Материал: Установка обратного осмоса

Отсюда для каждого поперечного сечения можно записать:

Рассмотрим два крайних сечения.

Сечение на входе в аппараты первой секции:

 кг соли/кг раствора

 кг соли/кг раствора

По графику (см. рис. 3.1) находим:

 МПа

 МПа

Сечение на выходе из аппаратов последней секции:

 кг соли/кг раствора

 кг соли/кг раствора

 МПа

 МПа

Выразим удельную производительность в виде функции от концентрации раствора по уравнению:

где  - константа для данной системы.

Найдем значение  для крайних сечений:

Разница между полученными значениями, выраженная в процентах, составляет:

 %

Это расхождение невелико, поэтому уравнение для нахождения удельной производительности применимо ко всей установке при использовании среднеарифметического значения :

Тогда удельная производительность

Рабочую поверхность мембран можно определить по формуле ():

Расхождение со значением, полученным в первом приближении, составляет  %

Полученная разница не превышает 10 %, поэтому перерасчета не делаем.

.2 Расчет гидравлического сопротивления

Развиваемое насосом давление  рассчитывается по формуле:

где  - перепад давления через мембрану;

 - гидравлическое сопротивление при течении жидкости в каналах аппарата;

 - гидравлическое сопротивление дренажного слоя.

Определение .

где  - гидравлическое сопротивление полых каналов;

 - коэффициент, зависящий от вида сепарирующей сетки. Обычно . Для рассматриваемых рулонных модулей по экспериментальным данным .

Раствор течет от первой до последней секции в каналах кольцевого сечения вдоль оси аппаратов. Общая длина канала  равна произведению числа секций, числа модулей в аппарате и длины пути в модуле, равной ширине мембранного пакета:  м.

Значение  определяют на основе общего выражения:

При ламинарном режиме течения в кольцевых и щелевых каналах . Тогда

 Па

 Па

Определение .

где  - коэффициент, зависящий от вида дренажного материала. Обычно .

Эквивалентный диаметр ( в перерасчете на полный канал) равен:  м.

 Па

Примем . Тогда  Па

Определим давление, которое должен развивать насос:

 Па

Напор насоса (при плотности исходного раствора )

 м

штуцер выпарной концентрация секционирование

3. Расчет трехкорпусной выпарной установки

.1 Технологический расчет

.1.1 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

 = Q/K∆tП

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур  необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

 = GН(1-xН/xК)

GН = 4 кг/с; xН = 3,2%; xК = 25%.

Подставив, получим:

W = 4 (1-3,2/25) = 3,49 кг/с

.1.2 Концентрация упариваемого раствора.

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением.

1 : w2 : w3 = 1,0 : 1,05 : 1,1

Тогда

w1 = 1,0W/(1,0+1,05+1,1) = 1,0W/3,15

w2 = 1,05W/(1,0+1,05+1,1) = 1,05W/3,15

w3 = 1,1W/(1,0+1,05+1,1) = 1,1W/3,15

Получаем:

w1 = 1,0∙3,49/3,15 = 1,11 кг/с

w2 = 1,05∙3,49/3,15 = 1,16 кг/с

w3 = 1,1∙3,49/3,15 = 1,22 кг/с

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах:

= GH∙xH/(GH-w1)= GH∙xH/(GH-w1-w2)= GH∙xH/(GH-w1-w2-w3)

Пдставив, находим:

x1 = 4∙0,032/ (4-1,11) = 4,4%

x2 = 4∙0,032/ (4 -1,11-1,16) = 7,4%

x3 = 4∙0,032/ (4-1,11-1,16-1,22) =25%

Концентрация раствора в последнем корпусе x3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора xk.

.1.3 Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

∆PОБ = PГ1 - РБК = 0,5-0,01 = 0,49 МПа

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

РГ1 = 0,49 МПа

РГ2 = РГ1 - ∆РОБ/3

РГ3 = РГ2 - ∆РОБ/3

Подставив, получим:

РГ2 = 0,49- 0,49 /3 = 0,33 МПа

РГ3 = 0,33 - 0,49 /3 = 0,17 МПа

Давление в барометрическом конденсаторе:

РБК = РГ3-∆РОБ/3

РБК = 0,17 - 0,49 /3 = 0,01 МПа

что соответствует заданному значению РБК.

Таблица 3.1 -Характеристика по давлениям паров их температуры и энтальпии

t,°C

I,кДж/кг

РГ1 =0,49

tГ1 = 150,2

IГ1 = 2752

РГ2 = 0,33

tГ2 = 135,9

IГ2 = 2735

РГ3 = 0,17

tГ3 = 114,5

IГ3 = 2706

РБК = 0,01

tБК = 47,3

IБК = 2581

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 (∑Δ=Δ' +Δ''+Δ''').

