Расчет выпарного аппарата для выпаривания раствора хлорида кальция

 

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);

Δtст= 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

Δtст=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).

 

Δtп1= 78,16*(9865/1930)/(9806/1840+9865/1930+9767/1809)=

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

Δtп2= 78,16*5,32/15,85= 26,2 град;

Δtп3= 78,16*5,39/15,85= 26,5 град.

Проверим общую полезную разность температур установки:

 

Δtп= Δtп1+ Δtп2+ Δtп3 =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 Fн                             250м2

Диаметр труб d                                                                  38×2мм

Высота труб H                                                                   500мм     

Диаметр греющей камеры  dк                                                                  1400мм 

Диаметр сепаратора                                                          3200мм

Диаметр циркуляционной трубы dц                                                   900мм

Общая высота аппарата На                                                                          14500мм

Масса аппарата  Ма                                                                                             12000 кг

 

 

 

 

 

3.9.Определение толщины  тепловой изоляции.

 

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

                                                                              αв(tст-tв) = (λи/ δи)( tст1-tст2)                                 (3.15)

 

где αв=9,3+0,058tст2-коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2К), tст2-температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха) tст2=40 град; ввиду незначительного сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением  слоя изоляции tст1 принимают равной температуре    tг1; tв-температура окружающей среды, град; λи-коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м2К).

Толщину тепловой изоляции dи 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 lи = 0,05 Вт/(м*К).

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

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для первого корпуса:

 

dи  = lи (tст1 – tст2)/( aв(tст2 – tв)) = 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 Gв определяют из теплового баланса конденсатора:

                              Gв=ω3*(Iбк-св*tк)/ св*( tк- tн),                                                (4.1)

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

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

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

tк= tбк-4 = 59,7-4=55,7 0С. Тогда

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

4.2 Диаметр конденсатора

Диаметр определяем из уравнения расхода:

                          dбк= ,                                                  (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:

dбк= (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 dбт=400 мм. Скорость воды в барометрической трубе:

vв=4*( Gв+ ω3)/ ρ*π* dбт2= 4*(95,7+6,42)/(2000*3,14*0,42)= 0,4 м/с.

Высота барометрической трубы:

Нбт= ,                          (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=Ратм-Рбк=105-0,02*106=8*104Па;

Σζ=ζвх+ζвых=0,5+1,0=1,5,

где ζвх, ζвых - 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= vв* dбт* ρв/μв= 0,4 *0,4*2000/0,00054=296296                            (4. 4)

λ =0,0138

Подставив в (5.1.3) найденные значения, получим:

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

 Отсюда находим Нбт=8,7м.

 

4.3 Расчет производительности вакуум-насоса. 

 

 

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

Gвозд=2,5*10-5*( Gв+ 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:

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

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

            Vвозд=R*(273+tвозд)* Gвозд/( Mвозд* Pвозд)                                                 (4.6)

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

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

tвозд= tн+4+0,1*(tк- tн) = 22+4+0,1*(59,7 -22)  =29,77 0С

Давление воздуха равно:

Pвозд=Рбк-Рп,

где Рп-давление сухого насыщенного пара (Па) при tвозд. Подставив, получим:

Pвозд =20000 – 0,35*104=1,65*104 Па.

Тогда:

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

 

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