Как найти расход греющего пара

Определяется
по формуле:

где
r_п
–
теплота конденсации пара указанных в
задании параметров, кДж/кг.

3.3. Расчет требуемой поверхности теплообмена подогревателя

Поверхность
теплообмена F
рассчитывают по формуле:

где
K
– коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);
∆ – средняя движущая сила процесса
теплопередачи, ⁰С.

При
использовании греющего пара (как правило,
насыщенного водяного пара определенного
давления P_гр
и температуры T),
средняя движущая сила рассчитывается
по формуле:

Коэффициент
теплопередачи находят по формуле [1]:

Вывод
этой формулы, пояснения и метод решения
подробно рассмотрены в главе 7 учебника
[1].

При
расчете комплекса A
физических величин конденсата (и пара)
и коэффициента теплоотдачи α₂
(от стенки труб к раствору) необходимо
знать размеры труб (диаметр d,
толщину δ_ст,
высоту труб H
вертикально расположенного подогревателя.
Можно ими задаться, но лучше (!) найти
ориентировочную поверхность теплообмена
F_ор,
приняв K_ор
на основе рекомендаций [3,6-8]:

Зная
F_ор
можно по каталогам [3,6,9] выбрать
теплообменник любой конструкции²(одно- или двухходовой по трубному
пространству) с большей поверхностью,
чемF_ор,
и взять характеристики этого теплообменника
для последующего расчета:

Длина
труб l
м, диаметр труб d
× δ
мм, сечение трубного пространства f_тр
м²,
число ходов z.

Длину
труб l
(высоту H=l
в случае вертикального подогревателя)
необходимо учитывать при расчете
комплекса A.

При
расчете α₂
(через Re
и Nu)
необходимо знать скорость w
раствора в трубках теплообменника. Она
рассчитывается по формуле:

где
f_тр/z
= f_1ход
– сечение всех труб одного
хода.

Если
рассчитанный по этой скорости w
критерий
меньше
5000-7000, то целесообразно выбрать
теплообменник с большим числом ходовz.
Это позволит увеличить скорость w,
значения Re,
Nu и α₂.

По
величине критерия Re
выбирают формулу для расчета критерия
Nu
и далее рассчитывают коэффициент
теплоотдачи α₂:

Толщину
стенки труб δ_ст
берут из характеристики теплообменника,
выбранного по F_ор.
Обычно это от 0,002 до 0,003м.

Теплопроводность
стенки λ_ст
зависит от выбранного материала. Обычно
здесь применяется та же сталь, что и в
выпарных аппаратах.

После
подстановки найденных значений A,
δ_ст/λ_ст
и α₂
по формуле (5) вычисляют значение
коэффициента теплопередачи K
методом итераций. В качестве начального
приближения может быть принято любое
K,
в том числе и K_ор.
Рассчитанное значение K
при не совпадении с принятым в этом
расчете является начальным для следующего
расчета. Заканчивают итерацию, когда
расхождение менее 1%.

Это
значение K
позволяет найти потребную поверхность
теплообмена F
по формуле (3).

По
значению F
вновь подбирают по каталогам теплообменник
с чуть большей поверхностью теплообмена.

Чтобы
избежать нового расчета, желательно
подобрать новый теплообменник с теми
же характеристиками (H,
d
× δ,
f_тр,
z).
Величину F
с F_ор
сравнивать не
нужно!

При
невозможности подобрать теплообменник
с теми же характеристиками, которые
были использованы при расчете K,
следует повторить расчет, приняв новые
найденные в каталоге характеристики
теплообменника.

Пример
расчета и выбора подогревателя приведен
в Приложении 3 данного пособия.

А
уточненный выбор типа конструкции
теплообменника и его размеров рассмотрен
в Приложении 4.

Соседние файлы в предмете Процессы и аппараты химической технологии

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

  04.01.201713.39 Mб78справочники химика.djvu
• #
• #

Табл. 1. Полученные результаты расхода пара gн, кг/т, при температурах

• нагревания воды до температуры насыщения (температуры кипения, соответствующей давлению в колонке);
• образования и поддержания паровой атмосферы (выпара с удельным расходом q, кг/т, деаэрированной воды).

 G_п = G_н + G_в.

При этом не имеет значения, где происходит нагревание химочищенной воды (XOB), в самом деаэраторе (как, например, в аппаратах типа ДАПР, ДА, ДСА) или в специальном подогревателе перед колонкой («КВАРК», «АВАКС» и т.п.). В первом случае греющий пар подается непосредственно в колонку в количестве, обеспечивающем нагревание до температуры насыщения (в ДАПРах это 99–100°С; в ДА,ДСА— 102–104°С), плюс образуемый выпар (по старым РД, q = 1,5–2кг/т деаэрируемой воды, по последним — 20–30 кг/т).

При использовании колонок с отсутствием непосредственного ввода пара (такой механизм реализован, например, в приборах «КВАРК» и «АВАКС») вода перед ними должна быть перегрета выше температуры насыщения, чтобы при вскипании в колонке мог образоваться выпар (это примерно 106–108°С). Таким образом, последние могут работать только в режиме перегретой воды.

Отметим, что вакуумная деаэрация хотя и снижает температуру насыщения, не улучшает теплового баланса в технологической схеме производства пара или горячей воды (для теплоснабжения и ГВС). Напротив, создание и поддержание вакуума влечет за собой безвозвратные потери пара (на пароструйных эжекторах) или электроэнергии (на привод насосов водоструйных эжекторов).

Итак, деаэрационная колонка атмосферного типа тем совершенней, чем давление в ней ближе к фактическому атмосферному и чем меньше расход выпара после нее. В этом отношении ДАПРы вне конкуренции — давление в них атмосферное, а расход выпара после них близок к нулю (за счет внутреннего встроенного охладителя выпара).

Расчет расхода пара

Расход греющего пара (удельный или абсолютный) зависит от параметров поступающей на деаэрацию воды (начальной температуры и температуры насыщения), параметров греющего пара (теплосодержания, зависящего в свою очередь от температуры и давления) и принятого удельного расхода выпара q. Итак, удельный расход выпара равен g_п = g_н + q. Для удобства сопоставления примем два значения температуры насыщения: 100°С (характерного для ДАПРов) и 104°С (для ДА,ДСА). Учтем также тот факт, что теплосодержание водяного пара, применяемого в атмосферных деаэраторах, мало изменяется с изменением температуры и давления. Например, при t = 100°С и давлении 0,1 МПа h = 2076 кДж/кг, а при t = 2 00°С и p = 1,6 МПа, h = 2791 кДж/кг, т.е. отклоняется от среднего на 2,2% (в пределах погрешности параметров и их замеров).В расчетах примем h = 2730 кДж/кг. Результаты приведены в табл. 1.

Заключение

В колонках ДАПР с внутренним выпаром gп фактически равно g_н. В колонках ДA, ДСА теплота выпара и его конденсат не используются в колонке (внешний охладитель выпара — это другой, дополнительный аппарат), поэтому для них удельный расход пара на деаэрацию возрастает на величину q. Если принимать q = 10, то при t_нХОВ= 5°С g_п = 162, что на 11% больше, чем у ДАПРов, а при t_н = 60°С g_п = 78, т.е. на 26% выше, чем у ДАПРов.

Для колонок с внешним подогревом (перегревом) ХОВ g_н возрастает еще на 9 кг/т (например, при t_н= 5°С это 161 кг/т, а с выпаром, который тоже внутри не используется, 171 кг/т и по сравнению с ДАПРами расход пара возрастает на 17% при t_н= 5°С и на 40% при t_н= 60°С.

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с.

Из формулы 3.2 получаем:

;

кг/с.

