Расчет выпарного аппарата

Таблица6

Параметры	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде w, кг/с	4,8	5,35	6,34
Концентрация растворов x, %	19,1	24,8	38
Температура греющего пара в 1-м корпусе tг1, град	183,2	—	—
Полезная разность температур Δtп, град	24,85	23,9	29,44
Температура кипения  раствора tk = tг- Δtп, град	158,35	124,1	89,56
Температура вторичного пара, tвп = tk –( Δ'+ Δ''),град	153,8	113,2	56,26
Давление вторичного пара Pвт, МПа	0,53	0,16	0,016
Энтальпия вторичного пара Iвт, кДж/кг	2748	2707	2599
Температура греющего пара tг=tвп -Δ''', град.	—	147,1	119

 

Рассчитаем тепловые нагрузки (в  кВт):

Q₁=1,03((28,5*3,18(158,35-170,6)+4,8(2748-4,19*124,1))=9865;

Q₂=1,03((28,5-4,8)*3,2(124,1-158,35) +5,35(2707-4,19*124,1)) = 9806;

Q₃=1,03((28,5-4,8-5,35)*3,22(56,26-113,2) + 6,34(2599-4,19*56,26 ))=9767.

Рассчитаем коэффициенты теплопередачи.

Для первого корпуса  Δt₁=2 град:

α₁=9927 Вт/(м²К);

Δt_ст= 9927*2*2,85*10^-4 = 5,7 град;

Δt₂ =24,85-2-5,7 = 17,15 град;

α₂=6064 Вт/(м²К);

q^' = 9927*2 = 19854 Вт/м²;   q^''= 6045*17,15 =103671 Вт/м².

 

Как видим, q^' и q^'' имеют разные значения.

Для второго приближения  примем Δt₁=6 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,0, рассчитаем α₁ по соотношению

 

α₁ = 9927*(2/6)^1/4 = 7542 Вт/(м²*К).

Получим

Δt_ст=7542*6*2,85*10^-4 = 14,3 град;

Δt₂ =24,85-14,3-6 = 4,55 град;

α₂=16*(7542*6)^0,6 = 9942 Вт/(м²*К)

q^' =7542*6 = 45252 Вт/м²;   q^''= 9942*4,55 = 45236 Вт/м².

Как видим,  q^'≈ q^''.

Находим К₁= 1930 Вт/(м²К),

Аналогично находим К₂= 1840 Вт/(м²К), К₃= 1809 Вт/(м²К).

 

Δt_п1= 78,16*(9865/1930)/(9806/1840+9865/1930+9767/1809)=

=78,16*5,14/(5,14+5,32+5,39) = 25,5 град;

Δt_п2= 78,16*5,32/15,85= 26,2 град;

Δt_п3= 78,16*5,39/15,85= 26,5 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

 

Δt_п= Δt_п1+ Δt_п2+ Δt_п3 =25, 5+26,2+26,5=78,2 град.

Сравнение полезных разностей температур, полученных во 2-м и 3-м приближении  приведены ниже:

Таблица7

Параметры	Корпус
	1	2	3
Распределенные в первом приближении Δtп, град.	24,85	23,9	29,44
Δtп—рассчитанные во 2-м приближении,            град.	25,5	26,2	26,5

 

Различия между полезными разностями температур во 2-м приближении не превышает 5%.

Теперь рассчитаем поверхности теплопередачи выпарных аппаратов по формуле (3.1):

 

F₁=9864*10³/(1930*25,5)=200,4 м²;

F₂= 9806*10³/1840/26,2= 203,4 м²;

F₂= 9767*10³/1809/26,5= 203,7 м².

 

По ГОСТ11987-81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность  теплообмена F_н                             250м²

Диаметр труб d                                                                  38×2мм

Высота труб H                                                                   500мм     

Диаметр греющей камеры  d_к                                                                  1400мм 

Диаметр сепаратора                                                          3200мм

Диаметр циркуляционной трубы d_ц                                                   900мм

Общая высота аппарата Н_а                                                                          14500мм

Масса аппарата  М_а                                                                                             12000 кг

 

 

 

 

 

3.9.Определение толщины  тепловой изоляции.

 

Толщину δ_и тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:

                                                                              α_в(t_ст-t_в) = (λ_и/ δ_и)( t_ст1-t_ст2)                                 (3.15)

 

где α_в=9,3+0,058t_ст2-коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²К), t_ст2-температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха) t_ст2=40 град; ввиду незначительного сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением  слоя изоляции t_ст1 принимают равной температуре    t_г1; t_в-температура окружающей среды, град; λ_и-коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м²К).

