1. Предварительный выбор поверхности нагрева выпарных аппаратов

Предварительный расчет требуемой поверхности нагрева выпарных аппаратов для обеспечения заданной производительности установки при известной кратности выпаривания производится по рекомендуемым удельным паропроизводительностям корпусов U, которая для выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией находится в пределах 13-20 кг/м²∙ч. С увеличением U уменьшается период работы выпарной установки между промывками поверхностей нагрева, но уменьшается также и требуемая поверхность нагрева аппаратов при заданной производительности установки. При больших значениях паропроизводительности необходимо иметь большую суммарную полезную разность температур на все корпуса установки.

Для расчета требуемой поверхности нагрева выпарного аппарата необходимо определить общее количество выпариваемой воды W по уравнению материального баланса установки:

,

Где G₀ – производительность установки по начальному раствору, кг/с; х_н и х_к – начальная и конечная концентрации раствора, % масс.

G₀=38∙10³/3600=10,55 кг/с

W=10,55∙(1-13/52)=7,92 кг/с

Тогда поверхность нагрева выпарного аппарата составит:

,

Где n – число корпусов в установке4 n=3.

Примем U=15 кг/м²∙ч=4,17∙10^-3 кг/м²∙с

м²

Из учебного пособия [1] выбираем стандартный аппарат с поверхностью нагрева F_ст=630 м², диаметр труб d=38×2, длина труб l=6000 мм

Для выбранного аппарата определим количество труб n_т в греющей камере по уравнению:

F_ст=π∙d_н∙Н∙n_т

шт.

2. Предварительное распределение выпариваемой воды по корпусам установки

Количество выпариваемой воды в конкретном корпусе выпарной установки зависит от схемы ее работы и определяется расходом греющего пара в этом корпусе, температурой и расходом поступающего в него щелока. Следовательно, распределение выпариваемой воды по корпусам можно определить при решении системы уравнений теплового баланса для конкретной схемы работы установки. Однако, на данном этапе расчета решение этой системы не представляется возможным из-за отсутствия данных для определения теплофизических параметров пара и щелока по каждому корпусу. Разрывая круг взаимосвязанных между собой физических величин и параметров, определяющих работу каждого корпуса установки, зададимся условным распределением выпариваемой воды по корпусам, исходя из схемы работы установки. При этом будем учитывать, что весь соковый пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего в следующем корпусе, так как отбор экстра-пара между корпусами отсутствует.

В конкретной установке возможны два случая работы любого корпуса, связанные с количеством теплоты, поступающим в аппарат с раствором:

1. раствор поступает в аппарат после подогревателя, в котором он нагревается до температуры кипения в этом корпусе или чуть выше ее.

2. раствор в аппарат поступает из предыдущего корпуса, а, следовательно, его температура будет больше температуры кипения в данном корпусе.

В первом случае вся теплота, выделяющаяся при конденсации греющего пара и равная Q_конд=D_iг∙r_iг=W_(i-1)∙r_iг, будет полностью расходоваться (пренебрегая потерями теплоты в окружающую среду) на испарение воды из щелока (Q_кип=W_i∙r_iс). Следовательно можно записать:

W_(i-1)∙r_iг=W_i∙r_iс или W_(i-1):W_i=r_iс:r_iг,

Где W_(i-1) и W_i – производительности аппарата по выпариваемой из раствора воды предыдущего (i-1) и последующего i корпусов, соответственно;

r_iг и r_iс – удельная скрытая теплота изменения агрегатного состояния греющего и сокового пара для i-того корпуса.

Так как удельная скрытая теплота изменения агрегатного состояния увеличивается с уменьшением давления пара, а давление греющего пара, поступающего в i-тый корпус больше давления сокового пара на выходе из этого корпуса, то r_iс˃r_iг и W_(i-1)˃W_i.

На практике r_iс больше r_iг примерно на 2%. Следовательно, если раствор в i-тый корпус поступает после подогревателя, т.е. при температуре кипения в этом корпусе или чуть выше ее, то W_i будет на 2% меньше W_(i-1), т.е. долевое соотношение между ними можно записать в виде:

W_(i-1):W_i=1:0,98

Во втором случае раствор, поступая в аппарат перегретым, охлаждается в нем до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющейся теплоты перегрева, равной Q_пер=G_рс_р(t_кип,(i-1)-t_кип,i), из раствора происходит самоиспарение воды. Количество образующегося пара при этом равно W_сп=Q_пер/r_с. в первом приближении можно принять, что на прямоточном участке схемы (между двумя соседними корпусами) количество испаряемой в i-том корпусе воды W_i будет на 7÷9% больше по сравнению с расходом греющего пара в этом корпусе. При этом, чем меньше в единицу времени поступает в аппарат раствора, тем меньшим значением надо задаваться. Таким образом, долевое соотношение между W_(i-1) и W_i в этом случае можно записать в виде:

W_(i-1):W_i=1:1,08.

Рассмотрим соотношение между количествами выпариваемой воды в корпусах установки для заданной схемы (2-3-1)

На схеме видно, что в корпус 2 щелок поступает после подогревателя. Следовательно, приняв W₁ равной одной доле, имеем W₁:W₂=1:0,98. в третий корпус щелок поступает из второго корпуса перегретым (участок прямотока). Количество поступающего раствора достаточно большое – (G₀-W₂), поэтому можно принять, что W₃ в долевом соотношении будет больше W₂ примерно на 8%, т.е. с учетом предыдущего соотношения можно записать W₂:W₃=0,98:1,06.

Таким образом, долевое соотношение между расходами выпариваемой воды (сокового пара) в корпусах рассматриваемой установки можно представить следующим образом:

W₁:W₂:W₃=1:0,98:1,06

Сумма долей равна 3,04. Следовательно, для рассматриваемой установки W₁=W/3,58=7,92/3,04=2,60 кг/с

В соответствии с распределением находим W₂=2,60∙0,98=2,55 и W₃=1,06∙2,60=2,77