Тема: выпаривание Тип выпарного аппарата выбрать самому. Выпариваемый раствор гидроксид калия KOH. Рассчитать двухкорпусную выпарную установку для упаривания водного раствора от начальной концентрации Хнач=6%, до конечной Хконеч= 30% производительностью Gнач= 14.5 т/ч. Давление пара подаваемого на обогрев 1го корпуса Р = 5.1атм. Вторичный пар из последнего корпуса направляется на конденсацию в барометрический конденсатор, где остаточное давление Рост = 123 мм.рт.ст. Раствор поступает в 1ый корпус при tкип. Полезную разность температур распределить по корпусам исходя из равных поверхностей нагрева.

Концентрация раствора: начальная – 6% масс.; конечная – 30 % масс.;

1. Технологический расчёт

1.1. Определение поверхности теплопередачи выпарный аппаратов

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

F = Q/K∆t_П

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

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

W = G_Н(1-x_Н/x_К)

G_Н = 14,5 т/ч ; x_Н = 6%; x_К = 30%.

Подставив, получим:

W = 14,5(1-6/30) = 13,7 кг/с

1.1.1 Концентрация упариваемого раствора.

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением.

w₁ : w₂ : w₃ = 1,0 : 1,1 : 1,2

Тогда

w₁ = 1,0W/(1,0+1,1+1,2) = 1,0W/3,3

w₂ = 1,1W/(1,0+1,1+1,2) = 1,1W/3,3

w₃ = 1,2W/(1,0+1,1+1,2) = 1,2W/3,3

w₁ = 1,0∙0,87/3,3 = 0,263кг/с

w₂ = 1,1∙0,87/3,3 = 0,29 кг/с

w₃ = 1,2∙0,87/3,3 = 0,32 кг/с

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

x₁ = G_H∙x_H/(G_H-w₁) (3)

x₂ = G_H∙x_H/(G_H-w₁-w₂)

x₃ = G_H∙x_H/(G_H-w₁-w₂-w₃)

Пдставив, находим:

x₁ = 1,53∙0,15/(1,53-0,263) = 18%

x₂ = 1,53∙0,15/(1,53-0,263-0,29) = 23,4%

x₃ = 1,53∙0,15/(1,53-0,263-0,29-0,32) =35%

Концентрация раствора в последнем корпусе x₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора x_k.

1.1.2. Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

∆P_ОБ = P_Г1 – Р_БК = 0,66-0,0115 = 0,649 МПа (4)

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

Р_Г1 = 0,649 МПа

Р_Г2 = Р_Г1 - ∆Р_ОБ/3 (5)

Р_Г3 = Р_Г2 - ∆Р_ОБ/3

Подставив, получим:

Р_Г2 = 0,66 - 0,649 /3 = 0,443 МПа

Р_Г3 = 0,443 - 0,649 /3 = 0,227 МПа

Давление в барометрическом конденсаторе:

Р_БК = Р_Г3-∆Р_ОБ/3

Р_БК = 0,227 – 0,649 /3 = 0,0115 МПа

что соответствует заданному значению Р_БК.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии :

Таблица 1.

P, МПа	t,°C	I,кДж/кг	i,кДж/кг
РГ1 =0,649	tГ1 = 160,4	IГ1 = 2752	i Г1 = 635,2
РГ2 = 0,443	tГ2 = 149,6	IГ2 = 2733,78	i Г2 = 578
РГ3 = 0,227	tГ3 = 122,4	IГ3 = 2706,9	i Г3 = 480,3
РБК = 0,0115	tБК = 59,57	IБК = 2606,7

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 (Δ'), гидростатической (Δ'') и гидродинамической (Δ''') депрессий (∑Δ=Δ' +Δ''+Δ''').

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают Δ''''=1,0-1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ'''' = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С ) равны:

t_ВП1 = t_Г2 + ∆₁''' (6)

t_ВП2 = t_Г3 + ∆₂'''

t_ВП3 = t_БК + ∆₃'''

Подставив, получим:

t_ВП1 = 149,6+ 1 = 150,6°С

t_ВП2 = 122,4+ 1 = 123,4°С

t_ВП3 = 59,57+ 1 = 60,57°С

Сумма гидродинамических депрессий:

∑∆''' = ∆₁''' + ∆₂''' + ∆₃''' (7)

∑∆''' = 3°C

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны сответственно в (Па) :

Таблица 2.