Решая совместно уравнения 3.1 и 3.2 получаем:

;

кг/с.

Материальный баланс выпаривания

Таблица 3.1

Поток	Обозначение	Численное значение, кг/с	Содержание соли, массовые доли
Исходный раствор		4,58	0,12
Упаренный раствор		2,2	0,25
Вторичный пар	W	2,38	–

3.2 Определение температур и давлений в узловых

точках технологической схемы

3.2.1 Определение температуры конденсации и давления вторичного пара в барометрическом конденсаторе

Температуру конденсации вторичного пара в барометрическом конденсаторе мы определяем по формуле:

(3.3)

где – температура конденсации греющего пара, ;

– полезная разность температур, К.

Принимаем = 40 К.

– температурная депрессия, К;

– гидростатическая депрессия, К.

Принимаем = 5 К.

– гидравлическая депрессия, К.

Принимаем = 1 К.

Давление греющего пара:

где – атмосферное давление,

– избыточное давление греющего пара.

По, находим по (/1/, табл. LVII,стр. 549) температуру греющего пара :

.

полагаем равной при и . По (/1/, рис. XIX, стр. 568), находим :

.

Подставляя, найденные значения и в уравнение для получаем:

.

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим, что при . По (/1/, табл. LVII, стр. 549) находим температуру в барометрическом конденсаторе при давлении :

.

3.2.2 Определение температур и давлений в выпарном аппарате

Температура в сепараторе :

;

.

По [1, табл. LVI] находим давление вторичного пара в сепараторе при температуре :

.

Температура кипения раствора в сепараторе выпарного аппарата, при которой конечный раствор выводится из аппарата определяется по формуле: См. приложение.

; (3.4)

где , , – давление, Па.

.

Уточненное значение температурной депрессии определяем по формуле:

;

.

Оптимальная высота уровня по водомерному стеклу определяем по формуле:

(3.5)

где и – соответственно плотности раствора конечной концентрации и воды при средней температуре кипения , . Так как не известно, то принимаем . – рабочая высота труб, принимаем Плотность воды можно рассчитываем по формуле:

(3.6)

.

Плотность раствора определяем по формуле:

(3.7)

где , , .

Откуда

Подставляя найденные значения и в формулу 3.5 получаем:

Гидростатическое давление в середине высоты труб при определяем по формуле:

(3.8)

.

Подставляя в формулу 3.4 давление , находим среднюю температуру кипения раствора:

.

Находим уточненное значение гидростатической депрессии :

.

Находим уточненное значение полезной разности температур :

.

Начальную температуру раствора принимаем равной .

Таблица 3.2 – Температурный режим работы выпарной установки

Узловые точки технологической схемы	Температура,	Давление,
Барометрический конденсатор		90		0.715
Паровое пространство аппарата		91		0.740
Выход кипящего раствора в сепаратор		98.57	в сепараторе	0.740
Трубное пространство (середина высоты труб)		99.48		0.801
Межтрубное пространство греющей камеры		142,9		4,03
Вход исходного раствора в выпарной аппарат		92,0	–	–

3.3 Тепловой баланс выпарного аппарата

3.3.1 Расход теплоты на выпаривание

Тепловая нагрузка выпарного аппарата равна:

, (3.9)

где – расход теплоты на нагревание раствора, кВт; – расход теплоты на испарение влаги кВт; – теплота дегидратации. Обычно, эта величина мала по сравнению с другими статьями теплового баланса и ею можно пренебречь; – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду.

Расход теплоты на нагревание раствора , определяется по формуле:

, (3.10)

где – теплоемкость разбавленного раствора, определяется по формуле:

(3.11)

где , , , , – удельная теплоемкость воды, определяется по формуле:

(3.12)

где – температура воды,

.

Тогда по формуле 3.11 будет равна:

и по формуле 3.10 получим:

.

