Провести расчет выпарного аппарата непрерывного действия с естественной циркуляцией раствора для выпаривания G=12 т/ч водного раствора нитрата калия. Концентрация исходного и упаренного растворов соответственно xн=17 и xк=38% масс. Давление в барометрическом конденсаторе PБ.К=0,5 ата.
Остальные условия для расчета:
1. Тип выпарного аппарата выбрать самостоятельно.
2. Греющий пар – насыщенный водяной пар. Давлением пара задаться
самостоятельно, исходя из условия процесса выпаривания.
3. Исходный раствор поступает в аппарат подогретым до температуры кипения.
4. Теплотой дегидратации (концентрирования) можно пренебречь.
5. Тепловые потери составляют 5 % от тепла, отданного греющим паром.
6. Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи – Kор = 900 Вт / (м2·К).
7. Ориентировочная длина труб кипятильной камеры – 4 м.
Решение
Материальный баланс
По уравнениям материального баланса находим производительность по упаренному раствору и выпаренной воде:
Gк=Gн∙xнxк=Gк=12∙1738=5,368тч=1,491кгс;
W=Gн-Gк=12-5,368=6,632тч=1,842кгс.
2. Расчет температурных потерь
Температура вторичного пара на входе в барометрический конденсатор при рбк=0,5 ата=0,5 кгс/см2 по справочным данным составляет tбк=80,9°С. Принимаем гидравлическую температурную депрессию Δ′′′= 1°С, тогда температура вторичного пара в выпарном аппарате:
tвп=tбк+∆///=80,9+1=81,90C
Этой температуре соответствует давление pвп=0,54 кгс/см2
Температурную депрессию ∆//определим по правилу Бабо.
По справочной таблице определяем, что 38% раствор нитрата калия под атмосферным давлением кипит при температуре 103,830С. При этой температуре давление насыщенного пара воды составляет рв=1,185 кгс/см2.
Отношение давлений пара над раствором и воды при одной и той же температуре 103,830С:
р1/рв/103,83=1,0331,185=0,872
Согласно правилу Бабо, это отношение сохраняет постоянное значение при всех температурах кипения раствора. Для искомой температуры кипения раствора при р1=0,54 кгс/см2:
р1рвТ=0,54рв=0,872→рв=0,62 кгс/см2
Этому давлению соответствует температура кипения воды 86,260С. Эту же температуру кипения будет иметь раствор нитрата калия при давлении над раствором 0,54 кгс/см2.
Температура кипения воды при давлении 0,54 кгс/см2 равна 81,90С.
Температурная депрессия раствора:
∆tдепр=tр-tв=86,26-81,9=4,360С
Учтем поправку Стабникова. По справочной таблице определяем при рр/рв=0,872 и рр=0,54 кгс/см2=396,9 мм рт.ст. поправка ∆t=-0,9 К. Поправка со знаком минус, так как теплота растворения нитрата калия отрицательная.
Таким образом:
∆//=4,36-0,9=3,460С
Конечная температура раствора (температура кипения раствора в сепараторе):
tкон=tвп+∆//=81,9+3,46=85,360С
Расчет гидростатической депрессии выполним следующим образом.
Оптимальная высота уровня по водомерному стеклу:
Нопт=0,26+0,0014∙ρр-ρв∙Нтр
Так как плотности раствора и воды надо брать при температуре кипения раствора, пока неизвестной, приходиться ею задаваться. Примем tкип=880С. Тогда ρр=1184 кг/м3, ρв=966,4 кг/м3.
Нопт=0,26+0,0014∙1184-966,4∙4=2,26 м
Гидростатическое давление в середине высоты труб при Нопт=2,26 м:
рср=р1+0,5∙ρр∙g∙Нопт;
рср=0,54+0,5∙1184∙9,81∙2,2698100=0,67 кгс/см2
Температура кипения воды при давлении 0,67 кгс/см2 tср=88,160С
Гидростатическая депрессия:
∆/=tср-tв=88,16-81,9=6,260С
Средняя температура кипения раствора в трубах:
tкип=tкон+∆/=85,36+6,26=91,620С
3. Тепловой расчет
Принимаем температуру греющего пара 1100С и определяем количество теплоты, передаваемой от греющего пара к кипящему раствору:
Q=Gнач·снач·(tкон-tнач)+W·(iвт-св·tкон)+Qпот.
где снач- удельная теплоемкость разбавленного раствора, Дж/(кг·К):
снач=4190·(1-хнач)=4190·(1-0,17)=3477,7 Дж/(кг·К)
iвт – удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата, Дж/кг; iвт=2647,42 кДж/кг при 81,90С;.
