Расчетная часть. 
Процессы и аппараты предприятий химического и нефтегазоперерабатывающего производства

Материальный баланс

Количество выпаренной воды определяется по формуле. [1, c. 122]:

где G_н — количество поступающего в аппарат раствора, кг/с;

x_н — начальная массовая концентрация, %;

x_к — конечная массовая концентрация, %.

кг/с.

Количество упаренного раствора определяется по формуле. [3, с. 481]:

кг/с.

Тепловой расчет

Температура кипения раствора определяется по формуле. [1, с. 122]:

(3).

где — температура вторичного пара, ;

— полная депрессия, ;

Температура вторичного пара, поступающего из выпарного аппарата в барометрический конденсатор при p=0,0196 MПа, равна 59,7. [2, с. 536].

Принимаем гидравлическую депрессию. Тогда температура вторичного пара в выпарном аппарате равна:

Этой температуре соответствует давление МПа, теплота парообразования r = 2356 кДж/кг. [2, с. 542].

Находим гидростатическую депрессию. Для этого определяем высоту оптимального уровня раствора в кипятильных трубах. Для выбора значения высоты трубы H ориентировочно определяется площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата по формуле. [1, с. 123]:

где Q — тепловая нагрузка, Вт;

q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

G_г. п. — расход греющего пара, кг/с;

R_г. п. — удельная теплота конденсации греющего пара, кДж/кг.

При кипении водных растворов солей удельная тепловая нагрузка, для аппаратов с естественной циркуляцией q= 20 000 — 50 000 Вт/м². Принимаем q= 40 000 Вт/м². Тогда.

м²

По ГОСТ 11 987;81 принимаем выпарной аппарат со следующей характеристикой: площадь поверхности теплообмена 400 м²; длина труб 4 м; диаметр труб 38×2 мм; шаг между трубами 48 мм; материал труб — сталь Х18Н10Т.

Ориентировочно принимаем температуру кипения раствора в аппарате на 20 °C больше температуры вторичного пара, т. е. °С. Следовательно.

(5).

где H_опт — оптимальная высота уровня, м;

р_р и р_в — плотности раствора конечной концентрации и воды при температуре кипения, кг/м³;

Н_тр — рабочая высота труб, м. [2, с. 252].

м где р_р= 1483 кг/м³ и р_в=972 кг/м³ — плотность раствора и воды при 80 [3, с. 805].

Увеличение давления в среднем слое раствора:

Па = 0,028 МПа Таким образом, давление в среднем слое кипятильных труб:

(7).

МПа Этому давлению соответствует температура кипения воды t= 80,9 и теплота парообразования r= 2307 кДж/кг. [4, с. 550].

Следовательно, гидростатическая депрессия равна. [1, C. 136]:

(8).

Температурная депрессия определяется по формуле. [3, с. 479]:

где Т — температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

— температурная депрессия при атмосферном давлении, ;

r — теплота испарения воды, кДж/кг.

где =24,2 — температурная депрессия 60,41% раствора КОН при атмосферном давлении [3, с. 817].

Температура кипения раствора определяем по формуле (3):

Определяем полезную разность температур:

(11).

где Т — температура греющего пара,. [1, с. 124].

Расход греющего пара G_г. п. определяем из уравнения теплового баланса. [3, с. 482]:

где — удельная энтальпия вторичного пара, кДж/кг;

c_н и с_к — теплоемкость соответственно поступающего на выпарку и упаренного раствора, Дж/(кгК);

t₁ — температура раствора, поступающего в выпарной аппарат, .

i_в.п.= 2607 кДж/кг — удельная энтальпия вторичного пара, [2, с. 526].

r_г. п.= 2227 кДж/кг — удельная теплота парообразования воды при p_г. п.= 0,157 МПа, [4, с. 526].

с_н=3866 Дж/(кгК) — удельная теплоемкость 8,51% раствора, [3, с. 808].

с_к=2618,1 Дж/(кгК) — удельная теплоемкость упаренного раствора, [3, с. 808].

0,95 — коэффициент, учитывающий 5% потерь теплоты.

Тепловая нагрузка греющей камеры, [1, с. 124]:

(13).

Вт Расчет коэффициента теплопередачи Число труб греющей камеры определяется по формуле. [1, с. 128]:

где F — площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата, м²;

d — диаметр труб, м;

L — длина труб, м.

шт.

Плотность стекания конденсата по наружной поверхности труб определяется по формуле. [1, с. 76]:

где G — расход конденсата, кг/с;

П — периметр поверхности, по которой движется пленка (конденсат), м.

Критерий Рейнольдса для пленки конденсата определяется по формуле. [3, с. 170]:

где — динамический коэффициент вязкости воды, Пас.

где =0,25 110^-3 Пас при t= 149. [2, с. 537].

Приведенная толщина пленки. [1, с. 76]:

где р — плотность воды при температуре конденсации, кг/м³.

м где р=948,5 кг/м³. [2, с. 537].

Так как >400, то значение критерия Нуссельта для пленки конденсата определяем по формуле. [3, с. 395]:

где Pr = 1,56 — критерий Прандтля для воды при температуре t = 149. [2, с. 537].

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенкам труб. [1, с. 76]:

где — коэффициент теплопроводности теплоносителя Вт/(м);

— приведенная толщина пленки, м.

= 0,685 Вт/(м). [2, с. 537].

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору определяем в среднем слое раствора. [1, с. 76]:

где р — плотность раствора, кг/м³;

р_n — плотность водяного пара, кг/м³;

— поверхностное натяжение, Н/м;

r — удельная теплота конденсации водяного пара, Дж/кг;

р_п.о. — плотность водяного пара (при давлении 0,1 МПа), кг/м³;

c — теплоемкость раствора, Дж/(кгК).

Контакты раствора при температуре кипения t=102,18. [3, с. 805−813]:

р = 1215,6 кг/м³; = 0,78 210^-3 Пас; = 0,4247 Вт/(мК); с = 2618,1 Дж/кгК;

= 71,010^-3Н/м.

Свойства водяного пара при р=0,049 МПа. [2, с. 550]: r=2307 кДж/кг;

Р_n=0,3027 кг/м³.

Плотность водяного пара при р=0,1 МПа р_n.о.=0,579 кг/м³. [2, с. 550].

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле [1, с. 68]:

где — толщина стенки труб, м;

• — коэффициент теплопроводности стали, Вт/(мК);
• — тепловая проводимость загрязнений со стороны раствора, Вт/(м²К);
• — тепловая проводимость загрязнений со стороны пара, Вт/(м²К).

м; =16,4 Вт/(мК); =5000 Вт/(м²К); =5800 Вт/(м²К);

Удельная тепловая нагрузка. [1, с. 144]:

(22).

отсюда .

Рассчитываем удельную тепловую нагрузку методом последовательных приближений: задаемся различными значениями q, находим (таблица).

q, Вт/м2	10103	20103	30103
°С.	12,17.	25,14.	37,71.

q=22,910³ Вт/м².

Из формулы (22) выражаем коэффициент теплопередачи:

Необходимая площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата определяется по формуле. [1, с. 128]:

где — продолжительность периода, цикла, с.

Для непрерывных процессов =1.

м²

По ГОСТ 11 987;81 выбираем номинальную поверхность теплообмена.

F=400 м².