Теплонспользующие установки промышленных предприятий

Расчет температурного режима работы выпарной установки

В технических заданиях на разработку проектов

Многокорпусных выпарных установок приводятся параметры гре­ющего пара первого корпуса и вторичного пара последнего кор­пуса, начальная и конечная концентрации раствора, производи­тельность по выпаренной воде или выделившейся соли.

Все остальные величины — концентрация раствора в корпусах, температурные депрессии, полезные разности температур, давле­ние, температуры кипения — определяются при расчете. Расчет. многокорпусной выпарной установки (рис. 9.5) ведется методом последовательных приближений. Предварительно определяется общее количество выпаренной воды по всей установке. Дальней­ший расчет выполняется в такой последовательности.

Первое приближение:

1. Количество выпаренной воды по корпусам распределяется равномерно. В общем виде, т. е. если имеет место отбор экстра­пара, количество выпаренной воды в корпусах без отбора экстра­пара получим из уравнения

2 оВВП£ -ЪЕ1 (=і і=і

В остальных корпусах

Бвып; — СіВЬШі + Е(.

2. Температура вторичного пара

*Г. П)

^В. П,-_| -- ^В. П; + '

3. Концентрацию солей по кор­пусам определяем при упаривании раствора без выделения твердой фазы по зависимости

По корпусам установки

"К“1)

(9.35)

Тадліянж дан *ае физика - цинические сШст(д

Исходные данные

Расчет

0 бып о&и

(9.36)

«о

В случае упаривания многоком­понентных растворов — в следу­ющей последовательности:

А) находим критерий раство­римости (отношение количества содержащейся в растворе воды к количеству некристаллизующейся части его), т. е.

•V,,

100

(9.37

Б-Ь,.

Юи

Б) по температуре вторичного пара и параметру Й,- определяем концентрацию некристаллизую - щейся части раствора;

В) по полученной концентра­ции некристаллизующейся части раствора находим содержание остальных компонентов согласно таблицам или кривым совместной растворимости систем.

3. Количество выделившейся соли и количество поступающего раствора определяют по зависи­мостям (9.12), (9.14), (9.17), (9.18) Так как раствор переходит из корпуса в корпус, конечная концентрация раствора в первом корпусе Ьс и Ь{ равна начальной концентрации раствора во втором корпусе /7(±1 и Ь±] и т. д.

Расчет а4-,л/, А, Ж, А, *1П, У і

Расчет 'Вс, Ві,

І у ^ і.____

Расчет подогрева - ■ телеа

ІІ ЕіХаї

X

Расчет 6[

X

2 "и 5алее итераций

Г

Результаты расчета ^■кипі, ^ й П і і ЕііВгШІ, Ріі

Іі, Ч. Ь

5. Температурную депрессию раствора выбираем по спра­вочным таблицам для конечных концентраций раствора в вы­парных аппаратах. Однако в справочной литературе темпера­турная депрессия приведена для атмосферного давления, а так как корпуса установки обычно работают под давлением, отли­чающимся от атмосферного, необходим перерасчет температур­ной депрессии по одному из трех методов.

По закону Бабо

—р—? == согЫ, (9.38)

^ Н

Где Рн — давление пара чистого растворителя при температуре кипения раствора; Рр—давление пара раствора. С помощью за­висимости (9.38) по известной температуре кипения раствора, заданной концентрации при каком-нибудь одном давлении опре­делим температуру кипения его при любом другом давлении. Эмпирический закон Бабо справедлив только для разбавленных растворов. Для концентрированных растворов вводится поправка, найденная В. Н. Стабниковым (табл. 9.1).

По правилу Дюринга, которое выражает линейность химико­технических функций,

1 ~ h

; = const, (9.39)

^2 h

Где t—1[, h —12 — разность температур кипения какой-либо

Жидкости при двух произвольно взятых давлениях и какой-либо

Другой жидкости при тех же давлениях. В качестве второй жидкости, для которой обычно известны температуры кипения при различных давлениях, берется вода.

По формуле И. А. Тищенко, выведенной из эмбулиоскопиче- ского закона Рауля и закона Бабо [81!,

/273 + ( n. f

О,. = 0,0162&; ^. (9.40)

/в. п£-

Она справедлива только для водных растворов, имеющих малое значение температурной депрессии (до 15—17 °С) .

6. Температура кипения по корпусам выпарной установки

^КИП; = ^В. П( (9*41)

7. Температура греющего пара по корпусам

^Г. П I — ^В. П[-_________ 1

8. Температуру пленки конденсата греющего пара и перепад температуры в ней представим в виде

(пл[ — 0,25 ^3/г. п,- ^кип(

------ 0,5 |/г П£ /кип; Я )•

( — и. и п< <КИП( Ч хс

9. Коэффициенты теплоотдачи со стороны пара, раствора при принудительной и естественной циркуляции, коэффициент тепло­передачи и скорость циркуляции, гидростатическая депрессия, тепловая нагрузка по корпусам определяются по зависимостям.

10. Суммарная полезная разность температур многокорпусной установки

TOC o "1-5" h z "к 1

Е д/п< = /г. п, - ?в. пп - Е (Ь + М - Е Ч (9.4?)

»'=1 к 1=1 С=1

Обычно принимают Е К/ — «к — I )•

4=1 1

11. Распределение общей полезной разности температур между корпусами находим с учетом равенства поверхностей нагрева кор­пусов. При этом условии обеспечивается взаимозаменяемость выпарных аппаратов, упрощается и удешевляется их изготовле­ние и эксплуатация!

О "к

— • (9-43)

V —

К к.

Далее составляется таблица, в которую вносятся полученные значения для всех корпусов и по которой определяется темпера­турный режим работы выпарной установки (табл. 9.2).

