Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Proektirovanie_montazh_i_ehkspluataciya_teplotekhnologicheskogo_oborudovaniya.pdf
Скачиваний:
56
Добавлен:
12.05.2020
Размер:
11.16 Mб
Скачать
То же на 1 кг раствора, поступающего на выпарку,

182

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОСНОВНЫМ ТЕМАМ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

 

1. Методические указания по расчету схемы установки концентриро-

вания водных растворов веществ

 

 

 

 

 

 

У

 

Задание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитать выпарную установку с одинаковыми поверхностями нагрева

корпусов для упаривания водного раствора вещества при следующих исходных

данных:

 

 

 

 

 

 

Н

 

-

вид раствора;

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

производительность установки Gк (или Gо);

 

 

 

 

-

начальная концентрация раствора bо;

й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

-

конечная концентрация раствора bк;

 

 

 

 

 

 

-

давление греющего пара р;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

давление в барометрическом конденсато е рк;

 

 

 

 

-

го

 

 

;

 

 

 

 

расход экстрапара из перв

 

к пуса ε1

 

 

 

 

-

т

раt .

 

 

 

 

 

 

начальная темпера ура рас в

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Расчет схемы двухкорпусной выпарной установки

 

 

 

з

подогревается в двух подогревателях (рису-

 

Раствор перед выпаркой

нок 1.1): в перв м – экстрапаром первого корпуса, во втором – острым паром до

тем ературы кипения раствора в первом корпусе. Установка работает без пере-

пуска и

ореохлаждения конденсата.

 

 

 

 

 

Количпство раствора, поступающего на выпарку,

 

е

G

o

= G

 

bк

.

(1.1)

 

 

Р

 

 

к b

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

Количество воды, выпаренной в установке,

 

 

W =Go Gк .

(1.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

183

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω =

 

W .

 

 

 

 

 

(1.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теплоемкость раствора, поступающего на выпарку,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с

о

= ссухbо +своды 100 bо

,

 

 

 

(1.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

где

ссух – теплоемкость сухого вещества; своды – теплоемкость воды;

bо

начальная концентрация раствора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε1

 

 

р1 , θ1

 

рк , θ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вторичный пар

вторичный пар

В конденсатор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

греющий пар, Р

 

I

 

 

 

 

II

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неконцентрированный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Концентрированный

 

 

 

 

 

раствор Gо, bо, t′о

 

tх

 

 

tо

 

 

 

t1

 

 

раствор Gк, bк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

конденсат

 

 

конденсат

 

 

конденсат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 - Схема двухкорпусной прямоточной выпарной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

Количество теплоты,

 

 

 

 

 

 

в подогреватель с экстрапаром,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q = ε1 r ,

 

 

 

 

 

(1.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

r – теплота паро браз вания экстрапара, определяемая из таблиц тер-

 

 

 

 

 

поступающее

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

модинамических свойс в воды и водяного пара [9] по давлению в корпусе.

 

 

Для

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

я давлен

я в корпусах находится перепад давлений, прихо-

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дящийся на дин корпус, по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

рр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определен

 

 

 

 

 

р

к ,

 

 

 

 

 

(1.6)

 

 

 

 

 

 

 

=

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

р – давление греющего пара; рк – давление в последнем корпусе;

n

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

число корпусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

Тогда давление в первом и во втором корпусах будет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

= р

 

р;

 

 

 

 

 

(1.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р2 = р1

р = рк.

 

 

 

 

 

(1.8)

184

Температура раствора tх после подогревателя экстрапаром определяется из уравнения теплового баланса подогревателя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

со tх tо = ε1 r η,

 

 

 

 

 

 

(1.9)

 

где η - коэффициент сохранения тепла подогревателем (η = 0,95…0,98);

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

х

= t

о

+

ε1 r η

 

 

 

 

 

Т

(1.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

Количество воды, выпаренной во втором корпусе,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

=

ω- ε1

.

Б

 

 

(1.11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Количество воды, выпаренной в первом корпусе,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

(1.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω = ωω .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Концентрация раствора в первом корпусе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

=

 

bo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

и1- ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

р

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

То же во втором корпусе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

b2 =

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1- ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теплоемкость раствора в первом корпусе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

втором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

с

=

 

ссухb1

+своды 100 b1

.

 

 

 

(1.15)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

же

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

корпусе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

То

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

с

2

=

ссухb2

+своды

100 b2

.

