3.4. Расчет коэффициента теплоотдачи (от стенки трубы к раствору):

- для 8% раствора нитрата калия при температуре 57 °С находим: плотность , кинематическая вязкость , теплопроводность раствора , число Прандтля Pr=3,00 [3, с.16-30]

- скорость жидкости в трубах по формуле:

(3.7)

где - производительность по исходному раствору, кг/с;

- число ходов;

- кг/м³;

сечение трубного пространства, м².

- критерий Рейнольдса:

(3.8)

где w-скорость жидкости в трубах, м/с;

d-внутренний диаметр труб, м;

-кинематическая вязкость, м²/с.

Критерий Нуссельта при переходном режиме определяем по графику [2, стр. 152]: Nu=24,2

- коэффициент теплоотдачи:

, (3.9)

где - число Нуссельта,

-теплопроводность раствора,

d-внутренний диаметр трубок,м.

После подстановки значений имеем:

Таблица 3.2. Расчёт итерации

K=971,43 .

Поверхность теплообмена:

Выбранный теплообменник с F=12,5м² достаточен.

3.5. Уточненный выбор конструкции теплообменника и его размеров

Реальное значение коэффициента теплопередачи в работающем теплообменнике, всегда меньше рассчитанного по формуле (3.5) из-за дополнительных термических сопротивлений загрязнений стенок труб r_загр (м² ∙ К/Вт) [2, с.531] с обеих сторон. При этом полное термическое сопротивление в реальном теплообменнике:

(3.10)

=1,724* м²К/В

=8,62 , м²К/В

=776,4 В/м²К

.

Выбранный теплообменник с Fрассчитанной по (3.3) =12,5 м² не подходит.

Выбираем новый

• Поверхность теплообмена F = 17 м²;

• Диаметр труб dx𝛿= 20×2мм;

• Длина труб Н = 3м;

• Число труб n = 100

• Число ходов z =1

Запас поверхности: рекомендуемое превышение поверхности теплообмена выбранного аппарата по сравнению с рассчитанной на 10–30%. В данном расчете запас в поверхности теплообмена составляет:

*100%= =14,86%

4. Расчет выпарных аппаратов

4.1 Расчет поверхности теплообмена греющих камер выпарных аппаратов

4.1.1 Расчет количества выпариваемого растворителя

Найдем общее количество выпариваемого растворителя из уравнения мат. баланса.

(4.1)

где - производительность по исходному раствору, ;

- концентрация в подогревателе, масс.%;

конечная концентрация, масс.%,.

В первом приближении распределяем количество выпаренного растворителя по корпусам равномерно (в соотношении 1:1). Тогда:

, кг/с (4.2)

где W-общее количество выпариваемой воды, кг/с;

- количество выпариваемой воды во втором корпусе, кг/с;

, кг/с.

Проверка:

где - количество выпариваемой воды во втором корпусе, кг/с;

- количество выпариваемой воды в первом корпусе, кг/с;

.

4.1.2. Концентрация раствора в I корпусе

Из уравнения баланса можно вычислить концентрацию раствора соли в первом корпусе:

% масс (4.3)

где - производительность по исходному раствору, кг/с;

- концентрация в подогревателе, масс.%;

концентрация на входе в первый корпус, масс.%;

- количество выпариваемой воды в первом корпусе, кг/с.

4.1.3. Предварительное определение температур кипения раствора, температурных депрессий и температур вторичного пара

Температурную депрессию находим как разность между температурой кипения раствора соли и температурой кипения чистого растворителя, то есть воды. Зависимость температуры кипения раствора нитрата калия при давлении 1 бар представлена на Рис. 4.2 [3, с.14]. Согласно этой зависимости, температура кипения раствора нитрата калия при а₁= 22 % равна 101,89°С. Тогда температурная депрессия в I корпусе составляет:

(4.4)

где температурная депрессия в первом корпусе при атмосферном давлении, °С;

температура кипения раствора в первом корпусе при атмосферном давлении, °С;

температура вторичного пара в первом корпусе при атмосферном давлении, °С.

^○С

В первом приближении можно полагать, что давление в первом корпусе – атмосферное, поэтому ^○С

Рис. 4.2. График зависимости температуры кипения раствора нитрата аммония при различных концентрациях под атмосферным давлением

При концентрации a₂ = 40 %масс. температура кипения раствора при атмосферном давлении (Рис. 4.2) равна = 106 °С, следовательно = 6°С. Депрессия при малом давлении Р₂ (во II корпусе) меньше стандартной и может быть рассчитана по правилу Бабо:

(4.5)

Рис. 4.3. Зависимость давления насыщенных паров воды от температуры (в диапазоне 80–110 °С)

По Рис. 4.3, находим давление насыщенных паров воды при  = 105,2°С – = бар [1, с.43]. Константа Бабо равна:

Пользуясь полученным значением константы Бабо, находим давление насыщенных паров растворителя при рабочих условиях:

По этому давлению по Рис.4.4 [1, с.43] находим температуру кипения раствора во II корпусе = 53,4°C.

Рис. 4.4. Зависимость давления насыщенных паров воды от температуры (в диапазоне 40–80 °С)

Поскольку температура вторичного пара во II корпусе определяется по  =  бар и равна θ₂= 49,0 °C (Рис. 4.4), то температурная депрессия, найденная по правилу Бабо равна .

Так как тепловой эффект положительный и концентрация мала, то поправки Стабниковка можем не учитывать.

Гидравлическую депрессию при переходе вторичного пара из I корпуса во II корпус принимаем .

Суммарная полезная разность температур:

, (4.6)

где - температура греющего пара в первом корпусе,

- температура вторичного пара во втором корпусе при атмосферном давлении ;

температурная депрессия в первом корпусе при рабочем давлении,

температурная депрессия во втором корпусе при рабочем давлении,

-гидравлическая депрессия,

Предварительно распределяем найденное значение на Δ₁ и Δ₂, где суммарная разность температур , Δ₁ и Δ₂ -разность температур в первом и втором корпусах , в предположении о пропорции: Δ₁ : Δ₂ =1:1,5. Получаем, что:

34,6

Зная Δ₁ и Δ₂, предварительно рассчитываем следующие температуры и заполняем таблицу 2.1:

По рассчитанным температурам греющего и вторичного паров находим давления и энтальпии паров, а также давления в сепараторах [1, с. 43].

Таблица 4.1. Значения технологических характеристик процесса выпаривания

	Название	Символ	Размерность	I приближение
				Предварительное		Окончательное
				I корп	II корп	I корп	II корп
1	Температура греющего пара	Т		142,7	105,4	142,7	101,3
2	Полезная разность температур			34,6	51,9	38,7	48,3
3	Температура кипящего раствора			108,1		104	53
4	Температурная депрессия			1,1	4,4	1,1	4,4
5	Температура вторичных паров					102,9	48,6
6	Гидравлическая депрессия			1,6		1,6
7	Давление греющего пара		бар	3,92	1,31	3,92	0,73
8	Давление в сепараторе		бар	1,41	0,120	0,98
9	Энтальпия греющего пара	h		2747,5	2670,4	2747,5	3013
	Энтальпия вторичного пара			2654,2	2435,3	3014,4	2435,1
10	Концентрация раствора			14,0	50,0	14,0	50,0
11	Количество выпаренного растворителя		кг/с