Задание

3.Технологический расчет аппарата

1. Задание на проектирование.

Спроектировать трёхкорпусную выпарную установку для концентрирования G_Н = 3.75 т/ч, (0,1.04 кг/с) водного раствора от начальной концентрации X_Н = 10,32% до конечной концентрации X_К = 20.00 %.

1. Обогрев производится водяным паром давлением P_r1 = 3.0 кгс/см². (29,43^.10⁴Па).

2. Давление в барометрическом конденсаторе P_БК = 0,8 кгс/см². (7,848^.10⁴ Па).

3. Тип выпарного аппарата: с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ.

Расчёт многокорпусных выпарных установок проводят методом последовательных приближений.

2.1. Первое приближение.

2.1.1. Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнений материального баланса:

W = Q*(1-X_Н/Х_К) = 1,04*(1-10,32/20,00) = 00,5 кг/с.

2.1.2. Расчёт концентраций упариваемого раствора.

Принимают, что производительность каждого корпуса по выпариваемой воде определяется соотношением W₁:W₂:W₃ = 1,0 : 1,1 : 1,2 (такое распределение на основании практических данных).

Тогда

W₁ = W*1.0/1.0+1.1+1.2 = 0,5*1,0/3.3 = 0,15 кг/с

W₂ = 0,5*1.1/3.3 = 0,17 кг/с

W₃ = 0.5*1.2/3.3 = 0.18 кг/с

Рассчитывают концентрации раствора по корпусам:

X₁ = G_н*X_н/G_н–W₁ =1,04*0,1032/1,04–0,15 = 0,1073/0,89=0.12 (12%)

X₂ = G_н*X_н/G_н–W₁-W₂ =1,04*0,1032/1,04-0,15-0.17 = 0,15 (15%)

X₃=G_н*X_н/G_н–W₁-W₂-W₃=1,04*0,1032/1,04-0.15-0.17-0.18=0,1073/0,54=0,2 (20%)

X₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора X_К.

2.1.3. Определение температур кипения растворов.

В первом приближении общий перепад давлений в установке распределяют по корпусам поровну. Общий перепад давлений равен:

P_ОБ= P_r1 - P_БК = 29,43^.10⁴-7,848^.10⁴ = 21,582^.10⁴ Па.

Тогда давление по корпусам равны:

P_r1 = 29,43^.10⁴ Па;

P_r2 = P_r1 - P_ОБ/3 = 29,43^.10⁴ – 21,584∙10⁴/3 = 22,236^.10⁴ Па;

P_r3 = P_r2 - P_ОБ/3 = 23^.10⁴ – 21,582^.10⁴/3 = 15,042^.10⁴ Па.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

P_БК = P_r3 - P_ОБ/3 = 15,042^.10⁴ – 21,582^.10⁴/3 = 7,848^.10⁴ Па.

Это соответствует заданной величине P_БК.

По давлению паров находим их температуры и энтальпии:

Давление, Па	Температура, оС.	Энтальпия, кДж/кг.
Pr1= 29,43.104	tr1 = 132,9	J1 = 2730
Pr2= 22,23.104	tr2 = 122,9	J2 = 2715
Pr3= 15,00.104	tr3 = 109,2	J3 = 2698
PБК = 7,80.104	tБК = 93,0	JБК = 2663

Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления паром на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах ^/// принимают равной 1,0 1,5 градуса на корпус. Примем ^/// для каждого корпуса по 1⁰, тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:

t_B1 = t_r2+∆₁^/// = 132,9+1,0 = 133,9⁰C

t_B2 = t_r3+∆₂^/// = 122,9+1,0 = 123,9⁰C

t_B3 = t_r3+∆₃^/// = 109.2+1.0 = 110.2⁰C

Сумма температурных потерь вследствие гидродинамических депрессий:

По температурам вторичных паров определим их давления.

Температура, 0С	Давление, Па
tВ1 = 133.9	PB1 = 30.45*104
tB2 = 123.9	PB2= 22.54*104
tB3 = 110.2	PB3 = 14.33*104

Определение гидростатической депрессии.

F_ср = Q/q = W₁*r₁/q = 0.15*2171*10³/40000 = 8,14 м²

По ГОСТу аппарата с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и зоной кипения (Тип 2, исполнение 2) имеют высоту кипятильных труб 4 м при диаметре труб d_Н = 38 мм и толщине стенки _СТ = 2 мм.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет  - 0,4  0,6. Примем  = 0,5. Плотность водных растворов CaCl₂ по корпусам при t = 15⁰ C равна:

₁ = 1102.8 кг/м³;

₂ = 1131 кг/м³;

₃ = 1178 кг/м³ .

Давление в среднем слое кипятильных труб по корпусам равно:

P_1СР=P_B1 +H^.₁^.g1 ^. / 2=30.45^. 10⁴ + 4 ^. 1102.8^. 9.8/ 2=32.55^.10⁴ Па;

P_2СР=P_B2 + H^.₂^.g₂^. / 2=22.54^. 10⁴ + 4 ^. 1131^. 9.8/ 2=24,75^. 10⁴Па;

P_3СР =P_B3 + H^.₃^.g₃^./ 2=14.33^. 10⁴ + 4 ^. 1178^. 9.8/ 2=16.63^. 10⁴ Па

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:

Давление, Па	Температура, оС	Теплота испарения, кДж/кг
P1СР =32.51. 104	t1СР = 135.9	rВ1 =2171,24
P2СР = 24.6. 104	t2СР = 126.25	rВ2 =2213,7
P3СР = 16.6. 104	t3СР = 114.5	rВ3 =2270

Температурная депрессия ^/ определяется по уравнению:

₁^/ = 1,62*10^-2*(135.9+273)²/2156,24*1.4=1.75⁰С

₂^/ = 1,62*10^-2*(126.25+273)²/2189*1.4=1,65⁰С

₃^/ = 1,62*10^-2*(114.5+273)²/2222*1.4=1.53⁰С

Сумма температурных депрессий равна:

_∑^/ = ₁^/+₂^/+₃^/=1.75+1.65+1.53=4.93⁰С

Температуры кипения раствора по корпусам:

t_k1=t_r2+₁^/+₁^///=123.9+1.75+1.0=126.65⁰C

t_k2=t_r3+₂^/+₂^///=110.2+1.65+1.0=112.85⁰C

t_k3=t_БК+₃^/+₃^///=93.0+1.53+1.0=95.53⁰C