 

 

 

(1.16)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По справочным материалам [2, 7] и найденным концентрациям предварительно определяются температуры кипения раствора по корпусам и физические параметры раствора, которые можно свести в таблицу 1.1.

185

Таблица 1.1 – Основные теплофизические параметры воды и водного раствора по корпусам выпарной установки

 

 

 

 

 

Наименование параметра

 

 

I корпус

II

корпус

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вода

раствор

вода

 

раствор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плотность ρ, кг/м3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

 

Удельная теплоемкость при посто-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

янном давлении с, кДж/(кг К)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кинематическая вязкость ν 106, м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплопроводности λ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вт/(м К)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

 

Находятся значения температурных депрессий:

Н

 

 

 

- физико-химической

1

в зависимости от концентрации и с учетом давле-

 

h/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кип

 

 

 

 

 

 

 

ния;

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

р

 

 

- гид остат ческойй2, определяемой условно на по-

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ловине высоты h

ятильных труб выпарного аппа-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рата

ая п едварительно принимается. Для этого

 

 

2

 

 

 

2

р

 

 

 

, к т

 

h/2

 

 

 

 

 

 

 

по давлению в аппарате р находится температура ки-

 

 

 

 

 

 

 

з

пен я раствора в сечении 1-1 tкип1 (рисунок 1.2). Уве-

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2 – К опре-

 

л чение давления на половине высоты трубок с уче-

 

 

 

 

гидростат

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

делению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ческ й температурнойи

паронаполнения

ε = 0,4…0,6

определяется

по

 

 

депре

 

 

 

том

 

 

 

 

 

 

 

ссии

 

 

 

 

р = 1 h g ρ (1ε) и давление в сечении

 

е

 

 

 

 

 

 

 

формуле

2-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

= р+

 

 

. По давлению рнаходится температура кипения раствора в сече-

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нии 2-2 tкип2. Гидростатическая депрессия 2 = tкип2 - tкип1;

 

 

 

 

 

- гидравлическую депрессию 3

 

можно принять 0,5…1,0 оС для каждого

корпуса установки;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- суммарная температурная депрессия = 1 + 2 + 3. Полная разность температур в установке

186

 

tполн = tп θ2 ,

(1.17)

где tп – температура греющего пара (в первом корпусе), θ2 – температура вторичного пара второго корпуса.

Полезная разность температур в установке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tполезн =

 

 

tполн

i ,

 

 

(1.18)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

 

 

 

 

 

 

 

где n – число корпусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для выполнения условия одинаковой поверхности нагрева корпусов долж-

но соблюдаться равенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

=

 

к1

 

Q2

,

 

 

 

 

 

(1.19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t1

 

 

 

к2

 

 

Q1

 

 

 

 

 

 

 

 

где t1 и t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

и к2

- коэф-

 

- полезная разность температурБпо корпусам; к1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

фициент теплопередачи в корпусах; Q1

 

 

Q2

- тепловая нагрузка по корпусам.

 

 

 

 

 

 

Q2

 

 

ω2

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Можно принять

 

=

 

 

, а отношен е коэффициентов теплопередачи по

 

 

 

 

 

 

Q

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

опытным данным

1

= 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

t2

 

= 2

ω2

 

 

 

 

 

 

 

(1.20)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

 

 

tполезн =

 

t1 +

t2 .

 

 

 

 

 

(1.21)

Р

Р шая уравнения (1-20) и (1-21), находятся значения полезной разности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т мп ратур по корпусам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к вертикальной

стенке труб кипятильника выпарного аппарата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ2 g λ3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α =1,15 4

 

4

 

 

 

r

 

 

 

,

 

(1.22)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h(tн tст)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

μ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α tн tст = к t
(tн tст)= кα t , где t – полезная разность температур в

187

где ρ, λ, µ - плотность, коэффициент теплопроводности и кинематическая вязкость конденсата; g – ускорение свободного падения; r – теплота парообразования (конденсации); h – высота труб; tн - температура насыщения при давлении пара; tст – температура наружной поверхности труб кипятильника.

Разностью температур t = tн tст

необходимо предварительно задаться (с

последующей проверкой).

