Расчетная часть

2. Расчетная часть

2.1           Материальный расчет

Запишем уравнение материального баланса для всего количества раствора

по растворенному веществу

где G_н – массовый расход начального (исходного) раствора, кг/с;

G_к – массовый расход конечного (упаренного) раствора, кг/с;

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с;

x_к – массовая доля растворенного вещества в исходном растворе;

x_н – массовая доля растворенного вещества в упаренном растворе.

Из уравнения материального баланса определяем массовое количество упаренного раствора и выпаренной воды.

 кг/ч

Выпаренной воды будет

W = 7800 – 2275 = 5525 кг/ч

2.2           Тепловой расчет

Тепловой расчет выполняется на основе закона сохранения энергии, согласно которому приход теплоты должен быть равен ее расходу.

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата

Q + G_н·C_н·t_н = G_к·C_к·t_к + W·i_вт + Q_пот (5)

где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;

C_н, C_к – удельная теплоемкость начального (исходного) и конечного (упаренного) раствора, Дж/(кг·К);

t_н, t_к – температура начального раствора на входе в аппарат и конечного раствора на выходе его из аппарата, ^оС;

i_вт – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата, Дж/кг;

Q_пот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт.

Из уравнения теплового баланса находится расход теплоты на выпаривание, которое поступает с греющим паром.

Расход теплоты на нагревание раствора до температуры кипения:

Расход теплоты на испарение воды:

 

где С_в – удельная теплоемкость воды при t_к, Дж/(кг·К);

По условию раствор в аппарат поступает при температуре кипения, следовательно Q_нагр = 0

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду принимают в размере 3-5% от суммы (Q_нагр + Q_исп)

т.к. Q_нагр = 0, то принимаем

Q_пот = 0,3*Q_исп и тогда

Определяем температуру вторичного пара в барометрическом конденсаторе. Определяется как температура насыщения при давлении в барометрическом конденсаторе.

При р_б.к. = 0,18 t_o = 57,26

59,7-2,44=57,26

Определяем температуру вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата

где t₁ – температура вторичного пара в сепараторе,;

t₀ – температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе,;

Δt_г.с. – гидравлическая депрессия (сопротивление), т.е. изменение температуры вторичного пара на участке сепаратор - барометрический конденсатор, вызванное падением давления пара из-за гидравлического сопротивления паропровода вторичного пара,.

Принимаем Δt_г.с. = 1

тогда t₁ = 57,26 + 1 = 58,26

этой температуре соответствует p₁ = 0,1883

0,2031 – 0,0148 = 0,1883

Конечная температура раствора (температура кипения раствора в сепараторе) при которой упаренный раствор выводится из аппарата.

где t_к – температура кипения раствора в сепараторе, ;

t₁ – температура вторичного пара в сепараторе, ;

Δ t_депр. – температурная депрессия, выражающая повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя (воды) при том же давлением, .

Находим, что 24% раствор NaOH кипит под атмосферным давлением при температуре 111,47

110 + 1,47 = 111,47

Температурную депрессию можно определить по формуле Тищенко

где Δ t_депр. – температурная депрессия,;

t_атм – температурная депрессия при атмосферном давлении,;

T – Абсолютная температура воды при данном давлении,;

 - теплота испарения для воды при данном давлении, Дж/кг.

t_атм = 111,47 – 100 = 11,47

обозначим  

при p_б.к. = 0,18

0,76 – 0,012 = 0,748

Δt_депр.= 0,748·11,47 = 8,58

Конечная температура раствора в сепараторе

t_к = 58,26 + 8,58 = 66,84

Средняя температура кипения раствора в трубах

где t_кип – средняя температура кипения в трубах,;

t_к – температура кипения раствора в сепараторе (конечная температура раствора),;

Δt_г.э. – гидростатическая депрессия (эффект) или повышение температуры кипения раствора вследствие гидростатического давления столба жидкости в аппарате,.