Так как раствор поступает в аппарат подогретым до температуры кипения, получим, с учетом тепловых потерь в размере 5%:
Q=1,05∙1,842∙(2647420-4190∙85,36)=4428628 Вт
Массовый расход греющего пара со степенью сухости 0,95 (принимаем) рассчитываем по формуле:
Gгр.п.=Qr∙x=44286282,234·106∙0,95=2,09кгс,
где r=2,234·106 Дж/кг – теплота конденсации насыщенного водяного пара при температуре 1100С.
Общая и полезная разность температур:
∆tобщ=tгп-t0=110-80,9=290С
∆tпол=tгп-tкип=110-91,62=18,380С
4
. Расчет коэффициента теплопередачи и площади поверхности теплообмена греющей камеры выпарного аппарата
Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося снаружи вертикальных труб кипятильника, рассчитываем по формуле:
αконд=1,21∙λ∙(ρ2∙r∙gμ∙Н)1/3∙q-1/3
Физико-химические свойства водяного пара при температуре конденсации 1100С:
удельная теплота парообразования – rгп=2234000 Дж/кг;
плотность – ρп=0,8254 кг/м3;
плотность конденсата – ρгп=951 кг/м3;
динамический коэффициент вязкости – μгп=0,256·10-3 Па·с;
коэффициент теплопроводности – λгп=0,685 Вт/(м·К).
αконд=1,21∙0,686∙(9512∙2234000∙9,810,256∙10-3∙4)1/3∙q-1/3=2,229∙105∙q-1/3
Коэффициент теплоотдачи для кипящего раствора рассчитываем по формуле:
αсм=b∙λ2∙ρжμ∙σ∙Ткип13∙q23
Физико-химические свойства раствора определяем по справочным таблицам при температуре 85,360С. Тогда получим:
b=0,075∙1+10∙ρжρп-1-23
b=0,075∙1+10∙11820,6-1-23=0,128
αсм=0,128∙(0,6552∙11820,292∙10-3∙0,058∙(273+85,36))1/3∙q2/3=5,596∙q2/3
Теплопроводность загрязнений со стороны греющего пара принимаем 1/rзагр1=5800 Вт/(м2·К), также и со стороны водного раствора соли - 1/rзагр2=2900 Вт/(м2·К). Теплопроводность стали λст=46,5 Вт/(м·К). Также принимаем наличие слоя накипи на трубах толщиной 0,5 мм с коэффициентом теплопроводности 2 Вт/(м·К).
Таким образом, получим:
∑rст = rзагр 1 + rст + rзагр 2
rст=15800+0,00246,5+0,00052+12900=8,1∙10-4 м2∙К/Вт.
Так как для труб диаметром 38х2 мм отношение dв/dн>0,5, для расчета коэффициента теплопередачи используем уравнение для плоской стенки:
К=11αгп+rст+1αр=112,229∙105∙q-1/3+8,1∙10-4+15,596∙q2/3
С другой стороны:
q=K·∆tпол
Тогда получим следующее уравнение:
0,449·10-5·q4/3 + 8,1·10-4·q +0,179·q1/3 – 18,38=0
Решая полученное уравнение в компьютерной программе MathCAD 15.0 получим q=15146,3 Вт/м2. Соответственно αгп=1814,73 Вт/(м2·К), αр=3425,70 Вт/(м2·К).
Коэффициент теплопередачи в системе будет равен:
К=q∆tср=15146,318,38=824 Вт/(м2∙К)
Расчетная площадь поверхности теплообмена кипятильника составит:
F=QK∙∆tср=4428628824∙18,38=292,41 м2.
По ГОСТ 11987 – 81 принимаем выпарной аппарат с номинальной поверхностью теплообмена Fном =350 м2, действительной поверхностью теплообмена Fд=300 м2, с высотой труб Н = 4 м, наружным диаметром корпуса D=1400 мм, диаметром труб dн=38 мм, общим количеством труб n=625.
5. Описание конструкции выпарных аппаратов и технологической схемы однокорпусной выпарной установки.
В настоящее время известно большое количество самых разнообразных конструкций выпарных аппаратов. Их обычно подразделяют по принципу действия, типу циркуляции, способу подвода тепла, характеру движения раствора и расположения зоны испарения, ориентации поверхности нагрева и другим параметрам. Наибольшее распространение получила классификация по характеру движения раствора.
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией
Естественная циркуляция раствора в этих аппаратах происходит за счет разности плотностей раствора в сепараторе выпарного аппарата и парорастворной смеси в зоне кипения
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