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ1,3

ρ0,5

 

ρ0,06

 

 

Т

 

 

 

 

α

2

= 780 q0,6

 

 

 

 

 

р

 

 

р

 

 

п

 

 

 

 

 

,

 

(1.23)

 

 

 

 

0,5

0,6

 

0,66

 

0,3

0,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σр

 

rв

 

ρо

 

 

ср

 

μр

 

 

где λр, ρр, σр, ср, µр – соответственно,

коэффициент теплопроводности,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

плотность, поверхностное натяжен е, теплоемкость и динамическая вязкость

раствора при соответствующей концент ацй; ρп – плотность вторичного пара

при давлении в аппарате; ρ – плотностьиаствора на входе в аппарат; rв – теп-

лота парообразования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при давлении в аппарате.

 

 

 

 

 

 

 

 

пара

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет α2 при вынужденн м движении раствора (в аппарате с принуди-

тельной циркуляц ей) пр

го

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

веден в [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вторичн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему рас-

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

твору с учет м термического сопротивления накипи

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

к =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

(1.24)

 

 

 

 

1

 

+

δст

+

δн

+

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

λ

ст

λ

н

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t = tн tст

. Из уравне-

 

Пров ряется принятая ранее разность температур

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи α2 от внутренней поверхности труб к кипящему раствору при естественной циркуляции раствора можно определить по формуле

ния

соответствующем корпусе выпарной установки.

Удельный (на 1 кг неконцентрированного раствора, поступающего на выпарку) расход греющего пара на первый корпус установки

188

 

 

 

 

 

d

=

ωco y2 +ε1 z2

,

 

 

 

 

 

(1.25)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где x2, y2, z2 – коэффициенты, которые определяются по формулам, приве-

денным в таблицах 2-5 и 2-6 [2]:

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 = 2 β2

св +σ2 ;

 

 

Т

 

(1.26)

 

 

 

 

 

 

y2 = 1 +β2 ;

 

 

 

(1.27)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

=1,

 

 

 

 

 

Н

 

 

(1.28)

 

здесь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β1 =

 

 

tо t1

;

 

 

 

 

(1.29)

 

 

 

 

 

 

 

 

i1′′ −cвt1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

 

=

 

 

t1

t2

;

 

Б

 

 

 

(1.30)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

cвt2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ

 

=

 

 

τ

1

τй

 

 

 

 

(1.31)

 

 

 

 

 

 

2

 

 

′′

 

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

i2 cвt2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если раствор поступает в пе вый ко пус предварительно подогретым до

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

температуры кипения,

 

о t

= t1

и β1

= 0. Так как установка работает без пере-

пуска конденсата, то σ2

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

св

– теплоемкость воды, i1 и i2

- эн-

 

В выражениях (1.26), (1.29) – (1.31)

 

Полныйрасход пара

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

′′

 

тальпия вт ричн го пара в первом и втором корпусе, соответственно,

t1

и t2 -

тем ература ки ения раствора в соответствующем корпусе.

 

 

 

 

Р

п

 

 

 

 

 

 

D = d1 Gо.

 

 

 

 

 

 

 

(1.32)

еУточняется количество выпаренной воды. Количество воды, выпаренной в

первом корпусе на 1 кг раствора,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω1 = d1 α1 +co β1.

 

 

 

 

 

(1.33)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

189

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как α1 = 1; β1 = 0, то ω1 = d1

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W1 = ω1 Gо = d1 Gо.

 

 

 

 

 

 

(1.34)

 

Количество воды, выпаренной во втором корпусе на 1 кг раствора, посту-

пающего на выпарку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω2 = ω1 - ε1 + co cв ω1 β2 ,

 

 

 

 

 

(1.35)

 

т.е.

 

 

 

 

 

 

 

 

W2

= ω2Gо

 

Н

 

(1.36)

 

Общее количество воды, выпаренной во всей установке,

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W =W1 +W2 .

Б

(1.37)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сравнить с ранее определенной величиной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

Проверяется количество тепла, переданное в отдельных корпусах:

 

- в первом корпусе

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q1

= d1 ro ,

 

 

 

 

 

 

(1.38)

 

где rо

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– теплота парообразован я г еющего пара;

 

 

 

 

 

 

- во втором корпусе

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

q2

= ω1 ε1 r1,

 

 

 

 

 

 

(1.39)

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

где r1

– теплота парообразования вторичного пара первого корпуса.

