Навигация
2. Технологическая часть
2.1 Технологическая схема
1-емкость исходного раствора; 2, 9-насосы; 3, 4, 5-выпарные аппараты; 6-емкость упаренного раствора; 7-гидрозатвор; 10-барометрический конденсатор
2.2 Выбор конструкционного материала аппаратаВыбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaNO3 в интервале изменения концентраций от 10 до 27 %. В этих условиях подходит сталь марки X17 с коэффициентом теплопроводности λст = 25,1 Вт/м˚К. Скорость коррозии ее менее 0,1 мм/год.
2.3 Технологические расчеты| Основные условные обозначения: | |
| с – теплоемкость, Дж/(кг·К); | r – теплота парообразования кДж/кг; |
| d – диаметр, м; | T, t – температура, град; |
| D – расход греющего пара, кг/с; | W, ω – производительность по испаряемой воде, кг/с; |
| F – поверхность теплопередачи, м2; | x – концентрация, % (масс.); |
| G – расход, кг/с; | α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); |
| g – ускорение свободного падения, м/с2; | ρ – плотность, кг/м3; |
| H – высота, м; | μ – вязкость, Па·с; |
| I – энтальпия пара, кДж/кг; | λ – теплопроводность, Вт/(м·К); |
| i – энтальпия жидкости, кДж/кг; | σ – поверхностное натяжение, Н/м; |
| К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); | Re – критерий Рейнольдса; |
| Р – давление, МПа; | Nu – критерий Нуссельта; |
| Q – тепловая нагрузка, кВт; | Pr – критерий Прандтля; |
| q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; | |
| Индексы: | |
| 1, 2, 3 – первый, второй, третий корпус выпарной установки; | ж – жидкая фаза; |
| бк – барометрический конденсатор; | к – конечный параметр; |
| в – вода; | н – начальный параметр; |
| вп – вторичный пар; | ср – средняя величина; |
| г – греющий пар; | ст – стенка. |
Расчёт выпарного аппарата
1) Определяем общее количество выпаренной воды из уравнения материального баланса
2) В первом приближении количество выпаренной воды по корпусам принимаем равным, т.е.
3) Конечная концентрация раствора по корпусам
Таблица 1.
| № | Наименование | Обозначение | Размерность | Кол-во |
| 1 | Производительность по исходному раствору | GH | кг/c | 2,778 |
| 2 | Начальная концентрация раствора | XH | вес.дол.,% | 10 |
| 3 | Конечная концентрация раствора | XK | вес.дол.,% | 27 |
| 4 | Давление греющего пара | P | Па | 392266 |
| 5 | Давление в барометрическом конденсаторе | PK | Па | 19613,3 |
| 6 | Количество выпаренной воды общее | W | кг/c | 1,7489 |
| в первом корпусе | W1 | кг/c | 0,583 | |
| во втором корпусе | W2 | кг/c | 0,583 | |
| в третьем корпусе | W3 | кг/c | 0,583 | |
| 7 | Конечная концентрация раствора |
| ||
| в первом корпусе | XK1 | вес.дол.,% | 12,657 | |
| во втором корпусе | XK2 | вес.дол.,% | 17,235 | |
| в третьем корпусе | XK3 | вес.дол.,% | 27,005 | |
Определение температур кипения растворов
Общий предел давлений в установке:
Давления греющих паров в корпусах:
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:
| Давление пара, МПа | Температура, ˚С | Энтальпия пара, кДж/кг |
| Рг1=0,392 | tг1=142,9 | I1=2744 |
| Рг2=0,267 | tг2=132,9 | I2=2730 |
| Рг3=0,142 | tг3=108,7 | I3=2693 |
| Рбк=0,017 | tбк=59,7 | Iбк=2607 |
Гидродинамическая депрессия, обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса Δ´´´ = 1 град. Температуры вторичных паров в корпусах:
˚С
˚С
˚С
Сумма гидродинамических депрессий:
˚С
По температурам вторичных паров определим их давления:
| Температура, ˚С | Давление пара, МПа |
| tвп1 =133,9 | Рвп1 =0,3131 |
| tвп2 =109,7 | Рвп2 =0,1433 |
| tвп3 =60,7 | Рвп3 =0,0199 |
Гидростатическая депрессия. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса: 
По ГОСТу [2] аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках имеют высоту кипятильных труб Н=4 м при диаметре труб dН = 38 мм и толщине стенки σСТ = 2 мм.