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах 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:

ВП1 = tГ2 + ∆1'''

tВП2 = tГ3 + ∆2'''

tВП3 = tБК + ∆3'''

Подставив, получим:

tВП1 = 135,9+ 1 = 136,9°С

tВП2 = 114,5+ 1 = 115,5°С

tВП3 = 47,3+ 1 = 48,3°С

Сумма гидродинамических депрессий:

∑∆''' = ∆1''' + ∆2''' + ∆3'''

∑∆''' = 3°C

По температурам вторичных паров определим их давления. Они равны сответственно в (Па) табл 3.2:

Таблица 3.2 - Давления вторичных паров

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Pср каждого корпуса определяется по уравнению.

Рср = Рвп + ρ∙g∙H∙(1-ε)/2

где H - высота кипятильных труб в аппарате, м;

p - плотность кипящего раствора, кг/м3;

ε - паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе), м3/м3.

Для выбора значения H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000-50000Вт/м2, аппаратов с принудительной циркуляцией q=40000-80000 Вт/м2. Примем q=40000 Вт/м2. Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

 = Q/q = w1∙r1/q

 = 0,444∙2163∙103 /40000 = 24 м2

где r1 = 2163 - теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

По ГОСТ 11987 - 81[3] трубчатые аппараты с выносной циркуляционной трубой (тип 3, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 5 м при диаметре dн=38 мм и толщине стенке dст=2 мм. Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет e = 0,4 - 0,6. Примем ε = 0.5. Плотность водных растворов, в том числе раствора СаСl2 при соответствующих концентрациях и температурах в корпусах равна:

ρ1 = 1089,18 кг/м3, ρ2 = 1119,84 кг/м3, ρ3 = 1188 кг/м3.

Давление в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

РСР1 = РВП1 + ρ1∙g∙H∙(1-ε)/2

РСР1 = 32,3∙104 + 1089,18∙9,8∙4(1-0,5)/2 = 33,3∙104 Па

РСР2 = РВП2 + ρ2∙g∙Н∙(1-ε)/2

РСР2 = 17,4∙104 + 1119,84∙9,8 ∙4 (1-0,5)/2 = 19,3∙104 Па

РСР3 = РВП3 + ρ3∙g∙Н∙(1-ε)/2

РСР3 = 1,2 ∙104 + 1188∙9,8∙4(1-0,5)/2 = 3,25∙104 Па

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя (табл. 3.3):

Таблица 3.3 Температуры кипения и теплоты испарения растворителя

Определим гидростатическую депрессию по корпусам:

Δ1'' = tСР1 - tВП1

Δ2'' = tСР2 - tВП2

Δ3'' = tСР3 - tВП3

Δ1'' = 137,8- 135,4= 2,4 0С

Δ2'' = 121,8- 115,5= 6,3 0С

Δ3'' = 63,3 - 48,3= 15 0С

Сумма гидростатических депрессий:

∑∆'' = ∆1'' + ∆2'' + ∆3''

∑∆'' = 2,4 + 6,3 + 15 = 23,7°C

Температурную депрессию Δ' определим по уравнению:

Δ'=1,62·10-2·Δ'атмТ2/rвп

где T- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

Δ'атм - температурная депрессия при атмосферном давлении [1, приложение 4.5].

∆АТМ1' = 2,135°C

∆АТМ2' = 3,302°C

∆АТМ3' = 6,0°C

Находим значение Δ' по корпусам (в °C)

∆1' = 1,62∙10-2∙2,135∙(137,8+ 273)2 / 2165= 2,65°C

∆2' = 1,62∙10-2∙3,302∙(121,8+ 273)2 / 2215= 3,7°C

∆3' = 1,62∙10-2∙6,0∙(63,3+ 273)2 / 2342= 4,9°C

Сумма температурных депрессий:

∑∆' = ∆1' + ∆2' + ∆3'

∑∆' = 11,25 °C

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °C):

К1 = tГ2 + ∆1' + Δ1'' + ∆1'''

tК2 = tГ3 + ∆2' + Δ2'' +∆2'''

tК3 = tБК + ∆3' + Δ3''+ ∆3'''

К1 = 135,9+ 2,65 +2,4 + 1 = 141,95

tК2 = 114,5+ 3,7 + 6,93+ 1 = 126,1

tК3 = 47,3 + 4,9 + 15 + 1 = 68,2

.1.4 Полезная разность температур:

∆tП1 = tГ1 - tK1 = 150,2 - 141,95

∆tП1 = 8,25°С

∆tП2 = tГ2 - tK2= 135,9 - 126,1

∆tП2 = 9,8°С

∆tП3 = tГ3 - tK3 = 114,5 - 68,2

∆tП3 = 46,3°С

Общая полезная разность температур

∑∆tП = ∆tП1 + ∆tП2 + ∆tП3

∑∆tП = 8,25+ 9,8+ 46,3= 64,35°С

Проверим общую разность температур:

∑∆tП = tГ1-tБК-(∑∆' + ∑∆'' + ∑∆''' )

∑∆tП = 150,2-47,3-(11,25 + 23,3 + 3) = 64,35°С

3.1.5 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки: