Конструкции наиболее распространенных выпарных аппаратов

 

1. Аппараты с паровым обогревом. Наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева, которые хорошо компонуются и занимают меньшую площадь.

Во всех конструкциях для облегчения очистки поверхности нагрева от накипеобразований пар поступает в межтрубное пространство, а раствор подогревается и кипит в трубках.

Выпарные аппараты с паровым обогревом можно разбить на три группы: с естественной циркуляцией раствора, с принудительной циркуляцией раствора и пленочные аппараты.

Аппараты с естественной циркуляцией раствора. Движущей силой естественной циркуляции раствора является разность весов столба жидкости в опускных трубах и парожидкостной эмульсии в подъемных за счет разницы плотностей ρ_ж и ρ_э.

 

Тепловой расчет

 

1. Производим тепловой расчет в первом приближении.

Количество воды, выпариваемой всей установкой:

 

 

где G_о – количество исходного раствора, кг/ч; b_о – начальная концентрация, %; b_к – конечная концентрация раствора, %.

На 1 кг начального раствора выпарено , кг/кг р-ра.

 

Количество воды, выпариваемое по корпусам, предварительно принимаем одинаковым; W=idem

 

 

Концентрация раствора на выходе i-ой ступени:

 или

 

2. Примем в первом приближении одинаковые перепады давлений по корпусам и найдем давления в корпусах

 

 

Давление вторичного пара по корпусам:

 

 

3. Полная разность температур для всей установки

 

 

где t^I_Г – температура греющего пара в 1-ом корпусе при заданном давлении. Находится по р_р1 на линии насыщения; = f(р_п3) – температура вторичного пара на выходе 3-й ступени (температура пара в конденсаторе при давлении в конденсаторе). Температуры взяты по таблицам насыщенных водяных паров М.П. Вукаловича.

Потери общей разности температур определяем как сумму депрессионных физико-химических потерь, потерь от гидростатического эффекта и гидравлических потерь в трубопроводах.

Потери температур в установке:

 

13,81+28,07+3=44,88

 

где ∆_jⁱ – потери температурного напора по ступеням.

а) Σ∆₁ – потери общей разности температур за счет физико-химической депрессии. Для i-ой ступени:

 

 

где Т – температура кипения воды при данном давлении, К; r – теплота парообразования при данном давлении, кДж/кг; ∆ⁱ_1Н – нормальная температурная депрессия (при нормальном давлении 760 мм рт. ст.); определяется по таблицам 2.22, 2.24 │7│, определена экспериментально и затабулирована для различных веществ.

Или ∆₁ⁱ определяется по упрощенной формуле Тищенко

 

,

 

где К = f(t) – поправочный коэффициент, принимается по табл. 2.2.

Общие депрессионные физико-химические потери определяются по формуле:

б) Σ∆₂ – потери от гидростатического эффекта; зависят от высоты уровня раствора, плотности ρ парожидкостной эмульсии и скорости циркуляции.

Для i-ой ступени:

 

 147,18 144,76

 126,79 =122,7

 81,27 59,8

147,18–144,76=2,42

126,79–122,7=4,09

81,27–59,8=21,47

 

где t_к.с.в-температура кипения воды при давлении ; t_{к.в -} температура кипения воды при давлении р_вт; р_вт – давление вторичного пара над раствором; ∆р_г – гидростатическое давление раствора у середины греющих труб.

Давление раствора в середине греющих труб больше, чем давление пара на величину ρ_эgh.

Определяем гидростатическое давление раствора у середины греющих труб ∆р_г:

 

,

 

0,5 м ,

 4 м ,

 0,5 + 4/2 =2,5 м ,

где ; ρ_i – плотность раствора в зависимости от его концентрации, находится по графику 2.9 или таблицам 2.21, 2.23 │7│; h – расстояние от верхнего уровня раствора до середины греющих труб; h_изб – расстояние от уровня раствора до трубной доски, принимаем 0,25–0,5 м; h_тр – высота греющих труб, принимается 3–5 м.

Давление вторичного пара по корпусам было определено выше.

Давление растворов у середины греющих труб:

 

 

Общие потери за счет гидростатического эффекта:

 

2,42+4,09+21,47=27,98

в) Гидравлическая температурная депрессия связана с потерями давления при движении пара по трубопроводам. В выпарных установках гидравлические потери при прохождении пара из парового пространства предыдущего корпуса в греющую камеру последующего составляют 1,0–1,5 ^оС.

Принимаем:

λ=0,03; l=15 м; W=20 м/с; ρ=2,2 кг/м³; d=0,3 м. Из этого Δр будет равно примерно 1 кПа, что соответствует потерям в 0,1–0,2 ⁰С, но по опыту предыдущих расчетов принимаем:

 

 ^оС

 

Общие гидравлические потери: = 3 ^оС.

4. Полезная разность температур для всей установки:

 

99,81–43,56=56,25

 

Будем проектировать установку исходя из равенства поверхностей нагрева по ступеням установки, тогда суммарная полезная разность температур должна быть распределена по ступеням пропорционально отношениям тепловых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.

Из практических данных эксплуатации установок известно:

 

К_I: К_II: К_III = 1: 0,7: 0,4

 

Примем при этом, что количество тепла, передаваемое через греющую поверхность будет равным для всех корпусов: Q_I = Q_II = Q_III.

Тогда полезная разность температур i-ой ступени:

 

При наших допущениях имеем:

 

; ;

; ;

 

Проверить (округлить), чтобы .

 

5. Температура кипения раствора у середины греющих труб и у верхнего уровня в 1-ой ступени:

при 6,2 ата по таблице Вукаловича

 

 

159,61–11,413=148,197

 

148,197 – 2,42=145,777

Температура вторичного пара в 1-ой ступени:

 

 

145,777 – 2,66=143,117

Температура греющего пара во 2-ой ступени:

 

 

143,117 – 1=142,117

Температура кипения раствора у середины греющих труб и у верхнего уровня во 2-ой ступени:

 

 

142,117 – 16,304=125,813

 

 

125,813 – 4,09=121,723

Температура вторичного пара во 2-ой ступени:

 

 

121,723 – 4,63=117,093

Температура греющего пара в 3-ей ступени:

 

 

117,093 – 1=116,093

Температура кипения раствора у середины греющих труб и у верхнего уровня в 3-ей ступени:

116,093 – 28,533=87,56

 

 

87,56 –21,47=66,09

Температура вторичного пара в 3-ей ступени:

 

 

66,09 – 5,29=60,8

Температура пара в конденсаторе:

 

 

 60,8 – 1=59,8

Полезные перепады температур  должны быть не менее

10–15 ^оС при  ≤ 2^.10^-6 Па^.с,

18–24 ^оС при 2^.10^-6 < < 5^.10^-6 Па^.с

где  – динамический коэффициент вязкости раствора при средней концентрации.

По температурам паров находим в таблицах М.П. Вукаловича давления и энтальпии паров и конденсата, а по концентрациям растворов определяем теплоемкости и интегральные теплоты растворения (берем из графиков), полученные данные сводим в таблицу.

 

Наименование параметров	Обозначение	Корпус (ступень)
		I	II	III
Концентрация, вх/вых, %	b	18/22,7	22,7/30,9	30,9/48
Полезная разность температур, оС	∆tп	11,413	16,304	28,533
Температура греющего пара, оС	tн,	159,61	142,117	116,093
Температура кипения раствора у середины греющих труб	tкс	148,197	125,813	87,56
Температура кипения раствора у верхнего края труб, оС	tк	145,777	121,723	66,09
Гидростатические потери, оС	∆2	2,42	4,09	21,47
Физико-химическая дисперсия, оС	∆1	2,66	4,63	5,29
Гидравлические потери в трубопроводах, оС	∆3	1	1	1
Температура вторичного пара, оС		143,117	117,093	60,8
Давление греющего пара, атм	рГ	6,2	3,89	1,77
Энтальпия греющего пара, ккал/кг	hГ	658,59	653,67	645,13
Энтальпия конденсата, ккал/кг	hк	160,93	142,89	116,38
Давление вторичного пара, атм	рвт	4	1,83	0,21
Энтальпия вторичного пара, ккал/кг	hвт	653,97	645,48	623,62
Теплоемкость раствора, вх/вых, кДж/кг*град	сi	3,6/ 3,4	3,4/ 3,1	3,1/ 2
Интегральная теплота растворения, кДж/кг	qRн/qRк	-100/-120	-120/-180	-180/-215
	∆qR= qRн-qRк	20	60	35

 

6. Удельный расход пара на выпаривание 1 кг раствора без учета теплоты дегидратации и равенстве = 1 коэффициента самоиспарения во всех корпусах

 

 кг/кг р-ра

β₁ = 0, если раствор вводят в 1-ую ступень с температурой кипения.

 

;  – это коэффициенты самоиспарений.

 

;

 

Расход пара на 1, 2 и 3 ступени, кг/с:

 

, кг/с

Расходы пара можно подсчитать и следующим образом. Расчет начинаем с 3-ей ступени.

