Рассчитать двухкорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания S0 кг/час раствора соли от начальной концентрации α0=% вес. до конечной концентрации α2=% вес. Слабый раствор подогревается в теплообменнике от tн до t0. Давление греющего пара Pгр ата. Вакуум во втором корпусе составляет Pвак мм.рт.ст. Выпорная установка обсуживается барометрическим конденсатором смешения, питающегоося водой с температурой t'в 0С. Из первого корпуса отводится Е кг/час экста-пара.

Определить: 1. Расход греющего пара в выпарном аппарате и подогревателе. 2. Поверхность теплообмена подогревателя выпарных аппаратов. 3. Расход охлаждающей воды в конденсаторе. 4. Диаметр и высоту барометрической трубы.

Dгп hк

S0 tн

C0 a0

Основные условные обозначения

T, t – температура, оС;

а – концентрация раствора, кг/кг; с – теплоемкость, кДж/(кг*К);

ν – кинематическая вязкость, м2/с;

λ – теплопроводность, Вт/(м*К);

Q – количество теплоты, кВт;

1

– разность температур, оС; F – поверхность нагрева, м2;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К); θ – температура вторичного пара, оС; δ – депрессия, оС;

S – производительность, кг/с

W – количество выпариваемой воды, кг/с; Р – давление, МПа;

r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2*К);

G – массовый расход, кг/с; ρ – плотность, кг/м3;

i, h – энтальпия, кДж/кг; ω – скорость, м/с;

Индексы:

i – порядковый номер; т – температурная; г – гидравлическая; в – вода;

2

Исходные данные

Количество корпусов: 2; Выпариваемый раствор: водный раствор нитрата калия;

Производительность по исходному раствору: S0 = 14000 кг/ч = 3,89 кг/с; Концентрация раствора:

начальная: а0 = 0,15 масс.д.; конечная: а2 = 0,40 масс.д.;

Температура раствора на входе в 1-ый корпус t0 = 85 °С; Давление во втором корпусе:

Р2= 760 - 660 = 100 мм рт.ст. = 13,33 кПа = 0,1333 бар; Отбор экстра-пара из 1 корпуса: Е1 = 200 кг/ч = 0,0556 кг/с; Давление греющего пара Ргр = 0,392 МПа = 3,99 кгс/см2;

3

1. Теплотехнический расчет выпарных аппаратов

1.1. Физико-химические свойства раствора, водяного пара и его конденсата, выбор конструкционного материала

Для теплотехнических расчетов аппаратов требуется знание следующих физико-химических характеристик веществ:

•Температура кипения раствора при нормальном (атмосферном) давлении в зависимости от концентрации растворенного вещества;

•Теплоемкость, кинематическая вязкость и теплопроводность раствора в зависимости от температуры и концентрации растворенного вещества;

•Температура водяного пара на линии насыщения в зависимости от давления;

•Энтальпия водяного пара на линии насыщения в зависимости от температуры (давления);

•Теплопроводность, плотность, вязкость, теплота парообразования воды на линии насыщения в зависимости от давления;

Греющий пар (Ргр = 3,99 кгс/см2, [2], стр. 532):

•Температура греющего пара Тгр = 138,7 оС;

•Энтальпия пара hп = 2743,2 кДж/кг;

•Теплота парообразования r = 2145,6 кДж/кг;

Конденсат греющего пара при Тгр = 137,9 оС ([2], стр.537):

•Энтальпия конденсата iк = 566,3 кДж/кг;

•Теплопроводность конденсата λк = 0,685 Вт/(м*К);

•Плотность конденсата ρк = 930,5 кг/м3;

•Динамическая вязкость конденсата μк = 0,000204 Па*с;

Раствор нитрата натрия ([1], стр.31-41, [3], стр.19):

• Температура кипения при нормальном давлении t = 101,9 oC

• Средняя температура раствора tср= tн+t0 = 20+85=52,5 oC

2 2

•Плотность ρр = 1054,5 кг/м3;

•Кинематическая вязкость νр = 0,438 ∙ 106 м2/с;

•Теплоемкость ср = 3,78 кДж/(кг*К)

•Теплопроводность λр = 0,621 Вт/(м*К);

Выбираем конструкционный материал, стойкий к среде кипящего раствора нитрата натрия:

