Выпарные трубчатые аппараты

По уравнениям материального баланса находим производительность по упаренному раствору и выпаренной воде:
Gк=Gн∙xнxк=Gк=25∙530=4,167тч=1,157кгс;
W=Gн-Gк=25-4,167=20,833тч=5,787кгс.
Температура вторичного пара на входе в барометрический конденсатор при рбк=17 кПа по справочным данным составляет tбк=56°С [4]. Принимаем гидравлическую температурную депрессию Δ′′′= 1°С, тогда температура вторичного пара в выпарном аппарате:
tвп=tбк+∆///=56+1=570C
Этой температуре соответствует давление pвп=17,64 кПа и удельная теплота парообразования rвп = 2365,63 кДж/кг.
Оценим тепловую нагрузку:
Q=W∙rвп=5,787∙2365,63=13690 кВт.
Принимаем для аппарата с естественной циркуляцией удельный тепловой поток q = 50 кВт/м2. Тогда по уравнению:
Fop=Qq=13690 50=273,8 м2.
По ГОСТ 11987 – 81 принимаем выпарной аппарат с поверхностью теплообмена F=315 м2, с трубами длиной l=6 м, диаметром dн=38 мм, толщиной стенок δст= 2 мм; материал труб – сталь 08Х18Н10Т [4].
Ориентировочно принимаем температуру кипения раствора в аппарате на 20°С выше температуры вторичного пара, то есть tк≈ 77°С. Плотность раствора Al2(SO4)3 при 770С и хк=30% составляет 1308 кг/м3 [3]. Приняв Нур=0,5·l=0,5·6=3 м, найдем дополнительное гидростатическое давление:
∆р//=ε∙ρ∙g∙Нур=0,5∙1308∙9,81∙3=19247 Па=19,2 кПа
Таким образом, давление в среднем уровне кипятильных труб составит:
рср=рвп+∆р//=17,64+19,2=36,84 кПа
При этом давлении температура кипения воды tср=73,5°С. Следовательно, гидростатическая температурная депрессия составит величину:
∆//=tср-tвп=73,5-57=16,50С
Температуру кипения раствора найдем по соотношению Дюринга, приняв в качестве эталонной жидкости воду. Из справочных данных для 30%-ного раствора Al2(SO4)3 найдём давление насыщенного пара при двух температурах: при t1 = 50°С р1= 7,2 кПа, при t2 = 100°С = 56,7 кПа. Этим давлениям соответствуют температуры насыщенного водяного пара θ1 = 39,4°С и θ2 = 84,1°С [3] .
Постоянная величина соотношения Дюринга:
k=t1-t2θ1-θ2=50-10039,4-84,1=1,12.
При температуре насыщения паров воды θ2=tср=73,50С температура кипения раствора равна t2=tк:
50-tк39,4-73,5=1,12→tк=880С.
Температурная депрессия составит:
∆/=tк-tср=88-73,5=14,50С
Общие температурные потери:
∑Δtпот = 14,5+16,5+1 = 32°С.
Уточним тепловую нагрузку аппарата:
Q=Gн∙cн∙tк-tн+W∙iвп-cж∙tк;
Q=253,6∙3,615∙88-20+5,787∙2604,2-4,190∙88=14643,81кВт,
где сн= 3,615 кДж/(кг·К) – теплоемкость 5%-ного раствора при tн = 20°С;
iвп =2604,2 кДж/кг – удельная энтальпия вторичного пара.
Уточняем требуемую поверхность теплопередачи:
Fcp=Qq=14643,8150=292,88 м2,
что удовлетворяет принятому типоразмеру аппарата.
Расход греющего пара равен:
Gгп=Qrгп∙η=14643,812212,16∙0,95=6,97кгс.
где rг.п = 2212,16 кДж/кг – удельная теплота парообразования воды при давлении рг.п = 180 кПа.
При расчете коэффициента теплопередачи в выпарном аппарате используем метод последовательных приближений на основе принципа постоянства теплового потока. Для определения вида расчётного уравнения коэффициента теплоотдачи α1 со стороны конденсирующегося греющего пара определим величину критерия Рейнольдса стекающей плёнки конденсата:
Reпл=4∙Гμ,
где Γ = G//Π − плотность орошения, кг/(м·с);
G/ = Gг.п/2 −средняя величина расхода конденсата, кг/с;
П – смоченный периметр, м;
μ −вязкость конденсата, Па . с.
При давлении пара рг.п=180 кПа температура конденсата tгп=116,6°С и его вязкость μ = 0,238⋅10–3 Па·с [4].
Смоченный периметр определим из характеристики аппарата как:
П=F/l=315/4=78,75 м.
Г=Gгп2∙П=6,972∙78,75=0,044 мкг∙К;
Reпл=4∙0,0440,238∙10-3=739,5<1600.
Таким образом, для расчёта коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на наружной поверхности вертикальных труб можно использовать формулу:
α1=1,15∙4λ3∙ρ2∙g∙rμ∙H∙∆t
Для низковязких жидкостей допускается изменением вязкости и теплопроводности пренебречь и принять εt =1