 

 

где k_зап = 1,03 – коэффициент, учитывающий потери тепла аппаратом в окружающую среду; с_нi, с_кi – теплоемкости раствора при начальной и конечной концентрации раствора в ступени аппарата (по составленной нами таблице); ∆q_Rⁱ – разность интегральных теплот растворения вещества между существующей и предыдущей концентрациями растворов.

 – количество раствора, перетекающего из одной ступени в другую. Таким образом:

 

 – для 1 ступени; 18000 – 3750=14250

 – для 2 ступени; 14250 – 3750=10500

 – для 3 ступени. 10500 – 3750=6750

 

7. Количество теплоты, передаваемой через поверхность нагрева i-го корпуса

 

, кВт

 3422,61 (645,13 – 116,38)=1809705 ккал/ч =2104867 Вт

 

8. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору

 

Проверка: q₃=∆t_п3*k₃=28,533*1041,2=29708

 

 м²

3422,61

 ккал/ч =2043364Вт

 

Проверка: q₂=∆t_п2*k₂=16,304*1408,1=22958

 

м²

3439,79

 ккал/ч=1922588 Вт

 

Проверка: q₁=∆t_п1*k₁=11,413*1743,5=19898

 

м²

9. Ориентировочные значения поверхности нагрева i-го корпуса:

 

 

Если F_i далеки друг от друга, или W₁≠D₂, а W₂≠D₃, то сделать перерасчет.

Произведем перерасчет количества воды, выпариваемой по ступеням:

в 1-ой ступени:

 

 

во 2-ой ступени:

 

в 3-ой ступени:

 

 

Для получения более точного значения поверхностей нагрева произведем расчет во втором приближении.

Концентрации растворов:

в 1-м корпусе

 

 

Общая разность температур находится по той же формуле, что и в первом приближении.

 

=99,81

Гидростатические давления растворов у середины греющих труб:

 

,

,

 

Плотности ρ_i взяты при новых концентрациях растворов по корпусам.

Давления вторичных паров по корпусам будут те же, что в первом приближении.

Давления растворов у середины греющих труб пересчитываются по известной формуле:

 

 

Далее все пересчитываем по уже известным формулам, но подставляя новые значения, полученные при пересчете.

Все полученные данные сводим в таблицу, как и при расчете в первом приближении

 

Наименование параметров	Обозначение	Корпус (ступень)
		I	II	III
Концентрация, вх/вых, %	b	18/22,6	22,6/30,2	30,2/48
Полезная разность температур, оС	∆tп	13,306	17,515	24,399
Температура греющего пара, оС	tн,	159,61	140,134	112,489
Температура кипения раствора у середины греющих труб	tкс	146,304	122,619	88,09
Температура кипения раствора у верхнего края труб, оС	tк	143,764	117,949	66,13
Гидростатические потери, оС	∆2	2,54	4,67	21,96
Физико-химическая дисперсия, оС	∆1	2,63	4,46	5,33
Гидравлические потери в трубопроводах, оС	∆3	1	1	1
Температура вторичного пара, оС		141,134	113,489	60,8
Давление греющего пара, атм	рГ	6,2	3,68	1,58
Энтальпия греющего пара, ккал/кг	hГ	658,59	653,07	643,85
Энтальпия конденсата, ккал/кг	hк	160,93	140,86	112,73
Давление вторичного пара, атм	рвт	3,78	1,63	0,21
Энтальпия вторичного пара, ккал/кг	hвт	653,38	644,21	623,62
Теплоемкость раствора, вх/вых, кДж/кг*град	сi	3,6/ 3,4	3,4/ 3,1	3,1/ 2
Интегральная теплота растворения, кДж/кг	qRн/qRк	-100/-120	-120/-180	-180/-215
	∆qR= qRн-qRк	20	60	35

 

 – для 1 ступени; 18000 – 3646,46=14353,54

 – для 2 ступени; 14353,54 – 3628,24=10725,3

 – для 3 ступени. 10725,3 – 3975,3=6750

 

Количество теплоты, передаваемой через поверхность нагрева i-го корпуса

, кВт

 3691,47 (643,85–112,73)=1960612 ккал/ч=2280192 Вт

 

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору

 

 

Проверка: q₃=∆t_п3*k₃=24,399*1040,64=25222

 

 м²

3691,47

 ккал/ч =2195706 Вт

 

Проверка: q₂=∆t_п2*k₂=17,515*1408,36=24667

 

м²

3685,92

 ккал/ч =2037887 Вт

 

Проверка: q₁=∆t_п1*k₁=13,306*1730,81=22490

 

м²

 

Средняя поверхность нагрева:

м²