При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε=0,4 - 0,6. Примем ε = 0,5. Плотность водных растворов NaNO3 [3] по корпусам при t = 20℃ равна: ρ1=1067кг/м3, ρ2=1143кг/м3, ρ3=1209кг/м3
Давление в среднем слое кипятильных труб:
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:
| Давление, *104 Па | Температура,℃ | Теплота испарения, кДж/кг |
| Рср1=32,36 | tср1=132,9 | rвп1=2171 |
| Рср2=15,45 | tср2=112,7 | rвп2=2227 |
| Рср3=3,18 | tср3=68,7 | rвп3=2336 |
Гидростатическая депрессия по корпусам:
˚С
˚С
˚С
Сумма гидростатических депрессий:
˚С
Температурная депрессия ∆ определяется по уравнению:
Температурная депрессия при атмосферном давлении [3]:
Температурная депрессия по корпусам:
˚С
˚С
˚С
Сумма температурных депрессий равна:
Температуры кипения растворов в корпусах:
˚С
˚С
˚С
Общая полезная разность температур:
Полезные разности температур по корпусам:
˚С
˚С
˚С
˚С
Проверка суммарной полезной разности температур:
℃
Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:
1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду. При решении этих уравнений можно принять: Iвп1≈Iг2; Iвп2≈Iг3; Iвп3≈Iбк. Теплоемкости растворов: сн=3,91 Дж/(кг·К); с1=3,84 Дж/(кг·К); с2=3,61Дж/(кг·К), св=4,19Дж/(кг∙К)
Решение системы уравнений дает следующие результаты:
D=0,651 кг/с; ω1=0,628 кг/с; ω2=0,567 кг/с; ω3=0,554 кг/с; Q1=1413 кВт;
Q2=1404 кВт; Q3=1337 кВт;
Параметры растворов и паров по корпусам:
Таблица 2
| Параметр | Корпус | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Производительность по испаряемой воде ω, кг/с | 0,628 | 0,567 | 0,554 |
| Концентрация растворов x, % | 12,67 | 17,24 | 27,00 |
| Давление греющих паров Рг, 104Па | 39,2 | 26,7 | 14,2 |
| Температура греющих паров tг, ˚С | 142,9 | 132,9 | 108,7 |
| Температура кипения раствора tк, ˚C | 136,4 | 112,7 | 72,3 |
| Полезная разность температур Δtп, град | 6,5 | 17,4 | 36,4 |
| Тепловая нагрузка Q, кВт | 1413 | 1404 | 1337 |
1) Коэффициент теплопередачи для первого корпуса:
Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:
Физические свойства кипящих растворов NaNO3 и их паров:
| Параметр | Корпус | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Теплопроводность раствора λ, Вт/(м·К) | 0,61 | 0,62 | 0,63 |
| Плотность раствора ρж, кг/м3 | 1089,3 | 1119,9 | 1200,1 |
| Теплоемкость раствора с, Дж/(кг·К) | 3910 | 3840 | 3610 |
| Вязкость раствора μ, мПа·с | 0,1 | 0,28 | 0,4 |
| Поверхностное натяжение σ*10-3, Н/м | 72,8 | 74,7 | 76 |
| Теплота парообразования rв, кДж/кг | 2171 | 2227 | 2336 |
| Плотность пара ρп, кг/м3 | 1,618 | 0,898 | 0,1876 |
| Плотность пара при 1 атм., ρ0, кг/м3 | 0,579 | 0,579 | 0,579 |
Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке:
Расчет α1 ведем методом последовательных приближений. Примем Δt1=0,98℃, A(при р=4атм)=10650Вт/м2
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:
Перепад температур на стенке:
℃
℃
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора равен:
Проверим равенство приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
2) Далее рассчитываем коэффициент теплоотдачи для второго корпуса: ∆t1=8,9℃
3) Коэффициент теплопередачи для третьего корпуса: ∆t1=25,4℃
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:
Проверим общую полезную разность температур установки:
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
Сравнение распределенных из условия равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур:
| Корпус | |||
| 1 | 2 | 3 | |
| Распределенные в первом приближении значения Δtп, ˚С | 10,6 | 19,75 | 29,86 |
| Предварительно рассчитанные значения Δtп, ˚С | 6,5 | 17,4 | 36,4 |
Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в первом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры и давления между корпусами установки. Основой перераспределения являются полученные полезные разности температур, найденные из условия равенства поверхностей теплообмена.
