Провести расчет выпарного аппарата непрерывного действия с естественной циркуляцией раствора для выпаривания G=9 т/ч водного раствора магний хлорида. Концентрация исходного и упаренного растворов соответственно xн=15 и xк=25% масс. Давление в барометрическом конденсаторе PБ.К=0,7 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
1 Материальный баланс
По уравнениям материального баланса находим производительность по упаренному раствору и выпаренной воде:
Gк=Gн∙xнxк=Gк=9∙1525=5,4тч=1,5кгс;
W=Gн-Gк=9-5,4=3,6тч=1кгс.
1.2 Расчет температурных потерь
Температура вторичного пара на входе в барометрический конденсатор при рбк=0,7 ата=0,7 кгс/см2 по справочным данным составляет tбк=89,3°С. Принимаем гидравлическую температурную депрессию Δ′′′= 1°С, тогда температура вторичного пара в выпарном аппарате:
tвп=tбк+∆///=89,3+1=90,30C
Этой температуре соответствует давление pвп=0,72 кгс/см2
Температурную депрессию ∆//определим по правилу Бабо.
По справочной таблице определяем, что 25% раствор магний хлорида под атмосферным давлением кипит при температуре 110,580С. При этой температуре давление насыщенного пара воды составляет рв=1,492 кгс/см2.
Отношение давлений пара над раствором и воды при одной и той же температуре 110,580С:
р1/рв/110,58=1,0331,492=0,692
Согласно правилу Бабо, это отношение сохраняет постоянное значение при всех температурах кипения раствора. Для искомой температуры кипения раствора при р1=0,72 кгс/см2:
р1рвТ=0,72рв=0,692→рв=1,04 кгс/см2
Этому давлению соответствует температура кипения воды 100,120С. Эту же температуру кипения будет иметь раствор магний хлорида при давлении над раствором 0,72 кгс/см2.
Температура кипения воды при давлении 0,72 кгс/см2 равна 90,040С.
Температурная депрессия раствора:
∆tдепр=tр-tв=100,12-90,04=10,080С
Учтем поправку Стабникова. По справочной таблице определяем при рр/рв=0,692 и рр=0,72 кгс/см2=529,6 мм рт.ст. поправка ∆t=-0,9 К. Поправка со знаком минус, так как теплота растворения магний хлорида отрицательная.
Таким образом:
∆//=10,08-0,9=9,180С
Конечная температура раствора (температура кипения раствора в сепараторе):
tкон=tвп+∆//=90,3+9,18=99,480С
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=1030С. Тогда ρр=1102 кг/м3, ρв=955,75 кг/м3.
Нопт=0,26+0,0014∙1102-955,75∙5=2,32 м
Гидростатическое давление в середине высоты труб при Нопт=2,32 м:
рср=р1+0,5∙ρр∙g∙Нопт;
рср=0,72+0,5∙1102∙9,81∙2,3298100=0,86 кгс/см2
Температура кипения воды при давлении 0,67 кгс/см2 tср=950С
Гидростатическая депрессия:
∆/=tср-tв=103-95=80С
Средняя температура кипения раствора в трубах:
tкип=tкон+∆/=99,48+8=107,480С
1.3 Тепловой расчет
Принимаем температуру греющего пара 1200С 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·(1-0,15)=3561,5 Дж/(кг·К)
iвт – удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата, Дж/кг; iвт=2662 кДж/кг при 90,040С;.
Так как раствор поступает в аппарат подогретым до температуры кипения, получим, с учетом тепловых потерь в размере 5%:
Q=1,05∙2,5∙(2662000-4190∙99,48)=5893594,35 Вт
Массовый расход греющего пара со степенью сухости 0,95 (принимаем) рассчитываем по формуле:
Gгр.п.=Qr∙x=5893594,352,207·106∙0,95=2,81кгс,
где r=2,207·106 Дж/кг – теплота конденсации насыщенного водяного пара при температуре 1200С.
Общая и полезная разность температур:
∆tобщ=tгп-t0=120-89,3=30,70С
∆tпол=tгп-tкип=120-107,48=12,520С
1.4 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 1200С:
удельная теплота парообразования – rгп=2207000 Дж/кг;
плотность – ρп=1,1199 кг/м3;
плотность конденсата – ρгп=943 кг/м3;
динамический коэффициент вязкости – μгп=0,231·10-3 Па·с;
коэффициент теплопроводности – λгп=0,686 Вт/(м·К).
αконд=1,21∙0,686∙(9432∙2207000∙9,810,231∙10-3∙4)1/3∙q-1/3=2,284∙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 99,480С
. Тогда получим:
b=0,075∙1+10∙ρжρп-1-23
b=0,075∙1+10∙11020,59-1-23=0,128
αсм=0,128∙(0,6952∙11820,292∙10-3∙0,058∙(273+99,48))1/3∙q2/3=5,747∙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=112,284∙105∙q-1/3+8,1∙10-4+15,747∙q2/3
С другой стороны:
q=K·∆tпол
Тогда получим следующее уравнение:
0,438·10-5·q4/3 + 8,1·10-4·q +0,174·q1/3 – 12,52=0
Решая полученное уравнение в компьютерной программе MathCAD 15.0 получим q=9744 Вт/м2. Соответственно αгп=10693,43 Вт/(м2·К), αр=2621,8 Вт/(м2·К).
Коэффициент теплопередачи в системе будет равен:
К=1110693,43+8,1∙10-4+12621,8=778,25 Вт/(м2∙К)
Расчетная площадь поверхности теплообмена кипятильника составит:
F=QK∙∆tср=5893594,35778,25∙12,52=604,86 м2.
По ГОСТ 11987 – 81 принимаем выпарной аппарат с номинальной поверхностью теплообмена Fном=700 м2, действительной поверхностью теплообмена Fд=650 м2, с высотой труб Н = 5 м, наружным диаметром корпуса D=1800 мм, диаметром труб dн=38 мм, общим количеством труб n=1097.
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.
1.5 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.