Толщину тепловой изоляции d_и находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду.

Выберем в качестве материала для  изоляции стекловату марки 35 по     ГОСТ 10499 – 67, у которой l_и = 0,05 Вт/(м*К).

a_в  = 9,3 + 0,058*t_ст = 9,3 + 0,058*40 = 11,6 Вт/(м²*К).

Рассчитаем толщину  тепловой изоляции для первого корпуса:

 

d_и  = l_и (t_ст1 – t_ст2)/( a_в(t_ст2 – t_в)) = 0,05(183,2-40)/(11,6(40-22)) = 0,034 м

 

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,034 м и для других корпусов.

 

 

 

 

 

 

 

4. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

4.1 Расчет барометрического конденсатора.

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 22˚С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью ваккум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей  воды, основные размеры (диаметр и  высоту) барометрического конденсатора и барометрической трубы, производительность вакуум-насоса. 

Расход охлаждающей  воды. Расход охлаждающей воды G_в определяют из теплового баланса конденсатора:

                              G_в=ω₃*(I_бк-с_в*t_к)/ с_в*( t_к- t_н),                                                (4.1)

где t_н-начальная температура охлаждающей воды, ⁰С, t_н=22.

t_к-конечная температура смеси воды и конденсата, ⁰С, с_в-теплоемкость охлаждающей воды, Дж/кг*К.

Конечную температуру  воды t_к на выходе из конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров:

t_к= t_бк-4 = 59,7-4=55,7 ⁰С. Тогда

G_в= 6,42 *(2607000-4190*59,7 )/(4190*(59,7-22))=95,7 кг/с.

4.2 Диаметр  конденсатора

Диаметр определяем из уравнения  расхода:

                          d_бк= ,                                                  (4. 2)

где ρ =0,0962 кг/м³ - плотность паров, кг/м³, v-скорость паров, м/с. При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па v=15-25 м/с. Примем v=22 м/с. Тогда:

d_бк= (4*6,42/0,0962*3,14*22)^1/2  =  1,97 м.

По приложению 4.6 /6/ для  выбранного барометрического конденсатора внутренний диаметр барометрической  трубы равен d_бт=400 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

v_в=4*( G_в+ ω₃)/ ρ*π* d_бт²= 4*(95,7+6,42)/(2000*3,14*0,4²)= 0,4 м/с.

Высота барометрической  трубы:

Н_бт= ,                          (4.3)

где В-вакуум в барометрическом  конденсаторе, Па; Σζ-сумма коэффициентов  местных сопротивлений; λ-коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5-запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

В=Р_атм-Р_бк=10⁵-0,02*10⁶=8*10⁴Па;

Σζ=ζ_вх+ζ_вых=0,5+1,0=1,5,

где ζ_вх, ζ_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения λ  зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения жидкости в барометрической трубе:

Re= v_в* d_бт* ρ_в/μ_в= 0,4 *0,4*2000/0,00054=296296                            (4. 4)

λ =0,0138

Подставив в (5.1.3) найденные значения, получим:

Н_бт=8*10⁴/1000*9,8+(1+1,5+0,0138Н_бт/0,3)0,16/2/9,8+0,5

 Отсюда находим Н_бт=8,7м.

 

4.3 Расчет производительности вакуум-насоса. 

 

 

Производительность вакуум-насоса G_возд определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

G_возд=2,5*10^-5*( G_в+ ω₃)+0,01* ω₃,                                          (4.5)

где 2,5*10^-5-количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01-количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров. Тогда:

G_возд =2,5*10^-5*( 6,42+95, 7)+0,01*6,42= 66,8*10^-3 кг/с.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

            V_возд=R*(273+t_возд)* G_возд/( M_возд* P_возд)                                                 (4.6)

R-универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль*К); M_возд-молекулярная масса воздуха, кмоль/кг; t_возд-температура воздуха, ⁰С; P_возд-парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

t_возд= t_н+4+0,1*(t_к- t_н) = 22+4+0,1*(59,7 -22)  =29,77 ⁰С

Давление воздуха равно:

P_возд=Р_бк-Р_п,

где Р_п-давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд. Подставив, получим:

P_возд =20000 – 0,35*10⁴=1,65*10⁴ Па.

Тогда:

V_возд =8310*(273+29,77) 66,8*10^-3/(29*1,65*10⁴) = 0,351 м³/с = 21,4 м³/мин.

 

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк,  подбираем вакуум-насос типа ВВН -25, имеющий характеристики: остаточное давление – 15 мм рт.ст., объемная производительность – 25 м³/мин, мощность на валу – 48 кВт.