•Сталь марки ОХ21Н5Т;

•Теплопроводность стали λст = 17,2 Вт/(м*К);

4

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

Температурную депрессию δст1 находим как разность между температурой кипения раствора соли и температурой кипения чистого растворителя, то есть воды. Зависимость температуры кипения раствора нитрата натрия при давлении 1 бар представлена на рисунке 2 [1, приложение 1, табл. 1.1]. Согласно этой зависимости, температура кипения раствора нитрата натрия при а1= 22,8 % равна 103,1 °С. Тогда температурная депрессия в I корпусе составляет:

δст1 =103,1−100=3,1○С

Впервом приближении можно полагать, что давление в первом корпусе – атмосферное, поэтому δ1=δст1 =3,1○С

Рисунок 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 (рисунок 2) равна tст2 = 106,1 °С, следовательно δст2

= 6,1 °С. Депрессия при малом давлении Р2 (во II корпусе) меньше стандартной и может быть рассчитана по правилу Бабо:

6

CБ=(PP2 )ст=1,291 =0,775

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

P2= CP2Б = 0,13590,775 =0 ,175 бар

По этому давлению по рисунку 4 [1, стр.43] находим температуру кипения раствора во II корпусе tБ2 = 57,8 °C.

7

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

Таблица 1. Значения технологических характеристик процесса выпаривания

9

1.4. Расчет теплового баланса выпарной установки

W2=W−W 1(8)

где: с0-удельная теплоемкость 3,75 кДж\кг*К; для 22,8 % водного раствора нитрата натрия находим по табличным данным [4, табл. 4.4, стр.35].

Теплоемкости воды при различных температурах:

cв 1=¿3,43 кДж/(кг*град.) при t1=102,2

cв 2=¿3,39 кДж/(кг*град.) при t2=57 , 8

cк 2=¿3,47 кДж/(кг*град.) при Т 2=95,5

S0 =4,167 кг/с

W1= 4,167 3,75 (57,8−102,2)+2,604 (2589−3,39 57,8)+0,0556(2674−3,47 95,5)=1,237 кг/с

(2674−3,47 95,5 )+(2589−3,43 102,2)

W2=W- W1=2,604-1,237=1,367 кг\с Расчет тепловых нагрузок:

Q2=(1,237−0,0556) (2674−3,47 ∙ 95,5 )=2767565 Вт

1.5.Ориентировочный расчет поверхности теплообмена и выбор выпарного аппарата

Поверхность теплообмена выпарного аппарата определяем из уравнения теплопередачи:

Для расчета необходимо задаться условием, что поверхности теплообмена корпусов равны, т.е. F1 = F2. К=800÷3500 Вт\м2 К . Примем Кор = 2500 Вт/(м2 ∙ К).

Получаем ориентировочное значение поверхности теплообмена:

10

7. Расчёт тепловых нагрузок I и II корпусов из уравнения тепловых балансов.

Q1=S0 c0 (t1 −t0 )+W1 (i1−C p t1 )=4,167*3,75*(98,5-98,5)+1,242(2670,1-4,2*98,5)=2802 кВт

Q2=(W1 −E1 )(hп 2−iк 2 )= (1,242-0,0556)(2670,1-404,6)=2688 кВт 8. Расчёт величин стандартной конвекции.

Эмпирический комплекс А1 А2 – характеризует интенсивность теплообмена от конденсирующегося пара к стенке.

A1,2=A0 (1,2) C √4 H1

А0- эмпирический коэффициент, С=0,943 – поправочный коэффициент, Н- высота греющей камеры.

При давлении пара р¿ 1 ат определяем А01 по таблице [1]

11

По каталогу. Н=6060 мм δcт=0,002 мтолщина трубки

9. Расчёт В01 В02

В-коэффициент характеризующий интенсивность теплообмена при кипении жидкостей.

B01=46 p10,57; B02=46 p20,57

р1=0,896 ата¿ 0,878 бар B01=46 0,8780,57=42,7 бар р2=0,1473 ата = 0,1444 бар B02=46 0,14440,57=15,27 бар

Bp=B0 φ3,33

Bp 1=B01 φ3,33=42,7*0,7463,33=16,165

Bp 2=B02 φ3,33=15,27 *0,616083,33=3,043

10.Расчет φ1, φ2

φ- относительный коэффициент теплоотдачи при кипении

φ1= MMHp 1,22O (ννHP 1,22O )0,23 (PPs )0,3

Отношение в корпусах согласно правилу Бабо зависит лишь от концентрации раствора.