Уточненный расчет поверхности теплопередачи.В связи с тем, что существенное изменение давлении, по сравнению с рассчитанным в первом приближении, происходит только в 1-м и 2-м корпусах, где суммарные потери незначительны, во втором приближении принимаем такие же значения, ∆1, ∆11 и ∆111 как в первом приближении.
| Параметр | Корпус | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Производительность по испаряемой воде ω, кг/с | 0,628 | 0,567 | 0,554 |
| Концентрация растворов x, % | 12,67 | 17,24 | 27,00 |
| Давление греющих паров Рг, 104Па | 39,2 | 26,7 | 14,2 |
| Температура греющих паров tг, ˚С | 142,9 | - | - |
| Полезная разность температур Δtп, град | 10,69 | 19,75 | 29,86 |
| Температура кипения раствора tк=tг-tп, ˚C | 132,2 | 123,15 | 113,04 |
| Температура вторичного пара, tВ=tК-(∆/+∆//),℃ | 112,27 | 103,22 | 93,11 |
| Давление вторичного пара, PВ, Па | 1,5925 | 1,1325 | 0,7885 |
| Удельная энтальпия пара, I, кДж/кг | 2700 | 2683 | 2666 |
| Температура греющего пара, tГ=tВ-∆///,℃ | 109,27 | 120,15 | 90,11 |
| Тепловая нагрузка Q, кВт | 1413 | 1404 | 1337 |
Рассчитаем тепловые нагрузки:
Расчет коэффициентов теплопередачи приводит к следующим результатам:
К1=1716,49; К2=744б78; К3=449,52.
Распределение полезной разности температур:
Проверка суммарной полезной разности температур:
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
Сравнение значений полезных разностей температур, полученных в первом и втором приближениях:
| Корпус | |||
| 1 | 2 | 3 | |
| Значения Δtп во втором приближении, ˚С | 10,69 | 19,75 | 29,86 |
| Значения Δtп в первом приближении, ˚С | 10,6 | 19,75 | 29,86 |
Различия между полезными разностями температур по корпусам не превышают 5%. Расчетная поверхность теплопередачи выпарных аппаратов составляет F=83,307 м2. По ГОСТ 11987-81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:
| Номинальная поверхность теплообмена Fн | 100 м2 |
| Диаметр труб d | 38х2 мм |
| Высота труб H | 4000 мм |
| Диаметр греющей камеры dк | 1000 мм |
| Диаметр сепаратора dс | 1800 мм |
| Диаметр циркуляционной трубы dц | 600 мм |
| Общая высота аппарата На | 13000 мм |
| Масса аппарата Ма |
Расход охлаждающей воды определим из теплового баланса конденсатора:
Конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора принимают на 3-5 град ниже температуры конденсации паров:
˚С
Диаметр барометрического конденсатора определяют из уравнения расхода:
Принимаем скорость паров равной 20 м/с.
По нормалям НИИХИММАШа подбираем конденсатор диаметром равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром 500 мм.
Расчет высоты барометрической трубы
В соответствии с нормалями внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 0,125м. Скорость воды в барометрической трубе:
Высота барометрической трубы:
Величина вакуума в барометрическом конденсаторе:
Сумма коэффициентов местных сопротивлений:
Коэффициент λ зависит от режима течения жидкости. Режим течения воды в барометрической трубе:
Для гладких труб при Re=91,7·103 коэффициент трения λ=0,015.
отсюда 
Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
Объемная производительность вакуум-насоса:
Температуру воздуха рассчитываем по уравнению:
˚С
Давление воздуха:
Зная объемную производительность вакуум-насоса и остаточное давление Рбк, по ГОСТ 1867-57 подбираем вакуум-насос типа ВВН-3 мощностью на валу N=6,5 кВт.
0 комментариев