2.2. Расчет вакуум-насоса

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

G_возд=2,5∙10^-5∙(W_пс+G_в)+0,01∙W_пс,

Где 2,5∙10^-5 – массовый расход газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 – массовый расход газа, подсасывающегося в конденсатор через неплотности, на 1 кг пара.

G_в=2,5∙10^-5∙(2,726+4,35)+0,01∙2,726=2,74∙10^-2 кг/с

Эта формула учитывает, что весь неконденсируемый газ (воздух) из поверхностного конденсатора отсасывается через барометрический конденсатор.

Объемную производительность вакуум-насоса рассчитывают по формуле:

,

Где R=8130 Дж/кмоль∙К – универсальная газовая постоянная; М_возд – молекулярная масса воздуха кг/кмоль, М_возд=29 кг/кмоль; t_возд – температура воздуха, °С; Р_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),

где t_н и t_к – начальная и конечная температура воды в барометрическом конденсаторе, °С.

t_возд=18+4+0,1(70+18)=30,8°С

величину парциального давления Р_возд определяют по формуле:

р_возд=Р_бк-Р_п,

где Р_бк – абсолютное давление в барометрическом конденсаторе, равное (в первом приближении) абсолютному давлению в сепараторе последнего корпуса Р_пс, Па, Р_бк=21,3кПа; Р_п – давление насыщенного водяного пара при температуре t_возд, Па, Р_п=4,45 кПа

Р_возд=21,3-4,45=16,85 кПа

м³/с=8,3 м³/мин

Выбор вакуум-насоса производим по объемной производительности V_возд и степени разрежения от атмосферного давления А=(В/101,3)∙100%=(80/101,3)∙100%=78,9 кПа.

Выбираем по каталогу вакуум насос ВВН-12 со следующими характеристиками:

Остаточное давление 23 мм рт.ст.;

Производительность 12 м³/ми;

Мощность на валу 20 кВт

2.3. Расчет подогревателей раствора

Поскольку для эффективной работы установки в выпарные аппараты раствор должен поступать при температуре не ниже его температуры кипения в этих аппаратах, то схемой установки на линии подачи исходного раствора и на противоточных участках схемы предусмотрена установка подогревателей раствора. Температура раствора на входе в любой подогреватель и на выходе из него определяются расположением в схеме и были приняты ранее при решении системы уравнений теплового баланса выпарки.

Считая, что в качестве подогревателя раствора установлены одноходовые кожухотрубчатые теплообменники, проведем их упрощенный расчет, определив требуемую поверхность нагрева и расход греющего пара. Так как схемой установки отбор экстра пара на подогреватели не предусмотрен, то в качестве греющего пара в них используется пар таких же параметров, как для первого корпуса (см. схему установки).

Поверхность нагрева любого подогревателя находят из основного уравнения теплопередачи:

,

Где Q – количество теплоты, необходимое для нагрева раствора, Вт; К – коэффициент теплопередачи в подогревателе, Вт/м²∙К; ∆t – средняя движущая сила теплопередачи, °С.

Тепловой поток Q от греющего пара к раствору в подогревателе определяют по формуле:

Q=G_р∙С_р(t_вых-t_вх),

Где G_р – расход раствора, кг/с; С_р – теплоемкость раствора, Дж/кг∙К; t_вх и t_вых – температуры раствора на входе и выходе из теплообменника.

Для подогревателя исходного раствора:

G_р=G₀=10,55 кг/с; С_р= 3,844кДж/кг∙К; t_вх=55°С; t_вых=77,4°С

Q₁=10,55∙3,844∙10³∙(77,4-55)=907,5 кВт

Для промежуточного подогревателя перед корпусом 1

G_р=G₀-W₂-W₃=10,55-2,582-2,726=5,242 кг/с; С_р= 3,627 кДж/кг∙К; t_вх=63,3°С; t_вых=95,1°С

Q₂=5,242∙3,627∙10³∙(95,1-63,3)=604,6 кВт

При упрощенном расчете подогревателя воспользуемся значениями коэффициентов теплопередачи, полученными при расчете выпарных аппаратов. Для подогревателя, установленного на противоточном участке схемы, коэффициент теплопередачи К_под принимаем по значению коэффициента теплопередачи К_ва в том корпусе, из которого раствор поступает в данный подогреватель, то есть К₃. учитывая возможность ухудшения условий теплообмена в подогревателе по сравнению с выпарным аппаратом, уменьшим его численное значение на 20%.

К_под=0,8К₃=0,8∙339,0=271,2

Для подогревателя, расположенного на линии подачи исходного раствора в установку, значение К_под примем по значению К_ва в том корпусе, в который после подогревателя поступает раствор, сохраняя предыдущее условие о возможном ухудшении условий теплообмена.

К_под=0,8∙К₂=0,8∙449,8=359,8

Расчет средней движущей силы в подогревателе проводят по формулам учебного пособия [2]. В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

Для подогревателя исходной смеси подогреваемый раствор имеет: t_вх=55°С; t_вых=77,4°С;

греющий пар имеет t_1г=118,3°С

Δt_б=118,3-55=63,3ºС

Δt_м=118,3-77,4=40,9ºС

Δt_ср=(63,3-40,9)/ln(63,3/40,9)=51,3ºС

Для подогревателя на противоточном участке схемы перед корпусом 1 раствор имеет t_вх=63,3°С; t_вых=95,1°С. для подогрева также используется греющий пар t_1г=118,3°С

Δt_б=118,3-63,3=55ºС

Δt_м=118,3-95,1=23,2ºС

Δt_ср=(55-23,2)/ln(55/23,2)=36,8ºС

Поверхность нагрева подогревателя исходной смеси:

м²

Подбираем по каталогу одноходовой теплообменник с F=49 м², диаметр D=600 мм; трубы d=20×2 мм, l=2000 мм, число труб 389 шт; площадь поперечного сечения S=7,8∙10^-2 м²

Поверхность нагрева подогревателя на участке противотока:

м²

Подбираем по каталогу одноходовой теплообменник с F=61 м², диаметр D=600 мм; трубы d=25×2 мм, l=3000 мм, число труб 257 шт; площадь поперечного сечения S=8,9∙10^-2 м²

Рассчитываем расход греющего пара в теплообменниках:

,

Где параметрам пара (J_1г) и конденсата (с_к1, t_к1) соответствуют параметры греющего пара и конденсата первого корпуса выпарной установки.

Для подогревателя исходной смеси:

кг/с

Для подогревателя на противоточном участке схемы

кг/с