3.7. Определение общей и полезной разности температур.

1) Общая разность температур - разность между температурой конденсации греющего пара и температурой конденсации вторичного пара (в барометрическом конденсаторе):

.

2) Полезная разность температур - разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора.

.

Таблица № 3.

Аппарат	Температура, ºС	Давление, кгс/см²
Паровое пространство сепаратора	t1=101	р1=1.073
Кипение раствора на выходе из аппарата	tк=107	р1=1.073
Кипение раствора на середине высоты труб	tкип=110	рср=1.16
Межтрубное пространство греющей камеры	tгп=132.9	ргп=3.0
Раствор на входе в выпарной аппарат	tн=90	р= 1.033

4. Расчет выпарного аппарата.

4.1. Тепловой баланс выпарной установки

• Тепловой поток, необходимый для выпаривания, может быть определен из уравнения теплового баланса:

где t_нач, t_кон – температура начальная раствора на входе в выпарной аппарат и конечного раствора на выходе из аппарата, °С;

t_нач =90⁰С (принимаем температуру после нагревания исходной смеси в теплообменнике)

t_кон=t₀ +Δt_г.с + Δt_депр=100+1+7=108⁰С

С_н – удельная теплоемкость начального раствора, Дж/(кг К)

при tкон=

при

Q_пот – потери теплоты с наружной поверхности аппарата в окружающую среду, Вт;

Тепловой поток Q_пот, теряемый установкой, принимаем 5% от суммарного полезного теплового потока на испарение растворителя и теплового потока на нагрев раствора.

Q = 1,05*[0.361*3980.5*(108-90)+0.0602*(2679*10³ – 4230*108)] =5.2Вт.

• Необходимый расход греющего водяного пара для выпарного аппарата:

где: – удельная теплота конденсации греющего пара, .

, – энтальпия сухого пара и конденсата, .

– степень сухости греющего пара (паросодержание), принимаем .

греющий пар: .

р=3.0 кгс/см²

=2171 кДж/кг

кг/с

• Удельный расход греющего пара:

воды.

4.2.Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена выпарного аппарата.

где: - полезная разность температур

=132,9-110=22,9

– коэффициент теплопередачи, ,

Примем - от конденсирующегося пара к кипящей жидкости

,

– ориентировочная площадь поверхности теплообмена выпарного аппарата.

3. Точный расчет коэффициента теплопередачи.

• Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к наружной поверхности вертикальных труб выражается формулой:



где коэффициент А_t зависит от температуры и равен 7,3510³ при температуре

t=132,9 °С;

Δt₁=t_г.пара-t_ст1;

t_ст1- температура наружной поверхности труб со стороны конденсата.

Плотность теплового потока от пара к наружной поверхности труб:

q₁=_*Δt_1;

• Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности вертикальных труб к кипящему раствору:

Физические свойства 30% раствора определяются при температуре 110ºС:

σ – поверхностное натяжение жидкости, кг/с²;

σ=77.3*10^-3 кг/с²;

λ –коэффициент теплопередачи кипящего раствора, Вт/(м*К);

λ=0,58 Вт/(м*К);

μ- динамическая вязкость раствора, Па*с;

μ=0,4*10^-3 Па*с;

ρ_ж- плотность раствора, кг/м³;

ρ_ж=1132 кг/м

Ткип- абсолютная температура кипения раствора в аппарате, К;

Ткип=110+273=383 К;

Значение безразмерного коэффициента b может быть определено по корреляционному соотношению в зависимости от плотностей пара (ρп) и жидкости (ρж):

Для этого из уравнения Клапейрона:

=1атм.=1,013Па

P=1,16 кгс/=1,16* 9,8Па=11,37Па

кг/м³ ;

b=0,075[1+10(1132/0.64-1)^-2/3]=0,080

lg=3,24 b=0,08

Δ t₂₌ t_ст2- t_кип;

t_ст2- температура внутренней поверхности труб со стороны раствора, ⁰С;

t_ст2 = t_ст1-

Расчет суммарных термических сопротивлений стенки вместе с загрязнениями:

Σr_ст = + r_загр1+ r_загр2;

r_загр1- загрязнение стенки со стороны кипящего раствора, (м²*К)/Вт;

r_загр2 –загрязнение стенки со стороны пара, (м²*К)/Вт;

δ_ст- толщина стенки, м;

δ_ст=2мм=0,002м;

λ_ст = 17.5 Вт/м*К – коэффициент теплопроводности для нержавеющей стали

Средние значения тепловых проводимостей загрязнений стенки трубы: со стороны пара 5800 Вт/(м²*К) и со стороны кипящего раствора 5800 Вт/(м²*К).

Тогда суммарная проводимость обоих загрязнений и самой стенки, стальной нержавеющей:

∑r_ст=

• Коэффициент теплопередачи:

,

где α₁- коэффициент теплоотдачи кипящего раствора , Вт/(м²*К);

α₂ - коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара, Вт/(м²*К);

Σr_ст- сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений, (м²*К)/Вт;

1) В качестве первого приближения для температуры стенки со стороны конденсирующегося пара принимаем tст1=130.5ºC.

Δt₁=132.9-130.5=2.4 К;

Тогда коэффициент теплоотдачи и удельный тепловой поток от пара:

q1=8526.28*2,4=20463.07 Вт/м²;

tст2=tст1-q1*∑rзагр;

tст2=130.5-4,59*10^-4*20463.07=121.1ºС;

Δt₂=121.1-110=11,1 К.

α2=13,98*(11.1)²=1722.48Вт/м²*К;

Удельный тепловой поток:

q2= 1722.48*11.1=19119.5 Вт/м².

Из полученных данных q₁>q₂.

Делаем второе приближение.

2) Принимаем во втором приближении для температуры стенки со стороны конденсирующегося пара t_СТ1=130,6ºC.

Δt₁=132.9-130,6=2,3 К;

Тогда коэффициент теплоотдачи и удельный тепловой поток от пара:

q1=2,3*8624.28=19835.8 Вт/м²;

tст2=tст1-q1*∑rст;

tст2=130,6-19835.8*4,59*10^-4=121,5ºС;

Δ t₂=121.5-110=11.5 К;

α2=13,98*(11.5)²=1848,86 Вт/м²*К;

q2= 1848.86*11.5=21261.8 Вт/м²;

Из полученных данных q₁<q₂.

3) По полученным результатам строим график q=f(t_ст).

По графику находим t_СТ1=130,655ºC.

Δt₁=132.9-130,655=2,245К;

Тогда коэффициент теплоотдачи и удельный тепловой поток от пара:

q1=2,245*8674.13=19473.42 Вт/м²;

tст2=tст1-q1*∑rст;

tст2=130,655-19473.42*4,59*10^-4=121,72ºС;

Δ t₂=121,72-110=11,72 К;

α2=13,98*(11,72)²=1920.27 Вт/м²*К;

q2= 1920.27*11,72=22505.56 Вт/м²;

Можно определить значение коэффициента теплопередачи:

К=

Необходимая поверхность теплопередачи:

F=

С учетом запаса в 20% по площади поверхности теплообмена выпарного аппарата выбираем по каталогу, согласно ГОСТ 11987-81 выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой с номинальной поверхностью теплообмена

40 м², длиной труб 4000 мм, количеством труб 147 .

Таблица №4

,	,	,	,	,	,	,
4	40	600	1200	400	12500	4700