P, МПа	t,°C	r ,кДж/кг
PВП1 =0,462	tВП1 = 150,6	r ВП2= 2157,2
РВП2 = 0,244	tВП2 = 123,4	r ВП2= 2212,5
РВП3 = 0,0325	tВП3 = 60,57	r ВП3= 2332

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

Рср = Рвп + ρ∙g∙H∙(1-ε)/2 (8)

где H – высота кипятильных труб в аппарате, м; p – плотность кипящего раствора, кг/м³; ε – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_ор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000Вт/м², аппаратов с принудительной циркуляцией q=40000-80000 Вт/м². Примем q=40000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

Fop = Q/q = w₁∙r₁/q (9)

Fop = 0,87∙2157,2∙10³ /40000 = 8,9 м²

где r₁ = 2157,2– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

По ГОСТ 11987 – 81[3] трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 3, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 5 м при диаметре dн=38 мм и толщине стенке dст=2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет e = 0,4 – 0,6. Примем ε = 0.5. Плотность водных растворов, в том числе раствора KOH при соответствующих концентрациях и температурах в корпусах равна:

ρ₁ = 1089,18 кг/м³, ρ₂ = 1119,84 кг/м³, ρ₃ = 1188 кг/м³.

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

Р_СР1 = Р_ВП1 + ρ₁∙g∙H∙(1-ε)/2 (10)

Р_СР1 = 46,2∙10⁴ + 1089,18∙9,8∙4(1-0,5)/2 = 34,6∙10⁴ Па

Р_СР2 = Р_ВП2 + ρ₂∙g∙Н∙(1-ε)/2

Р_СР2 = 24,4∙10⁴ + 1119,84∙9,8 ∙4 (1-0,5)/2 = 19∙10⁴ Па

Р_СР3 = Р_ВП3 + ρ₃∙g∙Н∙(1-ε)/2

Р_СР3 = 3,25 ∙10⁴ + 1188∙9,8∙4(1-0,5)/2 = 3,25∙10⁴ Па

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя :

Таблица 3.

P, Па	t, °C	r,кДж/кг
РСР1 = 34,6∙104	tСР1 = 151,5	rВП1 = 2157,2
РСР2 = 19∙104	tСР2 = 124,95	rВП2 = 2212,5
РСР3 = 3,25∙104	tСР3 = 70,4	rВП3 = 2332

Определим гидростатическую дипрессию по корпусам:

Δ₁'' = t_СР1 - t_ВП1 (11)

Δ₂'' = t_СР2 - t_ВП2

Δ₃'' = t_СР3 - t_ВП3

Δ₁'' = 151,5- 150,6= 0,9 ⁰С

Δ₂'' = 124,95- 123,4 = 1,91 ⁰С

Δ₃'' = 70,4 – 60,57= 9,83 ⁰С

Сумма гидростатических депрессий:

∑∆'' = ∆₁'' + ∆₂'' + ∆₃'' (12)

∑∆'' = 0,9 + 1,91 + 9,83 = 12,64°C

Температурную депрессию Δ' определим по уравнению:

Δ'=1,62·10^-2·Δ'_атмТ²/r_вп (13)

где T- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; Δ'атм - температурная депрессия при атмосферном давлении [1, приложение 4.5].

∆_АТМ1' = 2,135°C

∆_АТМ2' = 3,302°C

∆_АТМ3' = 6,0°C

Находим значение Δ' по корпусам (в °C)

∆₁' = 1,62∙10^-2∙2,135∙(151,5+ 273)² / 2157,2= 2,70°C

∆₂' = 1,62∙10^-2∙3,302∙(124,95+ 273)² / 2212,5= 3,70°C ∆₃' = 1,62∙10^-2∙6,0∙(70,4+ 273)² / 2332= 4,92°C

Сумма температурных депрессий:

∑∆' = ∆₁' + ∆₂' + ∆₃' (14)

∑∆' = 11,31 °C

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

t_К1 = t_Г2 + ∆₁' + Δ₁'' + ∆₁''' (15)

t_К2 = t_Г3 + ∆₂' + Δ₂'' +∆₂'''

t_К3 = t_БК + ∆₃' + Δ₃''+ ∆₃'''

t_К1 = 150,6+ 2,70 +0,9+ 1 = 155,20

t_К2 = 123,4+ 3,70 + 1,91+ 1 = 129,65

t_К3 = 59,57 + 4,92 +9,83+ 1 = 75,32