Расход теплоты на испарение определяется по формуле:

(3.13)

где – энтальпия вторичного пара, при температуре .

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим :

.

Теплоемкость воды по формуле 3.12 при температуре будет равна:

,

тогда по формуле 3.13 находим расход теплоты на испарение:

.

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду ,при расчете выпарных аппаратов принимают 3-5% от суммы . Таким образом, равняется:

.

Следовательно, количество теплоты, передаваемой от греющего пара к кипящему раствору, по формуле 3.9 равняется:

.

3.3.2 Определение расхода греющего пара

Расход греющего пара (в кг/с) в выпарном аппарате определяем по уравнению:

, (3.14)

где – паросодержание (степень сухости) греющего пара; – удельная теплота конденсации греющего пара, . Из (/1/, табл. LVII, стр. 550) находим для температуры ,

.

И получаем:

.

Удельный расход греющего пара:

3.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата

Выпарная установка работает при кипении раствора в трубах при оптимальном уровне. При расчете выпарного аппарата мы приняли высоту труб . При расчете установки мы приняли: тепловая нагрузка ; средняя температура кипения раствора хлорида аммония ; температура конденсации сухого насыщенного водяного пара . Для кипящего раствора коэффициент теплопроводности раствора NH4Cl мы рассчитываем по формуле:

, (3.15)

где , – коэффициент теплопроводности воды, :

, (3.16)

.

Тогда по формуле 2.15 получаем:

Средняя разность температур:

Находим коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к поверхности вертикальных труб по формуле:

, (3.17)

где (/1/, табл. 4.6, стр. 162).

;

Следовательно,

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к кипящему раствору:

, (3.18)

где

, (3.19)

и – соответственно плотности раствора и его пара при средней температуре кипения , К; – динамический коэффициент вязкости, ; – поверхностное натяжение раствора, Н/м, при и .

Плотность раствора, рассчитанная по формулам 3.6 и 3.7, равна:

;

.

Плотность пара находим по (/1/, табл. LVI, стр. 548):

.

Таким образом, по формуле 3.19 получаем:

.

Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле:

, (3.20)

где – температура раствора, , , , ; – вязкость воды, :

(3.21)

При средней температуре кипения раствора получаем:

.

.

Поверхностное натяжение берем по (/1/, табл. XXIII, стр. 526) для хлорида аммония 10% концентрации:

.

Подставляя найденные значения в формулу 3.18 получаем:

Принимаем тепловую проводимость загрязнений (/1/, табл. XXXI, стр. 531) стенки со стороны греющего пара и со стороны кипящего раствора . Коэффициент теплопроводности стали по (/1/, табл. XXVIII, стр. 529) принимаем равным:

,

по (/3/, табл. 2.2, стр. 16) толщину труб принимаем равной 2 мм. Тогда

.

Ввиду того, что и , для расчета коэффициента теплопередачи принимаем метод последовательных приближений.

Для определения исходного значения , учитывая: что при установившемся режиме теплопередачи , выражаем через :

.

Затем рассчитываем исходные значения и , принимая :

;

.

Находим значение

.

Составляем расчетную таблицу 3.3, в которую записываем исходные данные , , , и результаты последующих расчетов.

Таблица 3.3 Температурный режим работы выпарной установки

Прибли-жения и провероч-ный расчет	Конденсация греющего пара
I	142,9	139,9	3,0	7529	24770
II	142,9	137,31	5,59	6594	36863
III	142,9	136,06	6,85	6267	42934
IV	142,9	135.17	7.73	6081	47008
Прибли-жения и провероч-ный расчет	Стенка и ее загрязнения	Кипение раствора
I	1785	13,88	125,73	109,9	28,65	2532	72548
II	1785	20,65	116,66	109,9	19,58	3301	64628
III	1785	24,05	112,01	109,9	14,93	3654	54552
IV	1785	26.33	108.84	109,9	11.76	3881	45646

1. Первое приближение:

;