Показатели

Температура греющего пара * °С Теплосодержание греющего пара Jmi, кДж/кг Температура кипения раствора °С Температурная депрессия vii, °С Гидростатическая депрессия vгi, СС Потери температуры в паропроводе между кор­пусами ипі, °С

Температура вторичного пара 1Ъ пі, °С Теплосодержание вторичного пара У1 п(, кДж/кг Полезная разность температур Д<п£, °С Скрытая теплота парообразования гъ ш - кДж/кг Энтальпия конденсата греющего пара У2(-, кДж/кг

Так как в техническом задании на проектирование давления вторичного пара, а следовательно, и температура в последнем корпусе известны, то расчет темпера-турного режима работы уста­новки выполняется, начиная с последнего корпуса:

Температура кипения /КИпЛк =

Температура греющего пара ^.п„к = 4ип„к + Ып + 9^;

Температура вторичного пара предпоследнего корпуса

После установления предварительного режима работы выпар­ной установки определяют коэффициенты самоиспарения и испа­рения хс и I/,-, а затем количество выпаренной воды и расход греющего пара с учетом этих коэффициентов по зависимостям (9.31), (9.32).

Далее уточняется концентрация раствора по корпусам и про­изводится расчет второго приближения. Во втором приближении рассчитываются депрессии, коэффициенты теплопередачи, скорости циркуляции, тепловые нагрузки и полезные разности температур. по к'орпусам для режима работы, полученного в первом прибли­жении.

По окончании расчетов составляется новый режим работы выпарной установки. Точность расчета контролируется отноше­нием полученных производительностей и параметров работы установки первого, второго и т. д. приближений. Расхождение не должно превышать 5%.

После получения требуемой точности определяют поверхности нагрева корпусов:

<3| <?2

= = и т' д'

Полученное значение поверхности теплообмена увеличивается на 15—20% и округляется до ближайшего большего значения по ГОСТ 11987—81 «Аппараты выпарные трубчатые стальные» или каталогу ЦИНТИхимнефтемаша «Выпарные трубчатые стальные аппараты общего назначения».

Пример. Рассчитать 4-корпусную выпарную установку для электролитиче­ских щелоков при следующих исходных данных: схема выпарной установки прямоточная, исходные щелока не подогреваются. Количество корпусов п =-4. Концентрация растворов: исходного по некристаллизующейся части Ьа =

= 9,1 %, по кристаллизующейся части Ь'0 = 17,5 %, по воде *в = 73,4 %; упа­ренного—по некристаллизующейся части Ьк = 50 %, по кристаллизующейся части *4=2,7°/

Теплота кристаллизации лкр = — 87,9 кДж/кг. Температура греющего пара первого корпуса ег п| = 179 °С, вторичного пара четвертого корпуса <в. п4 = 46 °С> исходного раствора ^ = 70°С, конденсата после подогревателя раствора ^ п = 95 °С.

Размеры грекЭщих трубок — длина I = 7,0 м, внутренний диаметр сУ = 0,034 м, толщина 5СТ = 0,002 м. Коэффициент теплопроводности материала стенки трубки Хст =16,2 Вт/ (м - К).

Свойства соли — плотность? т = 2150 кг/м-1, теплоемкость ст = 0,87 кДж/ (кГ'К), молекулярная масса /Иц = 58, число молекул кристаллизационной во­ды N = 0. Скорость движения раствора по греющим трубкам и>р = 2,0 м/с.

Температурная депрессия определяется для первого — третьего корпусов по формуле Тищенко И. А., для четвертого—по экспериментальным данным 9,

= 44 °С.

Количество отбираемого экстрапара определяется расчетом, первоначально принимаем Оэ = 20 000 кг/ч.

Коэффициент тепловых потерь Дп1 = &п2 = Дга3 = ДпА = 0,97.

Содержание твердой фазы в циркулирующей суспензии: рт) =0; (Зт2 = 0,05; Ртз = 0,1; Эт4 = 0,05.

Результаты материального и теплового расчета выпарной установки при­ведены в табл. 9.3.

Общее количество гаыпа-

"ч

Репной воды 2 Овы,, кг/с

Общее количество выде­ли

Лившейся СОЛИ

. — 1

Кг/с

Количество упаренного щелока 5К, кг/с

Материальный расчет По формуле (9,16) 74,16

По формуле (9.14)

Расчетная формула или способ определения

9 = 17 500 Вт/м2—за­даемся для пер вой итерации

7,5	7,9

^кип I Я

Расчетная формула или способ определения

Гидростатическая депрес­сия иг., СС

Температурный

°с

Теплопгя нагрузка (?,> Вт

Температурный и'пор по корпусам I, °С Температурный режим работы установки, °С. температура кипе - ния - (кип ;

Температура греюще­го пара

Температура вторич - иого пара 1Я пГ

Параметры пара, кДж/кг: теплосодержание: греющего пара ш- вторичного пара

Конденсата греюще - го пара Укон Коэффициенты:

Испарения пара самоиспарения кон­денсата а(

Самоиспарения ще­лочи

О

Концентрации

■'к

V Х(

1

<=!

"к

,5*

Расход греюшего пара <7,, кг/с

Тепловой расчет (второе приближение)

Расчет начинается с определения Я1 по данным, полученным в перво» приближении. Тепловая нагрузка определяется в зависимости от схемы течения пара и раствора по формулам (9.29) — (9.31). Количество приближений опре­деляется условием

(Зпып / + 1 Овып! ^ о,05 а — количество приближений), бнып /

После получения требуемой точности находим поверхность теплообмена Р. = С}./ (ЬЛ1п<), где Т7, .-= 2194,4 м2; = 2193,4 м2; = 2195 м2; Р^=-

= 2192,9 ма. Принимаем = р2 = = Р4 = 2200 м2.