Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать двухкорпусную выпарную установку для выпаривания раствора хлористого кальция (СаСl₂), если:

– расход исходного раствора (G_о), кг/ч – 20000

– начальная концентрация раствора (Х_н), % – 10

– конечная концентрация раствора (Х_к), % – 50

– давление греющего пара (Р_г1), МПа – 0,5

– давление в барометрическом конденсаторе

установки (Р_бк), МПа – 0,03

– поверхности теплообмена корпусов (F₁, F₂), м² – одинаковые

– теплоемкость соли СаСl₂ (С_сух.), кДж/кг гр. – 0,7

– начальная температура исходного раствора (t_н), ^°С – 20

Расчет тепловой установки

1. Производительность установки по конечному продукту:

, кг/ч.

2. Расход выпариваемой воды (общий расход пара вторичного вскипания, получаемого в установке)

, кг/ч.

3. Расход воды, выпариваемой в 1 корпусе.

Предварительно принимаем , где W₁ и W₂ – расходы воды, выпариваемой в 1 и 2 корпусах (расход пара вторичного вскипания по корпусам установки). Тогда

, кг/ч.

4. Концентрация раствора в 1 корпусе. Принимаем, что из-за высокой степени циркуляции раствора в выпарном корпусе концентрация раствора постоянна по корпусу и равна конечной концентрации раствора в корпусе. Тогда

%;

%.

5. Давление греющего пара во втором корпусе принимается как среднее арифметическое давлений Р_г1 и Р_б.к:

, МПа.

По табл. П1 (см. приложение) определяем температуру насыщения и энтальпию пара в элементах установки по соответствующему давлению пара. Полученные значения величин заносим в табл. 1.

Параметры пара в характерных точках

Таблица 1

Давление, МПа	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг	Скрытая теплота, кДж/кг
Рг1 = 0,5	tг1 = 152	I1 = 2760	rг1=2108
Рг2 = 0,265	tг2 = 129,3	I2 = 2720	rг2=2175
Рб..к = 0,03	tб.к. = 69	Iб.к. = 2650	rбк=2336

6. Температура кипения раствора по корпусам установки. Температура кипения раствора в предыдущем корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму депрессий – физико-химической ( D^¢), гидростатической ( D^²) и гидродинамической ( D^²¢).

6.1. Гидродинамическая депрессия D^²¢– снижение температуры конденсации пара при его движении по паропроводу из-за гидравлических потерь, принимается равной обычно 1^°С на каждый корпус. Тогда температура пара вторичного вскипания по корпусам установки определится, °С: ,

.

Соответствующие давления и энтальпия пара вторичного вскипания по корпусам установки согласно табл.П1 составят, кДж/кг:

t_вп1 = 130,3⁰С ® Р_вп1 = 0,269 МПа ® I_вп1= 2721;

t_вп2 = 70⁰С ® Р_вп2 = 0,031 МПа ® I_вп2= 2627.

6.2. Гидростатическая температурная депрессия – это снижение полезного температурного напора в корпусе установки из-за большей температуры кипения растворителя в середине корпуса по сравнению с поверхностными слоями. Повышение температуры кипения обусловлено повышением давления раствора в середине корпуса в связи с дополнительным давлением, создаваемым весом самого раствора. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_срi. каждого корпуса определяется по уравнению, МПа:

,

где Н – высота кипятильных труб в аппарате, м, Н = 4;

– плотность кипящего раствора, кг/м³; при соответствующих концентрации и температуре, см. табл.П2;

 – паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), =0,5;

Р_впi – давление пара вторичного вскипания в корпусе, МПа.

Тогда

, МПа;

, МПа.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и скрытые теплоты парообразования растворителя:

Р_{1 ср.} = 0,280, МПа ® t_ср.1 =131⁰С ® r_к1 = 2170, кДж/кг;

Р_{2 ср.} = 0,045, МПа ® t_ср.2 =79⁰С ® r_к2 = 2312, кДж/кг.

Гидростатическая температурная депрессия по корпусам установки, ^°С:

;

.

Суммарная величина гидростатической температурной депрессии установки, ^°С:

.

6.3. Физико-химическая температурная депрессия – это разница температур между кипящим раствором и паром над раствором:

где Т – абсолютная температура кипения растворителя на середине корпуса, К;

D^¢_атм. – физико-химическая температурная депрессия при атмосферном давлении, °С (табл.П3).

Тогда , ^°С;

,^°С.

Суммарная физико-химическая температурная депрессия установки, ^°С:

.

6.4. Температуры кипения раствора по корпусам установки, ^°С:

;

.

7. Полезный температурный напор по корпусам установки:

.

Тогда

, ^°С;

,^°С.

7.1. Общий полезный температурный напор установки, ^°С:

.

8. Определение тепловых нагрузок по корпусам установки. Расходами воды, выпариваемой по корпусам установки (W₁ и W₂), предварительно задались. Необходимо уточнить эти расходы.

Составим систему двух уравнений:

Уравнение материального баланса по выпариваемой воде

.

Уравнение теплового баланса 2 корпуса

,

где 1,03 – коэффициент, учитывающий потери тепла через ограждения корпуса в окружающую среду;

С₁ – теплоемкость раствора при концентрации и температуре исходного раствора, кДж/(кг гр);

С_в – теплоемкость растворителя (вода), кДж/(кг гр), С_в =4,19.

, кДж/кг град.

Тогда

.

Решая систему, получим, кг/ч:

₁; .

Концентрации раствора после первого корпуса, %:

.

Отклонение в значениях расходов испаренной воды (пара вторичного вскипания) менее 5%, поэтому перерасчет не производится.

8.1. Тепловая нагрузка первого корпуса, кВт:

Здесь C_н – теплоемкость раствора при начальной концентрации, кДж/кг град:

.

8.2. Тепловая нагрузка второго корпуса, кВт:

.

9. Расход острого пара, кг/ч.

.