Теплотехнический расчёт выпарных аппаратов.

 

Расчёт общего количества выпаренной воды.

W = S₀*(1-a₀/a₃) = 12000*(1-7/49) = 10285,7кг/ч

 

Предположим, что с учётом отвода экстра-пара в первом корпусе выпаренная вода между корпусами распределилась следующим образом:

 

 W₂ = W₃ = (W-E₁)/3 = (10285,7-300)/3 = 3328,5 кг/ч

 

 W₁ = W₂+E₁ =3328,5 +300 = 3628,5 кг/ч

Найдём концентрации а₁ и а₂:

 

 W₁ = S₀*(1-a₀/a₁)

 

 a₁ = a₀/(1-W₁/s₀)=7/(1-3628,5/12000) = 10,04% масс.

 

 W₁+W₂ = S₀*(1-a₀/a₂)

 

 a₂ = a₀/(1-(W₁+W₂)/S₀)=7/(1-6957/12000)=16,67% масс.

 

Расчет депрессий.

 

3.2.1. Гидравлические депрессии между корпусами принимаем равными 1.5⁰С.

Температурные депрессии.

Для корпусов 1 и 2 депрессии берутся в предположении, что давления в них мало отличаются от атмосферного: d_ и d2 берутся при а₁ и а₂ как стандартные.

 

а₁=10,04%масс. d_ =100,4-100,0=0,4⁰С (1, стр. 37) 

 

а₂=16,67%масс. d₂ =1,2⁰С (1, стр. 37)

 

Для третьего корпуса значения t_3, d₃ и q3 находятся строго, т. к. здесь точно известны концентрация а₃ и давление Р₃: по правилу Бабо, если нужно, то с поправкой Стабникова В.Н.

Согласно правилу Бабо, отношения давления паров растворителя над раствором Р к давлению паров над чистым растворителем Рs при температуре кипения раствора не зависит от рабочего давления и температуры его кипения:

 

 Р/Рs = (Р/Рs)ст = const

 

Т. о. Температура кипения раствора 49% (NH₄)₂SO₄ при атмосферном давлении

 

t = 107⁰С. (3, стр. 510) Рsст = 1,294 бар=1,294*10⁵ Па (2, стр. 17)

 

Const = (Р/Рs)ст =9,81*10⁴/1,294*10⁵ = 0,758

 

Тогда Рs=Р/ const=0,197/0,758=0,260 бар

 

По (2, стр. 23) находим искомую температуру кипения раствора, равную температуре кипения воды: t₃ = 64,08⁰С. Найдём q3:Р₃=0,197 бар, то по (2, стр. 23) q3=58,7⁰С.

 

Тогда d_3реал = t₃ - q3=64,08 - 58,7 = 5,38 ⁰С.

 

3.3. Суммарная полезная разность температур:

Dс= Т₁q₃d_d2-d3d_гd2_г = 147,1-58,7-0,4-1,2-5,38-1=80,42⁰С

 

d2_г примерно от 1 до 3 С. Принимаем d_г = 1С

где давление греющего пара 0,4МПа (= 3,94ат), то по (2, стр.43) Т₁=147,1 ⁰С.

 

Dс=DD2+D3

 

D1:D2:D3=1: 1,1: 1,5

 

D1= 22,34⁰С

D2= 24,57⁰С

D3= 33,51⁰С.

 

3.4. Заполнение предварительной таблицы.

 

Значения давлений и энтальпий взяты из (2, стр. 17).

Параметр								Предварит. Вар.						Окончат. Вар.
								1к		2к		3к		1к		2к		3к
1	Темп. гр. Пара				Т	^0С		147,1		118,8		83,6		150,0		127,0		92,0
2	Полезн.разность темп.				D	^0С		22,34		24,57		33,51		18,6		29,0		48,8
3	Темп.кип р-ра				T	^0С		124,76		89,4		43,4		131,4		98,0		43,4
4	Темп.депрессия				d	^0С		2,9		4,3		4,7		2,9		4,3		4,7
5	Темп.вт. пара				q	^0С		120,3		85,1		38,7		128,5		93,7		38,7
6	Гидр.депрессия				d	^0С		1,5		1,5				1,5		1,5
7	Давл.гр. пара				Pгр	МПа		0,476		0,192		0,056		0,476		0,247		0,076
8		Давл.вт. пара	P	МПа			0,199		0,058		0,007		0,262		0,081		0,007
9		Энтальпия гр.п.	H	кДж/кг			2748,6		2706,3		2650,6		2708,4		2718,5		2664,4
10		Энтальп.вт.пара	I	кДж/кг			2708,4		2653,5		2572,2		2721,4		2668,2		2572,2
11		Конц.р-ра	A	%			14,29		18,18		25,00		13,6		17,1		25,0

 

3.5. Уточнение значений W ₁, W ₂, W ₃.