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q2

 

 

 

 

о Q1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и сравнивает-

 

Определяется отношен е полученных количеств теплоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

ся с ринятым ранее

Q2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пров ряются полученные концентрации раствора:

 

 

 

 

 

 

- в п рвом корпусе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b1 =

 

o

;

 

 

 

 

 

 

(1.40)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1ω1

 

 

 

 

 

 

- во втором корпусе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

=

bo

 

 

 

 

 

 

 

(1.41)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1ω

 

 

 

 

 

 

 

190

 

с ранее принятыми.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поверхность нагрева выпарных аппаратов:

 

 

 

- первого корпуса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F =

q1 Go

 

;

 

 

(1.42)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

к

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

- второго корпуса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

=

q2 Go

.

 

 

(1.43)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

к

2

t

2

 

 

 

 

У

 

Проверяется условие примерного равенства этих поверхностейТ.

 

По ГОСТ 11987-81 [5] выбирается стандартный выпарной аппарат на каж-

дую ступень выпаривания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбираются теплообменные аппараты, включенные в схему выпарной ус-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

тановки (рисунок 1.1), вспомогательное оборудование (насосы, конденсатоот-

водчики, барометрический конден

 

 

 

) [5].й

 

 

 

Рассматриваются вопросы ационального использования теплоты конден-

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

сата, вторичного пара перв

и вт

 

го ко пусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сатор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Определен е оп

мального

числа ступеней многокорпусной выпар-

ной установки

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Многоступенчатое выпаривание (рисунок 1.1) дает значительную эконо-

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мию

 

в й энергии. Ориентировочно расход греющего пара в выпарной ус-

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тановке с n к рпусами:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тепл

 

 

 

D =

W

,

 

 

 

 

(1.44)

 

 

 

 

ηn

 

 

 

 

 

W – общее количество выпаренной воды во всех корпусах установки;

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду, недоис-

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пользование энергии конденсата, а также увеличение теплоты парообразования с понижением давления. Для 3-ех и 4-ех корпусных установок η 0,85.

191

С увеличением числа корпусов снижается расход свежего греющего пара на установку (формула 1.44). Однако удельная экономия теплоты уменьшается с увеличением числа корпусов. В то же время удлиняется схема, повышается стоимость установки, усложняется обслуживание ее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

 

Упрощенно представив экономические затраты на процесс выпаривания в

виде трех составляющих: 1 - стоимость тепловой энергии (пара), 2 - затраты на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

обслуживание, 3 - амортизационные отчисления, можно суммарные затраты на

выпаривание в установках с различным числом ступеней представить в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

графика 4 (рисунок 1.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

руб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

Расход пара (линия 1) с ростом числа ступе-

 

Затраты,

 

 

 

 

 

ней снижается, затраты наНобслуживание (линия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) практически не изменяются, амортизационные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

возрастают пропорционально

 

 

 

1

 

 

3

 

расходы (л н я 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

числу ступенейй(ка·К), где К – величина едино-

 

 

 

 

 

 

 

 

в еменных капвложений, а ка – коэффициент от-

 

 

 

 

 

 

 

 

числений на амортизацию. Суммарные затраты

 

 

 

 

 

2

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(линия 4) имеют минимум, который для реальных

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

4

5 n

современных выпарных установок соответствует

о

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3 – Завис мость вел ч ны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

затрат от числа ступеней (корпусов)

3…4 ступеням выпаривания.

 

 

 

 

жно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эк н мическииптимальное число корпусов многокорпусной выпарной ус-

 

 

 

п

знайти по минимуму приведенных затрат, которые определяют

тановки м

 

по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

П =

К

+ Э, руб ,

 

 

(1.45)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тн

год

 

 

 

 

гдеК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

капитальные затраты,

руб.; Э

эксплуатационные затра-

ты, руб./год;

Тн – нормативный срок

окупаемости,

который можно принять

равным 5 годам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Капитальные затраты, зависящие от числа корпусов n, складываются из

стоимости всех корпусов,

подогревателя исходного раствора, вакуум-насоса,

192

арматуры, трубопроводов, КИП и вспомогательного оборудования, а также затрат на доставку и монтаж оборудования, устройство площадки, фундамент

здания и пр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С увеличением n наиболее существенно возрастает стоимость самих кор-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

пусов вследствие роста температурных потерь во всей установке и непропор-

ционального уменьшения полезной

разности

температур, приходящейся на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

один корпус. Растут также затраты на арматуру, трубопроводы, КИП и вспомо-

гательное оборудование, а также затраты на доставку и монтаж оборудования.

