Пример решения

Исходные данные: в выпарном аппарате происходит концентрирование раствора NaОН; G_нач = 2 т/ч, х_нач = 14,1% (масс.), х_кон = 24,1% (масс.); t_пара = 150 ºС.

Решение: если давление вторичного пара в аппарате атмосферное, то конечная температура раствора, выводимого из аппарата, должна равняться ~111ºС. таблица П1.5 (прил.1).

а) Количество теплоты, передаваемое от греющего пара к кипящему раствору:

Q_г.п = G_начс_нач(t_кон – t_нач) + W(i_вт.п - с_вt_кон) + Q_пот, (1.18)

где с_в - удельная теплоемкость воды при t_кон, Дж/(кг·К).

Для всех вариантов расчета вторые и третьи слагаемые одинаковы. Определяем второе слагаемое:

W(i_вт.п - с_вt_кон) = (2677 – 4,23·111)10³ = 508 кВт,

где W = G_нач (1 - ) = 2000 (1 - ) = 829 кг/ч; с_п = 4,23 кДж/(кг·К) – теплоемкость воды при 111 ºС табл.П1.22 (прил.1); i_вт.п = 2677 кДж/кг – удельная энтальпия водяного пара при абсолютном давлении 1 кгс/см².

Определяем расход теплоты на нагревание раствора. Подсчитываем удельную теплоемкость начального раствора.

Удельную теплоемкость химического соединения при отсутствии экспериментальных данных можно ориентировочно рассчитать по уравнению:

Мс = n₁C₁ + n₂C₂ + n₃C₃ + …, (1.19)

где М – молекулярная масса химического соединения; с – его массовая удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); n₁, n₂, n₃ – число атомов элементов, входящих в соединение; C₁ , C₂ , C₃ – атомные теплоемкости, Дж/(кг·атом·К).

Согласно этому удельная теплоемкость твердого NaОН:

с₁ = (16,8 + 9,6 + 26,0) / 40 = 1,31 кДж/(кг·К).

Удельная теплоемкость 14,1 % водного раствора NaOH:

с = 1,31 ·10³·0,141 + 4,19·10³ ·0,859 = 3780 Дж/(кг·К).

Подсчитываем расход теплоты на нагревание раствора для каждого варианта:

а) начальная температура раствора 20 ºС

Q_нагр = = 195 000 Вт;

б) начальная температура равна температуре кипения

Q_нагр = 0;

в) раствор поступает в выпарной аппарат перегретым до 130 ºС

Q_нагр = = - 35 700 Вт.

Расход теплоты на дегидратацию NaOH составляет малую величину, которой можно пренебречь.

Определяем расход греющего пара G_г.п в выпарном аппарате по уравнению:

, (1.20)

где - удельная энтальпия сухого насыщенного пара, Дж/кг; - удельная энтальпия конденсата при температуре конденсации, Дж/кг; х – паросодержание (степень сухости) греющего пара; r_г.п – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.

По таблице П1.20 (прил.1):

=2753·10³Дж/кг; = 633·10³ Дж/кг;

- = 2753 – 633 = 2120 кДж/кг.

Следовательно, по формуле (1.20):

а) кг/с = 1296 кг/ч;

б) кг/с = 965 кг/ч;

в) кг/с = 904 кг/ч.

Ответ: в одиночном выпарном аппарате при непрерывном концентрировании раствора NaОН расход греющего насыщенного водяного пара составит: 1296 кг/ч, если раствор поступает на выпаривание с начальной температурой 20ºС; 965 кг/ч, если раствор поступает на выпаривание при температуре кипения в аппарате и 904кг/ч, если раствор поступает в выпарной аппарат перегретым до 130 ºС.

1.10. Определить необходимую поверхность нагрева вакуум-выпарного аппарата и расход греющего насыщенного водяного пара для выпаривания раствора хлористого кальция от х_нач до х_кон, %. Производительность по исходному (разбавленному) раствору G_нач, кг/ч. Абсолютное давление греющего пара р_абс, МПа, влажность его 5%. Абсолютное давление в барометрическом конденсаторе р₀=0,345кгс/см². Слабый раствор поступает в аппарат при t_нач = 75ºС.

Коэффициент теплопередачи принять равным 1000 Вт/(м²·К), а тепловые потери – в размере 5% от полезно затрачиваемой теплоты. При выполнении расчетов гидравлическую депрессию Δt_г.с принять равной 1 ºС, температурную депрессию - Δt_депр = 5,4 ºС, а гидростатический эффект (гидростатическая депрессия) – Δt_г.эф = 8,2 ºС.