Расчет и проект выпарной установке непрерывного действия для выпаривания водного раствора CuSO4

3. Расчет основного  оборудования Equation Chapter (Next) Section 1

3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи выпарной установки F, м2, определяют по основному уравнению теплопередачи согласно (1 стр. 166) формуле (4.1):

 (3.1)

где Q – тепловой поток, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, ;

Δtп – полезная разность температур, К.

Для определения тепловой нагрузки, коэффициента теплопередачи и полезной разности температуры необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов и их температуры кипения. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение:

Производительность установки по выпариваемой воде W, кг/с, определяют из уравнения материального баланса согласно (1 p. 166) формуле (4.2):

 (3.2)

где GН – производительность по исходному раствору, кг/с;

xН – начальная концентрация раствора, %масс.;

xК – конечная концентрация раствора, %масс.

GН=18000 кг/ч (5 кг/с) – по заданию; xН=3 %масс. – по заданию; xК=33 %масс. – по заданию.

кг/с.

3.1.1 Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением (1 стр. 166):

 (3.3)

Тогда нагрузки по выпариваемой воде wi, кг/с, рассчитываются по формуле (1 стр. 167):

 

   (3.4)

где W – производительность установки по выпариваемой воде, кг/с;

ki – коэффициент отношения по выпариваемой воде в корпусах;

i – номер корпуса;

n – количество корпусов.

W=4,545 кг/с – в соответствии с формулой (3.2); k1=1,0; k2=1,04 – в соответствии с отношением (3.3); n=2 шт. – по заданию.

кг/с,

кг/с,

Далее рассчитываем концентрации растворов xi, %масс., в корпусах (1 стр. 167):

 или 5,4 %масс.,

 или 33,0 %масс.

Концентрация раствора в последнем корпусе х2, %масс., соответствует заданной концентрации упаренного раствора.

3.1.2. Температура кипения раствора

Общий перепад давлений ΔPоб, Па, в установке равен (1 стр. 167):

 (3.5)

где PГ1 – давление греющего водяного пара в первом корпусе, Па;

Pбк – давление в барометрическом конденсаторе, Па.

РГ1=0,5 106 Па – принимаем самостоятельно; Pбк=32 103 Па – по заданию.

Па.

Тогда давление греющих паров в корпусах равны (1 стр. 167):

 (3.6)

ΔPоб=468 103 Па – по формуле ; n=2 – по заданию.

 Па,

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии (2 стр. 549) и представим в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Давление, температура и энтальпия водяного пара

Р, МПа	t, °C	Н, кДж/кг
Рг1=0,500	tг1=151,78	Н1=2755,4
Рг2=0,266	tг2=129,06	Н2=2724,2
Рбк=0,032	tбк=70,48	Нбк=2623,2

При определении температуры кипения раствора в аппарате исходим из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с естественной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимаем равной конечной в данном корпусе, а температуру кипения раствора определяем при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимаем соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь ΣΔ, которая состоит из температурной , °С, гидростатической , °С, и гидродинамической , °С, депрессий (1 стр. 167):

 (3.7)

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают =1,0–1,5 °С на корпус.

Примем =1,0 °С.

Тогда температура вторичных паров tвпi, °С, в корпусах равна (1 стр. 167):

 (3.8)

°С,

°С,

Сумма гидродинамических депрессий:

°С.

По температурам вторичных паров определим их давления (2 стр. 548) и представим в виде таблицы 3.2.

Таблица 3.2 – Температура и давление вторичных паров

tвп, ºС	Рвп, МПа
tвп1=130,06	Рвп1=0,2734
tвп2=71,48	Рвп2=0,0335

Определяем гидростатическую депрессию. Давление в среднем слое кипящего раствора Pср, Па, равно (1) формула (4.3):

 (3.9)

где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м;

ρ- плотность кипящего раствора, кг / м3;

ε - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3/ м3.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fop, м2, (1 стр. 167).

 (3.10)

где w1 – производительность по выпариваемой воде для первого аппарата, кг/с;

r1 – теплота парообразования для вторичного пара в первом корпусе, Дж/кг;

q – удельная тепловая нагрузка на аппарат, Вт/м2.

w1=2,228 кг/с – по формуле ; r1=2178,9 кДж/кг – (2 стр. 549); q=45000 Вт/м2 – по рекомендациям (1 стр. 168).

м2.

По ГОСТ 11987-81 (1 стр. 183) выпарные аппараты с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и солеотделением (тип 1, исполнение 3) Fор=112 м2 состоят из кипятильных труб высотой 6 м при диаметре dн=38 мм и толщине стенки δст=2 мм.

Высота кипятильных труб Н=6 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε=0,4–0,6 (1 стр. 168).

Примем ε=0,5.

