Определение температур кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен, МПа:

(9)

где давление греющего пара в первом корпусе, МПа; давление греющего пара в барометрическом конденсаторе, МПа.

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны:

(10)

(11)

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

(12)

Что должно соответствовать заданной величине Р_БК.

Согласно Н-S диаграмме водяного пара по давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1].

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (Δ^’), гидростатической (Δ^”) и гидродинамической (Δ^”’) депрессий. Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают Δ^”’ = 1,0 – 1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса Δ^”’ = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:

(13)

(14)

(15)

Сумма гидродинамических депрессий определяется выражением:

(16)

По температурам вторичных паров по Н-S диаграмме определяют их давления [1].

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:

(17)

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[5]. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппарата с естественной циркуляцией q =20000-50000 Вт/м² с принудительной циркуляцией q = 40000 – 80000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно равна, м²:

(18)

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

По ГОСТ 11987-81 выбираем высоту кипятильных труб, м; диаметр d_Н , мм и толщину стенки δ_СТ, мм кипятильных труб.

В зависимости от режима кипения раствора (пузырьковый и пленочный) определяют величину паронаполения ε = 0,4…0,6. Плотность водных растворов ρ_1, ρ_2, ρ_3, кг/м³ при температуре 35 °С и соответствующих концентрациях в корпусах определяют по таблице 2[9].

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) определяют по зависимостям:

(19)

(20)

(21)

По найденным давлениям по H-S диаграмме определяют температуры кипения [1]. Определяем гидростатическую депрессию (°С) по корпусам с помощью уравнений:

(22)

(23)

(24)

Температурная депрессия Δ определяется по уравнению:

(25)

где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; r_ВП– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг; - температурная депрессия при атмосферном давлении, К [4,6]. Находят температурную депрессию в каждом корпусе.

Температуры кипения растворов в корпусах определяют зависимостями:

(26)

(27)

(28)

В аппаратах с вынесенной греющей камерой и принудительной циркуляцией обычно достигаются скорости раствора v = 2 – 2,5 м/с [5,7,8]. Для этих аппаратов масса циркулирующего раствора равна:

(29)

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

Сечение потока в аппарате S рассчитывается по формулам:

(30)

(31)

S=S_труб∙ n_труб (32)

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

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

(33)

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

Полезная разность температур в каждом корпусе может быть рассчитана по уравнению: (34)

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:

(35)