4 Розрахунок основного обладнання
Вихідні дані для проектування:
речовина, що випарюється: водний розчин калій хлору;
продуктивність по вихідному розчину: Gп = 3,5 кг/с;
початкова концентрація розчину, що упарюється: хп = 10 %;
кінцева концентрація розчину, що упарюється: хк = 30 %;
тиск гріючої пари: Рг1 = 0,15 МПа;
тиск в барометричному конденсаторі: Рбк = 0,02 МПа;
температура вихідного розчину: tп = 20ºС;
температура упареного розчину після холодильника: t = 30ºС;
температура охолоджуючої води: tп.в. = 20ºС.
Поверхню теплопередачі кожного корпусу випарної установки визначаємо по основному рівнянню теплопередачі:
(4.1)
де Q – теплове навантаження, кВт;
К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2 К;
∆tк – корисна різниця температур, ºС.
Перше наближення.
4.1 Продуктивність установки
Продуктивність установки по випарюваній воді розраховуємо із рівняння матеріального балансу:
(4.2)
кг/с
4.2 Концентрації упарюваного розчину
Розподілення концентрації розчину по корпусам установки залежить від співвідношення навантаження по випарюваній воді в кожному апараті. В першому наближенні на основі практичних даних приймаємо, що продуктивність по випарюваній воді розподіляється між корпусами в залежності із співвідношенням:
w1:w2:w3=1.0:1.1:1.2.
Тоді:
Концентрацію розчинів по корпусах розраховуємо за формулами:
(4.3)
(4.4)
(4.5)
Концентрація розчину в третьому корпусі х3 відповідає заданій концентрації упареного розчину хк.
4.3 Температура кипіння розчинів
В першому наближенні загальний перепад тиску розподіляється між корпусами порівну.
Загальний перепад тисків в установці розраховуємо за формулою:
∆Рзаг=Рг1 - Рбк, (4.6)
∆Р=0,15-0,02=0,13 МПа.
Тиск гріючої пари в другому корпусі розраховуємо за формулою:
Рг2=Рг1 - ∆Рзаг/3, (4.7)
Рг2=0,15 – 0,13/3=0,1067 МПа.
Тиск гріючої пари в третьому корпусі розраховуємо за формулою:
Рг3=Рг2 - ∆Рзаг/3, (4.8)
Рг3=0,1067 – 0,13/3=0,0634 МПа.
Тиск гріючої пари в барометричному конденсаторі розраховуємо за формулою:
Рбк =Рг3 - ∆Роб/3, (4.9)
Рбк=0,0634 - 0,13/3=0,020 МПа, що відповідає заданому значенню Рбк.
По тискам парів знаходимо їх температури та ентальпії [2, табл. LVII, с.532], та зводимо їх в таблицю 4.1.
Таблиця 4.1 – Властивості насиченого водяного пару в залежності від тиску
Тиск Рг , МПа |
Температура tг, ºС |
Ентальпія Iг, кДж/кг |
Рг1 = 0,15 Рг2 = 0,1067 Рг3 = 0,0634 Рбк = 0,020 |
tг1 = 110,11 tг2 = 101,96 tг3 = 87,59 tбк = 68,34 |
I1 = 2700 І2 = 2681 І3 = 2653 Ібк = 2608 |
Зміна температури кипіння по висоті кип’ятильних труб відбувається внаслідок зміни гідростатичного тиску стовпа рідини. Температуру кипіння розчину в корпусі приймають відповідно температурі кипіння в середньому шарі рідини. Таким чином, температура кипіння розчину в корпусі відрізняється від температури гріючої пари в наступному корпусі на суму температурних витрат Σ∆ від температурної (∆І), гідростатичної (∆ІІ) і гідродинамічної (∆ІІІ) депресій (Σ∆=∆І+∆ІІ+∆ІІІ).
Гідродинамічна депресія зумовлена втратою тиску пара на подолання гідравлічних опорів трубопроводів при переході із корпуса в корпус. Зазвичай в розрахунках приймають ∆ІІІ = 1,0-1,5 ºС на корпус. Приймаємо для кожного корпуса ∆ІІІ =1 ºС.
Температуру вторинної пари в першому корпусі розраховуємо за формулою:
t вп1 = tг2 + ∆ІІІ1, (4.10)
tвп1 = 101,96+ 1,0 = 102,96 0С
Температуру вторинної пари в другому корпусі розраховуємо за формулою:
t вп2 = tг3 + ∆ІІІ2, (4.11)
tвп2 = 87,59 + 1,0 = 88,59 0С
Температуру вторинної пари в третьому корпусі розраховуємо за формулою:
t вп3 = tбк + ∆ІІІ3, (4.12)
tвп3 = 68,34 + 1,0 = 69,34 0С
Суму гідродинамічних депресій розраховуємо за формулою:
Σ∆ІІІ= ∆ІІІ1 + ∆ІІІ2 + ∆ІІІ3, (4.13)
Σ∆ІІІ = 1 + 1 + 1 = 3 0С.