Плотность водных растворов CuSO4 при температуре 35 °С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

кг/м3,

 кг/м3,

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 35°С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов Pср, Па, равно:

Па,

Па,

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя приведённые в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Давление, температура кипения и теплота парообразования растворителя

Pср, МПа	t, °C	r, кДж/кг
Pср1=0,2888	tср1=132,16	r1=2173,1
Pср2=0,0540	tср2=83,18	r2=2301,5

Определим гидростатическую депрессию по корпусам , °С, [1] стр.168:

.

°С,

°С,

°С.

Температурную депрессию Δ', °С, определим по уравнению Тищенко (1) формула (4.4):

 (3.11)

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

 – температурная депрессия  при атмосферном давлении.

Находим значение °С, °С – (1 стр. 188).

°С,

°С,

Сумма температурных депрессий:

°С.

Температуры кипения растворов tК, °С, в корпусах равны (1 стр. 169):

.

°С,

°С,

3.1.3. Полезная разность температур

Общая полезная разность температур ΣΔtп, °С, равна (1 стр. 170):

.

Полезные разности температур по корпусам Δtпi, °С, равны (1 стр. 170):

.

°С,

°С.

Тогда общая полезная разность температуры равна:

°С.

Проверим общую полезную разность температуры:

°С.

3.1.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в первом корпусе, 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) формулы (4.8), (4.9), (4.10), (4.11):

;

;

.

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

Qконц1, Qконц2, Qконц3—теплоты концентрирования по корпусам, Вт; так как эти величины имеют небольшое значение, то ими пренебрегаем;

D – расход греющего пара, кг/с.

;

;

кг/с.

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

кг/с,

кг/с,

кг/с,

кВт,

кВт,

Результаты расчета сведены в таблицу 3.4.

Таблица 3.4–Характеристика процесса выпаривания раствора.

Параметр	Корпус
	1	2
Производительность по выпариваемой воде w, кг/с	2,231	2,314
Концентрация раствора x, %масс.	5,4	33,0
Давление греющего пара PГ, МПа	0,500	0,266
Температура греющего пара tГ, °С	151,78	130,06
Температурные потери ΣΔ, град	3,30	14,31
Температура кипения раствора tК, °С	132,36	84,79
Полезная разность температур ΔtП, град	19,42	44,27

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 5%, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

3.1.5. Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора CuSO4 интервале изменения концентраций от 3 %, до 33 %. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λст=25,1 .

3.1.6. Расчет коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи K для первого корпуса определяем по уравнению аддитивности термических сопротивлений (1) формула (4.13):

 (3.12)

где α1, α2 – коэффициент теплоотдачи от пара стенке и от стенки раствору, ;

δ/λ – термическое сопротивление, .

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки δст/λст и накипи δн/λн.

Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим (1 стр. 172):

 (3.13)

где δст, δн – толщина стенки, толщина слоя накипи, м;

λст, λн – коэффициент теплопроводности стенки и накипи, .

δст=0,002 м – по выбранному аппарату; δн=0,0005 м – по рекомендации (1 стр. 172); λст=25,1 – теплопроводность выбранного для аппарата материала; λн=2 – по рекомендации (1 стр. 172).

.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке α1, , равен (1) формула (4.14):

 (3.14)

где r1 – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

ρж1, λж1, μж1 – соответственно плотность, кг/м3, теплопроводность, , вязкость, Па·с, конденсата при средней температуре пленки tпл, °С, которая рассчитывается как (1 стр. 172):

где Δt1 – разность температур конденсации пара и стенки, °С.

Расчет коэффициента теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем Δt1=2 °С.

Определение физических параметров конденсата ведут при температуре:

°С.

r1=2114900 Дж/кг – (2 стр. 549); ρж1=916,2 кг/м3, λж1=0,684 , μж1=184·10-6 Па·с – (2 стр. 537); H=6 м – по выбранному аппарату.

  .

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение (1 стр. 172):

 (3.15)

где q1 – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

Δtcт – перепад температур на стенке, °С;

Δt2 – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.

Вт.

,

.

°С,

°С.

Коэффициент теплопередачи α2, , от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен (1) формула (4.15).

 (3.16)

где λ1 – теплопроводность раствора, ;

ρп1 – плотность пара, кг/м3;

σ1 – поверхностное натяжение, Н/м;

rв1 – теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг;

ρ0 – плотность пара при атмосферном давлении, кг/м3;

μ1 – вязкость раствора, Па·с.

ρ0=0,597 кг/м3 – (2 стр. 548).

Физические свойства кипящих растворов CuSO4 и их паров приведём в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Физические свойства кипящих растворов CuSO4 и их паров

Параметр	Значение
Теплопроводность раствора λ,	0,670
Плотность раствора ρ, кг/м3	1051
Теплоёмкость раствора с,	3989
Вязкость раствора μ, Па с	0,223·10-3
Поверхностное натяжение σ, Н/м	0,0717
Теплота парообразования rв, Дж/кг	2178900
Плотность пара ρп, кг/м3	1,5090