Эти затраты в совокупности составляют ~ 60–80 % от стоимости корпусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

Другие слагаемые капитальных затрат изменяются с ростом числа корпу-

сов менее значительно, и при минимизации приведенныхНзатрат их можно не

учитывать. В частности, стоимости подогревателя и насоса увеличиваются, так

 

 

 

 

 

 

и

 

 

как с увеличением n растут температура

давление в первом корпусе. Стоимо-

 

 

 

 

 

тора

вакуумй-насоса уменьшаются, так как

сти же барометрического конденса

 

уменьшается количество

вторичного

па

в последнем корпусе.

 

 

 

Эксплуатационные расх ды Э включают годовые амортизационные отчис-

ления и затраты на ремонт, пределяемые в долях от капитальных затрат коэф-

фициентами Ка

Кр, а акже за раты на пар и электроэнергию. Для прибли-

 

 

 

т

 

 

-1

 

 

–1

женных расчетов можно пр нять Ка = 0,1 год

и Кр = 0,05 год .

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

Наиб льшие

атратыиприходятся на греющий пар D, подаваемый в первый

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

корпус устан вкизи в подогреватель Dп,

причем с увеличением n достигается

существенная

экономия лишь пара на выпаривание, а расход пара на подогрев

 

 

исходного раствора до температуры кипения даже несколько возрастает за счет

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ув лич ния давления в первом корпусе.

асходы на электроэнергию в прямоточных установках (рисунок 1.1) с естественной циркуляцией незначительны (только на подачу раствора в первый корпус и поддержание вакуума), мало зависят от числа корпусов и в расчетах приведенных затрат с целью оптимизации могут не учитываться.

193

Для анализа влияния числа ступеней на суммарную величину поверхности нагрева, а, следовательно, и на стоимость установки рассмотрим две выпарные установки равной тепловой производительности: одноступенчатую и многоступенчатую с равными поверхностями нагрева в каждой ступени. Пусть указанные установки работают в одинаковых условиях по параметрам греющего и

вторичного пара, покидающего выпарную установку. Для простоты анализа

предварительно примем, что коэффициенты теплопередачи в одноступенчатой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

установке и в каждом аппарате многоступенчатой установки одинаковы, Кроме

того будем полагать, что температурные потери в установках отсутствуют.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

Тепловая нагрузка одноступенчатой установки выразится уравнением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q1

= k1F1t1,

 

Н

(1.46)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

а многоступенчатой установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

QΣ =

 

kiFiti

,

 

 

 

(1.47)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

и=1

 

 

 

 

 

где k

и k

i

- коэффициен

 

репл передачи, Вт/(м2·К);

F

и F

- поверхно-

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

полезные

 

 

 

 

 

1

i

сти нагрева, м2;

t

 

t

i

-

разности температур,

оС. Индекс 1 отно-

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сится к одноступенчатой выпарной установке, а индекс i – к аппаратам много-

ступенчат й устан

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

Fi

= idem , поэтому уравнение (1.47) можно записать в

 

По усл вию ki

= k1

;

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q = k F

n

t ,

 

 

 

 

(1.48)

виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Σ

 

i ii =1

i

 

 

 

 

 

Р

Так как параметры греющего и вторичного пара, покидающего выпарную

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

установку, одинаковы, а температурные потери отсутствуют, то общие полезные перепады температур в указанных установках равны между собой, т.е.

194

n

∑ ∆ti = ∆t1 . Кроме того, по условию Q1 = QΣ , сравнивая уравнения (1.46) и

i =1

(1.47), с учетом вышесказанного получим

 

 

 

 

Fi = F1

 

 

 

(1.49)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

т.е. при принятых условиях поверхность нагрева каждой ступени много-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

ступенчатой выпарной установки равна поверхности нагрева одноступенчатой

установки одинаковой тепловой производительности. Суммарная поверхность

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

всех ступеней многоступенчатой установки при равной поверхности нагрева

каждой ступени составит

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

F = n F ,

 

 

 

(1.50)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

i

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

где n - число ступеней многоступенчатой выпарной установки.

 

 

При выводе формулы (1.50) было п

йнято, что коэффициенты теплопере-

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

дачи в каждой ступени многоступенчатой установки одинаковы.