По температурам вторинних парів визначаємо їх тиски. Вони рівні відповідно: Рвп1 = 0,109 МПа, Рвп2 = 0,061 МПа, Рвп3 = 0,026 МПа [2, табл.LVII, с.532].
Гідростатична депресія обумовлена різницею тисків в середньому шарі киплячого розчину і на його поверхні. Тиск в середньому шарі киплячого розчинну Рср кожного корпуса розраховується за формулою:
(4.14)
де Н – висота кип’ятильних труб в апараті, м;
ρ – густина киплячого розчину, кг/м3;
ε – паронаповнення, м3/м3.
Для вибору значення Н необхідно орієнтовно оцінити поверхню теплопередачі випарного апарата Fор. При кипінні водних розчинів можна прийняти питоме теплове навантаження апаратів із природною циркуляцією q = 20000 – 50 000 Вт/м2. Приймаємо q = 40000 Вт/м2 [1].
Орієнтовну поверхню теплопередачі 1-го корпусу розраховуємо за формулою:
Fор = Q/q = w1. r1/q, (4.15)
де r1 – теплота пароутворення вторинної пари, Дж/кг, [2, табл.LVII, с.532].
Приймаємо теплоту пароутворення вторинної пари r1 = 2252,8 кДж/кг.
Fор = 0,7. 2252,8 . 103/40 000 = 78,85 м2,
По ГОСТ 11987 – 81 [1] трубчаті апарати з природною циркуляцією і винесеною гріючою камерою ( тип 1, виконання 2 ) складаються із кип’ятильних труб висотою 4 і 5 м при діаметрі dз = 38 мм і товщині стінки δст = 2 мм.Приймаємо висоту кип’ятильних труб Н = 4м.
При бульбашковому (ядерному ) режимі кипіння паронаповнювання складає ε = 0,4 – 0,6 [3]. Приймаємо ε = 0,5. Густина водних розчинів КCl, при температурі 20 ºС і відповідних концентраціях в корпусах [3, с.541]:
ρ 1 = 1090,15 кг/м3 , ρ2 = 1118,7 кг/м3 , ρ3 = 1205 кг/м3.
При визначенні густини розчинів в корпусах не враховуємо зміну її з підвищенням температури від 20 ºС до температури кипіння з причини малого значення коефіцієнта об’ємного розширення і орієнтовно прийнятого значення ε.
Тиск в середньому шарі кип’ятильних труб корпусів розраховуємо за формулою (4.14):
Температури кипіння і теплоти випаровування розчинника при цих тисках зводимо до таблиці 4.2,[2, табл.LVII, с.549].:
Таблиця 4.2 – Властивості насиченого водяного пару в залежності від тиску
Тиск Рср, МПа |
tср, ºС |
rср, кДж/кг |
Р1 ср = 0,1166 Р2 ср = 0,0669 Р3 ср = 0,0307 |
t1 ср = 117,62 t2 ср =86,54 t3 cр = 69,37 |
rср 1 = 2211,6 rср 2 = 2294 rср 3 = 2321,6 |
Гідростатичну депресію по корпусам розраховуємо за формулою:
∆" = tср – t вп; (4.16)
∆"1 = 117,62 – 102,96 = 14,66 0С;
∆"2 = 88,54-88,59 = - 0,05 0С;
∆"3 = 69,37 – 69,34 = 0,04 0С.
Суму гідростатичних депресій розраховуємо за формулою:
Σ∆"= ∆1" + ∆2 " + ∆3", (4.17)
∆" = 14,66 - 0,05 + 0,04 = 14,66 0С.
Температурну депресію ∆' розраховуємо за формулою:
, (4.18)
де ∆' атм - температурна депресія при атмосферному тиску, ºС.
Приймаємо температурні депресії при атмосферному тиску і відповідних концентраціях в корпусах рівними відповідно 1,8 ºС, 1,96 ºС, 6,1 ºС, [1, дод.4.5, с.187].
Знаходимо значення ∆' по корпусам :
ºС;
ºС;
ºС
Суму температурних депресій розраховуємо за формулою:
Σ∆' = ∆'1 + ∆'2 + ∆'3. (4.19)
Σ∆' = 2,012 + 1,809 + 4,989 = 8,81 0С.
Температури кипіння розчинів в корпусах розраховуємо за формулою:
tкі = tгі+1 + ∆'1 + ∆"1 + ∆"'1 (4.20)
tк1 = 101,96 + 2,012 + 14,66 + 1,0 = 119,632 0С;
tк2 = 87,59- 0,05 + 1,809 + 1,0 = 90,359 0C;
tк 3 = 68,34 + 4,989 + 0,04 + 1,0 = 83,722 0C.