,6, но больше, чем у ближайшего меньшего типа РП-160-0,8, поэтому окончательно выбираем аппарат РП-300-1,6.

Таблица 5.2