Кинематические вязкости растворов νр1 и νр2 находим их температурах кипения под атмосферном давлением в зависимости от концентрации. Данные из таблиц: LVII, XXXIX [1], 4.3 [2]

13

t1=101,99;

νp1 =¿0.421 .10−6м2\с; νв1=¿0,288.10−6м2\с

νв1 =0,288=0,684

νp1 0,421

(PPs )1= 11,033.0839=0,953

t2 =104,2

νp 2=¿0.385 .10−6м2\с; νв2=¿0,284.10−6м2\с

νв 2 =0,284 =0,738

νp2 0,385

(PPs )2= 1.1,033161409 =0,889

φ1=21,818 (0,684 )0,23 (0,953)0,3=0,746

φ2=26,318 (0,738)0,23 (0,889)0,3=0,61608

φ2<φ1, так как теплоотдача от стенки к кипящему раствору в I корпусе больше

чем во II корпусе.

11. Расчёт поверхности теплообменника по второму приближеню

При ориентировочном значении F=59,3 был выбран выпарной аппарат с Fт=63 по каталогу [3]. Для значения 32 коэффициент запаса составляет:

14

=1 + 2=35,8+42,9=78,7

14. Расход первичного греющего пара на обогрев корпуса

15. Расчёт барометрического конденсатора. Температура вторичного пара на входе в конденсатор

θ'2=θ2−δn=53,6−1.6=520С

Из таблицы LVI [1] при температуре 520С i'2=2594,8 кДж\кг;pк=0,1352 ата

16. Расход охлаждающей воды

15

t'в=250С по месту строительства

Температура воды на выходе на 2-3 градуса ниже температуры вторичного пара на входе в конденсатор.

t''в =52-2=500С конечная температура смеси.

Gв= 1,362 (2594,8−4,19 50)=30,93 кг\с

4,19 (50−25)

17. Расчёт высоты и диаметра барометрической трубы dбт из уравнения расхода.

wбт- скорость воды в барометрически трубе 0,5-1 м\с. Зададимся значением 0,5 м\с.

По таблице [4] определим ближайший внутренний диаметр dб=0,5 м 18. Высоту барометрической трубы выразим из уравнения Бернулли.

0,5- поправка на колебание атм давления. λ зависит от режима течения жидкости

= dбт wбт =0,279 0,5=202173¿ 105 -турбулентный режим

νв 0,69 10−6

По формуле Никурадзе :

λ=0,0032+0,221 Rе−0,237=0,01542

Сумма коэффициентов местных сопротивлений состоит из сопротивления на вход и на выход.

Σξ=ξвх +ξвы=0,5+1,0=1,5

16

Исходя из расчётов может быть взят конденсатор с выстрой барометрической трубы 10 м

Список используемой литературы

1.Захаров М.К. Многокорпусная выпарная установка с равными поверхностями нагрева. Практикум по курсовому проектированию. М.: РТУ МИРЭА, 2021.

2.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Л., Химия, 1987,570с.

3.Гурович Б.М. «Таблицы теплофизических свойств некоторых веществ». Изд. Ташкентского политехнического института им. А.Ф.Беруни, Ташкент, 1975 г.

4.Алексеев П.Г., Захаров М.К. Методические указания к курсовому

проектированию прямоточных многокорпусных выпарных установок с равными поверхностями нагрева. М., 1999 г.

5.

1.Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. – 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.:ООО ТИД «Альянс», 2006.-576с.

2.Алексеев П.Г., Захаров М.К. Методические указания к курсовому проектированию прямоточных многокорпусных выпарных установок с равными поверхностями нагрева. М., 1999 г.

3.Выпарные вертикальные трубчатые аппараты общего назначения. Каталог- справочник. Укр. НИИХИММАШ, 1972г., 65с

4.Г.С. Борисов Основыне процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию\ Г.С. Борисов, В.П. Быков, Ю.И. Дытенский, 5-ое изд., стериотипное. М.: ООО «Издательский дом Альянс», 2010-496с.

17