185

8.Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. М.:

Энергоатомиздат, 1989.

9.Ривкин С.А., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водя-

ного пара. М., 1975.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОСНОВНЫМ ТЕМАМ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1. Методические указания по расчету схемы установки концентриро-

вания растворов

Задание Рассчитать двухкорпусную выпарную установку с одинаковыми поверхно-

стями нагрева корпусов для упаривания раствора при следующих исходных данных:

расход экстрапара из первого корпуса - 1

начальная температура раствора- tо.

Раствор перед выпаркой подогревается в двух подогревателях (рису-

нок 1.1): в первом – экстрапаром первого корпуса, во втором – острым паром до температуры кипения раствора в первом корпусе. Установка работает без пере-

пуска и переохлаждения конденсата.

Количество раствора, поступающего на выпарку,

Количество воды, выпаренной в установке,

188

Находятся значения температурных депрессий:

физико-химической 1 в зависимости от концентрации и с учетом давления;

гидростатической 2, определяемой условно на половине высоты h кипя-

тильных труб выпарного аппарата, которая предварительно принимается.

Для этого по давлению в аппарате р нахо-

нии 2-2 р р р . По давлению р находится температура кипения раствора в сечении 2-2 tкип2 (рисунок 2). Гидростати-

ческая депрессия 2 = tкип2 - tкип1;

гидравлическую депрессию 3 можно принять 0,5…1,0 оС для каждого кор-

пуса установки;

суммарная температурная депрессия = 1 + 2 + 3.

189

Полная разность температур в установке tполн tп θ2 , где tп – темпе-

ратура греющего пара (в первом корпусе), θ2 – температура вторичного пара

второго корпуса. Полезная разность температур в установке

n

tполезн tполн i , где n – число корпусов.

i 1

Для выполнения условия одинаковой поверхности нагрева корпусов должно соблюдаться равенство

где t1 и t2 - полезная разность температур по корпусам; к1 и к2 - коэффи-

циент теплопередачи в корпусах; Q1 и Q2 - тепловая нагрузка по корпусам.

Можно принять Q2 ω2 , а отношение коэффициентов теплопередачи по

Q1 ω1

Решая два последних уравнения, находятся значения полезной разности температур по корпусам.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к вертикальной стенке труб кипятильника выпарного аппарата

где , , - плотность, коэффициент теплопроводности и кинематическая вяз-

кость конденсата; g – ускорение свободного падения; r – теплота парообразова-

ния (конденсации); h – высота труб; tн – температура насыщения при давлении пара; tст – температура наружной поверхности трубы.

Разностью температур t tн tст необходимо предварительно задаться

(с последующей проверкой).

190

Коэффициент теплоотдачи 2 от внутренней поверхности труб к кипяще-

му раствору при естественной циркуляции раствора можно определить по фор-

муле

ность, поверхностное натяжение, теплоемкость и динамическая вязкость рас-

твора при соответствующей концентрации;

ператур в соответствующем корпусе выпарной установки.

Удельный (на 1 кг неконцентрированного раствора, поступающего на вы-

парку) расход греющего пара на первый корпус установки

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

ным в таблицах 2-5 и 2-6 [2]:

x2 2 β2 св σ2 ;

с принятым ранее Q2 .

Q1

Проверяются полученные концентрации раствора:

с ранее принятыми.

Поверхность нагрева выпарных аппаратов:

Проверяется условие примерного равенства этих поверхностей.

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

ждую ступень выпаривания.

Выбираются теплообменные аппараты, включенные в схему выпарной установки (рисунок 1.1), вспомогательное оборудование (насосы, конденсато-

отводчики, барометрический конденсатор).

кипения на данной тарелке. Принципиальная схема установки представлена на рисунке 2.1.

Составляется материальный баланс установки, и определяются недос-

тающие составляющие

где Gf , Gd , Gw – расход, соответственно, исходной смеси, готового продукта и кубового остатка; af , ad , aw - содержание летучего компонента в исходной смеси, готовом продукте, кубовом остатке, %.

I – ректификационная колонна, II – дефлегматор, III – сепаратор, IV – конденсатор - холодильник, V – сборный бак готового продукта (дистиллята), VI – подогреватель исходной смеси кубовым остатком, VII – подогреватель исходной смеси паром, VIII – сборный бак кубового остатка

Находятся молярные доли летучего компонента в исходной смеси, дис-

тилляте и кубовом остатке по формулам (2.2) - (2.4):

где a и b – молярная масса летучего и нелетучего компонентов смеси.

Определяется действительное число тарелок n в ректификационной ко-

лонне. Для этого в квадрате Y, X-координат (рисунок 2.2) проводится диаго-

наль. Из литературы (табл. XLIII [7]) выписываются равновесные составы жид-

кости и пара для бинарной смеси заданных веществ и их температура насыще-

ния.

Перечисленные характеристики оформляются в виде таблицы

195

Рисунок 2.2 - Графическое определение числа теоретических тарелок

Откладываются на оси 0Х точки, соответствующие составам кубового остатка хw, исходной смеси хf и дистиллята хd. Проводятся через эти точки вертикали. Находится молярная доля летучего в парах, равновесных жидкости питания yf . Обозначаются точки М и W.

Определяется минимальное флегмовое число по формуле

196

где xd – молярная доля летучего компонента в дистилляте (готовом продукте); xf – то же в исходной жидкости (питании) колонны; yf - то же в паре, равновес-

ном с жидкостью питания.

F получается при пересечении двух рабочих линий и соответствует составу ис-

ходной смеси). Отрезки FM и WF – рабочие линии, соответственно, верхней

(укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны.

Проводятся последовательно из точки М горизонтальные до линии рав-

новесия и вертикальные до рабочей линии отрезки между кривой равновесия и рабочими линиями MF и FW. Последнюю горизонталь провести так, чтобы она пересекла вертикальную прямую x = xW. Число полученных при построении ступеней соответствует числу теоретически необходимых тарелок ректифика-

ционной колонны nт.

Действительное число тарелок определяется по формуле

где a и b – вязкость летучего и нелетучего компонентов при температуре ки-

пения исходной смеси; Тa и Тb – абсолютная температура кипения чистых

197

компонентов; аср – среднее массовое содержание летучего компонента в колон-

не.

Тепловой баланс колонны позволяет определить расход греющего пара на процесс ректификации.

Приходные статьи теплового баланса: - с исходной смесью

где са и сb – соответственно теплоемкость летучего и нелетучего компонента;

tf – температура поступающей в колонну смеси, находится как температура на-

сыщения по аf;

- с греющим паром

гдеiп и iк – энтальпия греющего пара и конденсата, определяются из таблиц [9]

по давлению пара; - с флегмой

где td – температура дистиллята, находится как температура насыщения по аd.

Расходные статьи теплового баланса: - с парами, выходящими из колонны

200

где а – мольная масса летучего компонента; Тн – температура при нормаль-

ных условиях.

То же для нелетучего компонента

Плотность жидкости

ρ ρ

ρж а 2 b .

Рабочая скорость паров