Выпарной аппарат

 

Гидростатическая депрессия  обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в  среднем слое кипящего раствора Р_ср каждого корпуса определяется по уравнению:

 

(4)

 

где Р_ВП – давление вторичных паров, МПа; Н – высота кипятильных труб в аппарате, м; ρ – плотность кипящего раствора, кг/м³; ε – паронаполнение (объёмная доля пара в кипящем растворе), м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность  теплопередачи выпарного аппарата F_ОР. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппарата с естественной циркуляцией q = 20000 – 50000 Вт/м². Примем q = 20000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна:

 

 м²

 

где r₁ = 2178,2 кДж/кг – теплота парообразования вторичного пара [2].

По ГОСТ 11987-81 трубчатые  аппараты с естественной циркуляцией  и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных  труб высотой 4 и 5 м при диаметре d_Н = 38 мм и толщине стенки δ_СТ = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м. При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε = 0,4 – 0,6. Примем ε = 0,5. Плотность водных растворов при температуре 35 °С и соответствующих концентрациях в корпусах равна [3]:

ρ₁ = 1072 кг/м³; ρ₂ = 1095 кг/м³; ρ₃ = 1323 кг/м³.

При определении плотности  растворов в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры  от 35 °С до температуры кипения ввиду  малого значения коэффициента объёмного  расширения и ориентировочно принятого  значения ε.

Давления в среднем  слое кипятильных труб корпусов (в  Па) равны:

 

 

Этим давлениям соответствуют  следующие температуры кипения  и теплоты испарения растворителя [2]:

 

 

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам (°С):

 

 

 

Сумма гидростатических депрессий  равна:

 

 °С

 

Температурная депрессия  Δ определяется по уравнению:

 

(5)

 

где Т – температура  паров в среднем слое кипятильных  труб, К; r_ВП– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг; - температурная депрессия при атмосферном давлении, К [3].

Находим значение Δ^’ по корпусам (в °С):

Сумма температурных депрессий  равна:

 

 °С

 

Температуры кипения растворов  в корпусах равны (в °С):

 

 

 

В аппаратах с вынесенной греющей камерой и естественной циркуляцией обычно достигаются  скорости раствора v = 0,6 – 0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:

 

(6)

 

где ρ– плотность раствора, кг/м³; S – сечение потока в аппарате, м².

Сечение потока в аппарате S рассчитываемое по формуле:

 

(7)

 

где d_ВН – внутренний диаметр труб, м; Н – принятая высота труб, м.

Таким образом, перегрев раствора в j-м аппарате Δt_перj равен:

 

(8)

 

где I_ВП – энтальпия вторичного греющего пара, кДж/кг; с_В , с_Н – теплоемкости соответственно воды и конденсата греющего пара, кДж/(кгЧК); t_К – температура конденсата греющего пара, К; М – масса конденсата, кг.

Полезная разность температур в каждом корпусе может быть рассчитана по уравнению:

 

 

(9)

 

Анализ этого уравнения  показывает, что величина Δt_пер/2 представляет собой дополнительную температурную потерю. В связи с этим общую полезную разность температур выпарных установок с аппаратами с вынесенной зоной кипения нужно определять по следующему выражению:

 

(10)

 

1.3 Расчёт полезной  разности температур

 

Общая полезная разность температур равна:

 

(11)

 

Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:

 

 

Тогда общая полезная разность температур равна:

 

 °С

 

Проверим общую полезную разность температур:

 

 °С

 

1.4 Определение  тепловых нагрузок

 

Расход греющего пара в  первый корпус, производительность каждого  корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путём  совместного решения уравнений  тепловых балансов по корпусам и уравнения  баланса по воде для всей установки:

 

(12)

(13)

(14)

(15)

 

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3 % потерь в окружающую среду; с_Н, с₁, с₂ – теплоёмкости растворов соответственно исходного (начальной концентрации), в первом и во втором корпусе, кДж/(кг∙К); Q_1конц, Q_2конц, Q_3конц – теплота концентрирования по корпусам, кВт; t_Н – температура кипения исходного раствора в первом корпусе, °С:

 

 

где - температурная депрессия для исходного раствора. При решении уравнений (12) – (15) можно принять I_вп1 ≈ I_г2; I_вп2 ≈ I_г3; I_вп3 ≈ I_бк.

Анализ зависимостей теплоты  концентрирования от концентрации и  температуры показал, что она  наибольшая для третьего корпуса. Поэтому  рассчитаем теплоту концентрирования для третьего корпуса:

 

(16)

 

 

где G_сух – производительность аппаратов по сухому Na₂SO₄, кг/с; Δq – разность интегральных теплот растворения при концентрациях х₂ и х₃, кДж/кг [4].

 кВт

Сравним Q_3конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для третьего корпуса Q_{3 ОР}: