1. Технологическая схема

Исходный раствор центробежным насосом Н подается в кожухотруб­ный теплообменник ТО, где нагревается до заданной температуры и посту­пает в выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой ВА. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденса­ции греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в ли­нию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упарен­ный раствор из выпарного аппарата поступает на дальнейшую переработку. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар, поступает в барометриче­ский конденсатор БК, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор NaОН при температуре кипения является корро­зионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 С.

3. Материальный расчет

Производительность установки по выпариваемой воде:

W = G_к(х_к/х_н – 1) = 1,39(20/5 – 1) = 4,17 кг/с,

G_к = 5000/3600 = 1,39 кг/с

Производительность установки по упаренному раствору:

G_н= G_к + W = 1,39+4,17 = 5,56 кг/с.

5. Температура кипения раствора

Температура и давление греющего и вторичного пара [1c550]:

Р_гп = 0,145 МПа  t_гп = 110,3 С;

Р_бк = Р_ат – В_бк = 101,3 – 82,6 = 18,7 кПа  t_бк = 58,6 С;

В_бк = 620 мм рт.ст. = 620·133,3 = 82646 Па = 82,6 кПа

Принимаем гидростатическую депрессию ``` = 1С, тогда температура и давление вторичного пара:

t_вп = t_бк + ``` = 58,6 + 1 = 59,6 С  Р_вп = 19,6 кПа.

Оптимальная высота раствора в трубках:

h_опт = Н[0,26+0,0014( – _в);

где Н = 4 м – высота кипятильных трубок;

 = 1196 кг/м³ – плотность раствора [2 c. 90];

_в = 983 кг/м³ – плотность воды.

h_опт = 4[0,26+0,0014(1196 – 983) = 2,23 м.

Давление и температура в среднем слое раствора:

Р_ср = Р_вп + 0,5h_оптg =

= 19,610³ + 0,52,2311969,8 = 32,710³ Па  t_ср = 71,1 С.

Гидростатическая депрессия:

`` = t_cp – t_вп = 71,1 – 59,6 =11,5 С.

Температурная депрессия:

где `_ат = 8,2 С – температурная депрессия при атмосферном давлении [1 c.535],

r = 2330000 кДж/кг – теплота испарения при t_cp [1c.550].

` = 16,2(273+71,1)²8,2/2330000 = 6,8 C.

Температура кипения и полезная разность температур:

t_к = t_вп+``+` = 59,6+ 6,8+11,5 = 77,9 C,

t_п = t_гп – t_к = 110,3 – 77,9 = 32,4 С.

6. Определение тепловой нагрузки аппарата

Q = W(I_вп – с_вt_к)(1+m),

где t_н – начальная температура раствора,

с_н = 3,98 кДж/кгК – теплоемкость начального раствора [1c 248],

I_вп = 2608 кДж/кг – энтальпия вторичного пара [1c. 550],

с_в = 4,19 кДж/кгК – теплоемкость воды [1 c. 537],

m = 3% – коэффициент, учитывающий тепловые потери.

Q = 4,17(2608– 4,1977,9)](1 + 0,03) = 9800 кВт.

Расход греющего пара:

D = Q/r = 9800/2229 = 4,40 кг/с.

6. Коэффициент теплопередачи

,

где ₁ и ₂ - коэффициенты теплоотдачи от пара к стенке и от стенки к раствору;

(/) – тепловое сопротивление стенки.

где _ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

_ст = 17,5 Вт/мК – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529]; r₁ = r₂ = 1/5600 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений сте­нок

(/) = 0,002/15,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,610^-4 мК/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке трубки:

где ₁ = 0,25410^-3 Пас – вязкость конденсата [1 c.537];

₁ = 0,682 Вт/мК – теплопроводность конденсата;

₁ = 951 кг/м³ – плотность конденсата;

t₁ – разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем t₁ = 5 C;

Н = 4 м – высота нагревательных трубок.

₁ = 2,04(0,682³951²2229000/0,25410^-354)^0,25 = 6833 Вт/м²К.

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение для удельного теплового потока:

, тогда

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) = 683354,610^-4 =15,7 С,

t₂ = t_п – t₁ – t_ст = 32,4 – 15,7 – 5 =11,7 С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору:

₂ = Aq^0,6

,

где ₁ = 0,717 Вт/мК – теплопроводность раствора [2 c. 94];

_п = 0,128 кг/м³ – плотность вторичного пара [1c. 550];

₀ = 0,579 кг/м³ – плотность пара при атмосферном давлении;

₁ = 0,086 Н/м – поверхностное натяжение раствора [1 c.526];

c₁ = 3610 Дж/кгК – теплоемкость раствора [1 c. 248];

₁ = 1,1310^-3 Пас – вязкость раствора [2 c. 92].

A=7800,717^1,31196^0,50,128^0,06/0,086^0,52330000^0,60,579^0,663610^0,3(1,1310^-3)^0,3= = 7,81,

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 7,81(68335)^0,6 = 4100 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ = 68335 = 34165 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 410011,7 = 47972 Вт/м².

q₁  q₂ принимаем t₁ = 5,9 С, тогда

₁ = 6833(5/5,9)^0,25 = 6556 Вт/м²К.

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) = 65565,94,610^-4 =17,8 С,

t₂ = t_п – t₁ – t_ст = 32,4 – 17,3 – 5,9 = 8,7 С.

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 7,81(65565,9)^0,6 = 4417 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ = 65296,0 = 38680 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 44178,7 = 38429 Вт/м².

q₁  q₂

Коэффициент теплопередачи:

К = 1/(1/6529 + 4,610^-4 + 1/4417) = 1191 Вт/м²К.

Требуемая поверхность теплообмена:

F = Q/Kt_п = 980010³/119132,4 =254 м².

Выбираем по ГОСТ 11987–81 аппарат с ближайшей большей поверхностью теплообмена F =315 м²:

диаметр греющей камеры, не более –1600 мм;

диаметр сепаратора, не более – 3600 мм;

диаметр циркуляционной трубы, не более 1000 мм;

высота аппарата, не более 15000 мм;

масса аппарата, не более 21000 кг.