 

 

 

 

 

гут

 

 

 

 

 

 

 

 

Однако такие условия м

рбыть только при выпарке однокомпонентных

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

жидкостей, физические параме ры к торых не изменяются в процессе испаре-

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

ния. При выпарке рас воров коэффициенты теплопередачи сильно зависят не

только от фи ической пр роды

растворителя и растворенного вещества, но и

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

от концентрации выпариваемого раствора.

 

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В кажд й ступени многоступенчатой установки устанавливается опреде-

нное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

л

значение коэффициента теплопередачи, соответствующее концентрации

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

раствора в данной ступени. Если число ступеней уменьшить, то соответственно в оставшихся ступенях повышается концентрация раствора и понижается коэффициент теплопередачи. Следовательно, для поддержания заданной производительности при данной полезной разности температур уменьшение числа ступеней должно компенсироваться некоторым увеличением поверхности нагрева оставшихся ступеней. Но, с другой стороны, уменьшение числа ступеней

195

приводит к снижению температурных потерь в установке, т.е. ведет к некоторому увеличению полезной разности температур при заданной располагаемой разности. Таким образом, связь между поверхностью нагрева одноступенчатой установки и суммарной поверхностью нагрева многоступенчатой установки

равной производительности может быть выражена уравнением

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

F = χ n F ,

 

 

 

Т

(1.51)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

 

i

 

1

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где χ - поправочный коэффициент. В общем виде невозможно дать мето-

дику определения поправочного коэффициента

Б

 

 

 

χ . При предварительных расче-

тах принимается χ = 1.

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

Введем следующие обозначения для одноступенчатой выпарной установ-

ки, схема которой представлена на р

 

и

 

 

 

 

 

 

 

сунке 1.4:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

W, i”1, θ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D, i”гр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок

 

 

 

 

 

 

G1, b1, t1, c1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Go, bo, to, co

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

i’гр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

1.4 – Принципиальная схема одноступенчатой вы-

 

 

 

 

п

 

парной установки с характерными параметрами

 

 

 

 

– расх д раствора, поступающего в аппарат и выходящего из не-

 

Go

и

G1

щей

W – расход вторичного пара, кг/ч; bo, b1 – концентрация раствора, %;

го, кг/ч;

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

to, t1 – т мпература раствора,

 

С; сo,

с1 – теплоемкость раствора, соответствую-

 

концентрации, кДж/(кг·К); i"гр, tгр – энтальпия и температура греющего

пара, кДж/кг и оС; i'гр – энтальпия конденсата греющего пара, кДж/кг; i"1, θ1

энтальпия и температура вторичного пара, кДж/кг и

 

С.

 

 

 

Система уравнений материального баланса

196

 

 

 

 

 

 

W = G G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

(1.52)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G b G b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o o

 

 

 

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

позволяет найти недостающие расходы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимаем,

что в выпарной аппарат поступает раствор, доведенный до

температуры кипения to, зависящей от концентрации раствора bo.

У

 

 

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата без учета тепловых по-

терь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

Q + Go co to =W i1′′ + G1 c1 t1,

 

 

Т

(1.53)

где Q – расход теплоты с греющим паром.

Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =W

 

(i1′′ − c1 t1)

 

 

o

(co to

c1 t1)

 

 

(1.54)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рQ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необходимая поверхность наг еваиаппарата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

(1.55)

 

 

 

 

 

 

F =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

k1 t

гр t1

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k1 - коэфф ц ент теплопередачи от греющего пара к кипящему рас-

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

твору, Вт/(м2·К).

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С учет м выражения (1.54)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

(i1′′ − c1 t1)

 

 

o

 

(co to

c1 t1)

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

е

 

 

F =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

(1.56)

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

гр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

РСуммарная поверхность нагрева многоступенчатой выпарной установки в

соответствии с формулой (1.51)

n

i =1Fi

 

 

 

197

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

W

 

(i1′′ − c1 t1)

 

o

(co to

c1 t1)

 

 

W

 

= χ n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.57)

 

 

k

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

гр

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

Индекс 1 указывает на то, что данный параметр относится к одноступенчатой установке, которая по производительности эквивалентна рассматриваемой

многоступенчатой выпарной установке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