Вначале определим следующие параметры: оптимальная высота уровня по водомерному стеклу, определяется по формуле:

где оптимальная высота уровня, м;

плотности раствора конечной концентрации и воды при температуре кипения, кг/м^3;

рабочая высота труб, м.

Примем t_кип = 73^оС, тогда

1196 + 42,8 = 1238,8

1183 + 42,4 = 1225,4

1225,4 + 4,69 = 1230,1

972 + 3.85 = 975.9

Гидростатическую депрессию определим по формуле

Средняя температура кипения раствора в трубах

 

Количество теплоты, передаваемое от греющего пара к кипящему раствору

при t₁ = 58,26  

Расход пара

где  – расход греющего пара, ;

 – расход теплоты, Вт;

 – удельная теплота парообразования при абсолютном давлении р_абс = 2 атм;

 – парообразование (степень сухости) греющего пара.

Влажность пара 5%, следовательно, x = 1 – 0,05 = 0,95

при р_абс = 2,5 атм

Общая разность температур

где общая разность температур,;

t_г.п. – температура греющего пара, ;

t_о – температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе, .

t_г.п. = 126,25^оС при p = 2,5 атм

Полезная разность температур

где – полезная разность температур,;

 – температура греющего пара;

 – температура кипения раствора в трубах (средняя),.

Проверка:

где  – сумма температурных потерь,

Расчет верен

Площадь поверхности нагрева выпарного аппарата

где F – площадь поверхности нагрева, м²

 – теплота, отданная греющим паром раствору, Вт

 – полезная разность температур,

K – коэффициент теплоотдачи,

Определяем коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к поверхности вертикальных труб

где H – высота труб, м;

 – коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке, ;

 – функция, зависящая от температуры конденсации;

Δt – разность температур конденсации греющего пара и наружной поверхности труб со стороны пленки конденсата, .

где  – температура конденсации

;

 – температура наружной поверхности труб, .

Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к кипящему раствору

или

где  – коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору,

;

 – безразмерный коэффициент, зависящий только от

отношения плотностей жидкости и пара;

λ – коэффициент теплопроводности раствора, ;

ρ – плотность раствора, ;

μ – коэффициент динамической вязкости, Па·с;

σ – коэффициент поверхностного натяжения, ;

 – температура кипения раствора,

где  – плотность водяного пара при  

определяем по закону состояния идеальных газов (Менделеев – Клапейрон)

Принимаем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны греющего пара ≈5800и со стороны кипящего раствора ≈2900

где  – коэффициент теплопроводности стали

В качестве первого приближения принимаем температуру наружной поверхности внешнего слоя загрязнений t' = 124

Тогда коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока от пара определится

Температура поверхности загрязнений со стороны раствора определится

Определяем коэффициент теплоотдачи к раствору

Плотность теплового потока

Следовательно, необходимо уменьшить температуру стенки со стороны пара

Второе приближение

Вновь вычисляем коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока от пара к наружной стенке

Температура внутренней поверхности

Коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока к раствору

Расхождение

Поэтому дальнейшее приближение не требуется.

Коэффициент теплопередачи

Где К – коэффициент теплопередачи, ;

 – коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, ;

 – коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору, ;

 – сумма тепловых сопротивлений.

Необходимая поверхность теплопередачи

Выбираем выпарной аппарат по ГОСТ 11987 – 81 F=160м²

Таблица 1. Техническая характеристика выпарного аппарата	Масса аппарата	кг	12000
	Высота аппарата, Н	мм	13500
	Диаметр циркуляционной трубы, D2	мм	700
	Диаметр сепаратора, D1	мм	2400
	Диаметр греющей камеры, D	мм	1200
	Длина труб, l	м	4000
	Поверхность теплообмена при dтр=38*2мм	мм	160

Запас поверхности теплообмена

2.3 Конструктивный расчёт

2.3.1 Определение числа кипятильных труб

где  - площадь поверхности теплообмена, м²;

 - число труб;

 - средний диаметр труб, м;

 - длина труб, м.