 

Уточнение значений W₁, W₂, W₃ на основе величин, содержащихся в предварительном варианте таблицы, путём совместного решения системы уравнений:

 

Q₁=D₁(h₁-c_k1T₁)=S₀c₀(t₁-t₀)+W₁(i₁-c_pt₁)

 

Q₂=(W₁-E₁)(h₂-c_k2T₂)=S₁c₁(t₂-t₁)+W₂(i₂-c_pt₂)

 

Q₃=W₂(h₃-c_k3T₃)=S₂c₂(t₃-t₂)+W3(i₃-c_pt₃), которые описывают тепловые балансы корпусов (кроме первого корпуса) и дoполненный уравнением:

 

 W= W₁+ W₂+ W₃.

 

Пусть X₁ = h₁ – c_k1T₁ = 2117,1 кДж/кг

 

X₂ = h₂ – c_k2T₂ = 2208,4 кДж/кг

 

X₃ = h₃ – c_k3T₃ = 2300,5 кДж/кг

 

Y₁ = t₁ – t₀ = 21,7 ⁰С

 

Y₂ = t₂ – t₁ = -33,9 ⁰С

 

Y₃ = t₃ – t₂ = -46,0 ⁰С

Z₁ = i₁ – c_pt₁ = 2193,3 кДж/кг

 

Z₂ = i₂ – c_pt₂ =2279,9 кДж/кг

 

Z₃ = i₃ – c_pt₃ = 2390,8 кДж/кг, где Со – теплоёмкость исходного раствора (10% (NH₄)₂SO₄ при температуре кипения t₀ = 101,5 ⁰С): Со=3,65 кДж/кгК (4, стр.59).

По (3, стр.535) находим:

c_k1 = 1,005 ккал/кгК = 4,21 кДж/кгК (при 150,0 ⁰С)

c_k2 = 1,002 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 118,8 ⁰С)

c_k3 = 1,000 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 83,6 ⁰С)

c_p =4,18 кДж/кгК

 

Т.о., W₁ = X₂E₂/(X₂+c_pY₂) + S_oc₀Y₂/(X₂+c_pY₂)+ +Z₂W₂/(X₂+c_pY₂) = 1,1031 W₂ +2009,7

 

W₂ = Y₃S₀c0/(X₃+c_pY₃+Z₃) + Z₃W/(X₃+c_pY₃+Z₃)-(c_pY₃+Z₃) * W₁/(X₃+c_pY₃+Z₃) = -0,4887 W₁ +5630,7

 

Решая систему уравнений, получим:

W₁ = 5342 кг/ч

W₂ = 3021 кг/ч

W₃ = 3638 кг/ч.

 

3.6. Расчёт предварительных значений тепловых потоков:

 

Q₁ = S₀c₀(t₁-t₀)+W₁(i₁-c_pt₁) = =20000*3,65*21,7+5342*2193,3=13,3*10⁶ кДж/ч = 3,69*10⁶ Вт

 

Q₂=(W₁-E₁)(h₂-c_k2T₂)=(5342-3000)*2208,4=5,17*10⁶ кДж/ч= =1,44*10⁶ Вт

 

Q₃=W₂(h₃-c_k3T₃)=3021*2300,5=6,95*10⁶ кДж/ч =1,93*10⁶ Вт.

 

3.7. Расчёт комплексов А_1, А_2, А_3, В_о1, В_о2, В_о3.

 

A-комплекс, включающий теплофизические величины и зависящие от температур Т.

Примем высоту труб Н = 4000мм = 4м.

Для вертикальных труб:

 

А=0,94(l3r2rg/mH)^1/4

 

Справочные данные: l,r, m - (3,стр.512); r- (3, стр. 523).

Ускорение свободного падения g = 9,82 м/с². Заполним таблицу:

 

Т, ^0С	150,0	118,8	83,5
 кг/м^3	917	943	972
 Втм*К	68,4*10^-2	68,6*10^-2	67,5*10^-2
Па*с	185*10^-6	231*10^-6	355*10^-6
r, кДж/кг	2120	2207	2297
А, Дж/см^2К^3/4	8765,9	1513,8	1377,4

 

3.7.2. Во – коэффициенты отражающие свойства кипящего раствора и зависящие от давлений а, следовательно, и температур кипения в корпусах:

 

B_0i = B_0iB*j3^,33, где B_0iB = 46р^0,57,

 

j - относительный коэффициент теплоотдачи для водных растворов неорганических веществ. j при пузырьковом кипении (NH₄)₂SO₄ при атмосферном давлении найдем из графика зависимости j-а. График 1 строим на основании данных таблицы (1, стр. 40):

при а=10% j = 0,84

а=20% j = 0,68

 

На основании данных графика, заполняем таблицу:

 

а, %	14,29	18,18	25,00
Р, Бар	2,1	0,6	0,1
B0iB	70,2	34,4	12,4
	0,77	0,72	0,60
B0i	29,4	11,5	2,26

 

Выбор конструкционного материала для выпарного аппарата.

 

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора хлорида натрия в интервале изменения концентраций от 10 до 25%(5, стр. 309). В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х18Н10Т. Скорость коррозии её менее 0,1мм/год (точечная коррозия). Коэффициент теплопроводности l = 16,4 Вт/м*К (5, стр. 101).

 

Расчёт поверхности теплообмена.