Рассчитать трёхкорпусную прямоточную выпарную установку с естественной циркуляцией раствора для концентрирования вещества (CaCl2) производительностью Gнач=6 т/ч

Наибольшее распространение в промышленности получили прямоточные многокорпусные выпарные установки (рис. 1).
Рис. 1 - Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки:
1-3 – корпуса установки; 4 – подогреватель исходного раствора; 5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – вакуум-насос
1. Количество воды, выпариваемой в трех корпусах установки
Производительность установки по выпариваемой воде определяем из уравнений материального баланса:
W=Gнач·(1-хнач/хкон),
где Gнач- производительность установки по исходному раствору, кг/с; Gнач=6 т/ч=1,667 кг/с.
W=1,667·(1-0,06/0,24) =1,25 кг/с.
2. Распределение нагрузки по корпусам
Принимаем, что производительность каждого корпуса по выпариваемой воде определяется соотношением:
W1:W2:W3=1,0:1,1:1,2 (такое распределение на основании практических данных). Тогда рассчитываем количество воды, выпариваемое в каждом корпусе установки:
;
.
3. Расчет концентраций раствора по корпусам
Рассчитываем концентрации раствора по корпусам:
(7,8%);
(11,5%);
(24%).
х3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора хкон.
4. Распределение перепада давлений по корпусам
Разность между давлением греющего пара в 1-м корпусе и давлением в барометрическом конденсаторе составит:
ΔРОБ= PГП - РБК,
где РБК - абсолютное давление в барометрическом конденсаторе, кгс/см2
РБК=РАТМ-РВАК=1-0,4=0,6 кгс/см2
ΔРОБ= 5 – 0,6=4,4 кгс/см2
Общий перепад давлений в установке распределяем по корпусам поровну. Тогда давление по корпусам равны:
P3 = 0,6 кгс/см2;
P2 = P3 + ΔРОБ/3 = 0,6 + 4,4/3=2,07 кгс/см2;
Р1 = Р2 + ΔРОБ/3 = 2,07 + 4,4/3=3,54 кгс/см2.
По давлению паров находим температуры насыщенных паров воды и удельные теплоты парообразования для принятых давлений в корпусах (табл.1) [1, с. 549].
Таблица 1 - Характеристики паров
Давление, Па Температура насыщенного пара, °С
Удельная теплота парообразования, кДж/кг.
P1 = 3,54 T1 =138,3 r1 = 2155
P2 = 2,07 T2 = 120,5 r2 = 2205
Р3 = 0,6 T3 = 85,5 r3 = 2296
Греющий пар из котельной (5 кгс/см2) TГП =151,1 rГП = 2117
Эти температуры и будут температурами конденсации вторичных паров по корпусам.
5. Расчет температурных потерь по корпусам
От депрессии
В справочных таблицах находим температуры кипения растворов при атмосферном давлении (табл . 2).
Таблица 2 – Температуры кипения раствора CaCl2 различной концентрации
№ корпуса Концентрация CaCl2, % Температура кипения, 0С Депрессия, 0С или К
1 7,8 101,5 1,5
2 11,5 102,3 2,3
3 24 106,9 6,9
Для упрощения расчета не уточняем температурную депрессию (в связи с отличием давления в корпусах от атмосферного).
Следовательно, по трем корпусам:
∆tдепр=1,5+2,3+6,9=10,7 К
От гидростатического эффекта
Согласно справочным данным, плотность раствора хлорида кальция при 200С составляет (табл. 3).
Таблица 3 – Плотность растворов CaCl2 различной концентрации
Концентрация CaCl2, % Плотность, кг/м3
7,8 1103
11,5 1167
24 1230
Эти значения плотностей примем (с небольшим запасом) и для температур кипения по корпусам.
Расчет ведем для случая кипения раствора в трубках при оптимальном уровне:
Нопт=0,26+0,0014∙(ρр-ρв)∙Н;
рср=р1+0,5∙ρр∙g∙H
1-й корпус
Нопт=0,26+0,0014∙(1103-1000)∙4,5=1,819 м;
рср=3,54+0,5∙1103∙9,81∙1,8199,81∙104=3,64 кгс/см2
При Р1=3,54 кгс/см2 tкип=138,30С; при рср=3,64 кгс/см2 tкип=139,30С.
Δtг.эф1=139,3-138,3=10С=1К
2-й корпус
Нопт=0,26+0,0014∙(1167-1000)∙4,5=2,222 м;
рср=2,07+0,5∙1167∙9,81∙2,2229,81∙104=2,2 кгс/см2
При Р1=2,07 кгс/см2 tкип=120,50С; при рср=2,2 кгс/см2 tкип=122,30С.
Δtг.эф2=122,3-120,5=1,80С=1,8К
3-й корпус
Нопт=0,26+0,0014∙(1230-1000)∙4,5=2,619 м;
рср=0,6+0,5∙1230∙9,81∙2,6199,81∙104=0,76 кгс/см2
При Р1=0,6 кгс/см2 tкип=85,50С; при рср=0,76 кгс/см2 tкип=91,50С.
Δtг.эф3=91,5-85,5=60С=6К
Всего:
∑Δtг.эф=1+1,8+6=8,80С=8,8К
От гидравлических сопротивлений
Потерю разности температур на каждом интервале между корпусами принимаем в 1 К. Тогда:
Δtг.с=1+1+1=30С=3К
Сумма всех температурных потерь для установки в целом:
∑Δtпот=10,7+8,8+3=22,50С=22,5 К
6. Полезная разность температур
Общая разность температур составляет:
Δtобщ =Тг.п-Т3
Δtобщ =151,1-85,5=65,6 К
Полезная разность температур:
Δtпол=Δtобщ-∑Δtпот
Δtпол=65,6-22,5=43,1К
7. Определение температур кипения в корпусах
tк3=85,5+6,9+6+1=99,40С;
tк2=120,5+2,3+1,8+1=125,60С;
tк1=138,3+1,5+1+1=141,80С;
8. Расчет коэффициентов теплопередачи по корпусам
Расчёт коэффициента теплопередачи в корпусах установки рассчитываем по формуле:.
.
Выбираем конструкционный материал - сталь марки X17, имеющую коэффициент теплопроводности λСТ = 25,1 Вт/(м·К)