Параметры вторичного пара и раствора в последней ступени многоступенУ-

чатой установки будут такими же, как и в сравниваемом одноступенчатом ап-

парате. Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

(co to

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

(in cn tn )

 

W

 

cn tn )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fi = χ n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

,

(1.58)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

n

t

гр

t

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

cn и

tn

- теплоемкость

 

аство а

 

 

его температура кипения в послед-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

о

С;

 

 

 

 

 

- энтальпия вторичного пара по-

ней ступени выпаривания, кДж/(кг·К) и

 

 

 

in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

следней ступени,

кДж/(кг·К);

kn - к эффициент теплопередачи в последней

 

 

 

 

 

 

и

 

 

o

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ступени, Вт/(м2·К).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теплоемкость раствора

сходного и в последней ступени выпаривания в

зависим сти

т к нцентрации b

 

и b , %, определяется по формулам

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

c

= c

 

 

 

bo

 

 

+c

 

 

 

 

 

 

 

100 bo

,

 

(1.59)

 

 

 

 

сух 100

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

воды

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100 bn

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

cn = cсух

 

 

+cводы

 

 

,

 

(1.60)

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

100

 

 

 

где

 

c

сух

и

c

воды

- теплоемкость растворенного сухого вещества и воды,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соответственно, кДж/(кг·К).

198

Если последняя ступень работает под вакуумом, то расход охлаждающей воды на барометрический конденсатор, определяется из уравнения теплового баланса

 

 

 

 

Wn in + G cв tв

= G +Wn cв

tв ,

 

 

 

 

 

(1.61)

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

′′

 

 

′′

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G =

Wn in

cв tв

 

=

W in cв

tв

,

Н

 

 

(1.62)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cв(tв′′ − tв)

 

 

n cв(tв′′ − tв)

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

cв - теплоемкость воды, можно принять

Б

 

 

tâ

и tâ -

cв

= 4,19

кДж/(кг К);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

′′

температура охлаждающей воды на входе и выходе из конденсатора, оС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате величину приведенных затрат с учетом слагаемых, сущест-

 

 

 

 

 

 

 

 

nвыпаривания

, можно представить следую-

венно зависящих от числа ступеней

 

 

 

щим выражением:

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

руб/год,

 

 

 

(1.63)

 

 

 

П

= Цп D

τ + Ца

Fi + Цв G τ ,

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

i =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цп и

Цв - цена на греющий пар и охлаждающую воду, руб/кг;

Ца -

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

отчисления на аморт

тзац ю, ремонт, обслуживание установки в расчете на

1 м2 поверхности нагрева, руб/(м2·год);

D – расход пара на многокорпусную ус-

тановку, кг/ч;

τ - число часов использования установки, ч/год.

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ние

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляяозначения D ,

F

и

G из уравнений (1.44), (1.58) и (1.62) в

Р

 

 

 

 

 

i =1

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.63), получим, руб/год:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

199

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П = Цп

 

 

 

W

 

τ

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,85 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cn tn )

 

G

 

 

 

(co to cn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W (in

 

W

 

tn )

 

 

 

 

 

 

 

 

+ Ц

а

 

χ n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

(1.64)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

t

гр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

cв

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W (in

 

 

tв)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ Цв

 

n c

в

(t′′ − t)

τ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для определения оптимального числа ступеней, которое обеспечиваетУми-

нимальную стоимость выпарки, необходимо уравнение (1.64) продифференци-

ровать по n и приравнять первую производную нулю

 

 

 

 

 

Т

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dn

 

 

= −Цп

 

 

 

τ +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,85 n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

cn tn )

 

 

 

(co to cn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(in

 

W

 

 

tn )

 

 

 

 

 

 

 

 

+ Ц

а

 

χ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

й

 

,

 

 

(1.65)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tгр tn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

cв

′′

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ц

 

в

 

W (in

 

tв)τ = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cв(tв

 

tв)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда оптимальное ч сло с упеней

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

τ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

t

гр

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

=

 

 

Ца

 

χ

 

 

 

 

tn )W

 

 

 

 

 

 

.

(1.66)

 

 

 

 

пт

 

 

 

(in cn

 

 

(co to cn tn )

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цп

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(in

cв tв)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

+

Цв

 

c

 

 

(t′′ −t

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,85

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечание: С учетом размерности величин, описанных выше, в подкоренное выражение формулы (1.66) необходимо добавить множителем величи-

ну 3,6.