Материал: Установка обратного осмоса

1 = D∙ i Г1 = 1,035∙[GH∙cH∙(tK1-tH)+w1∙ rВП1+Qконц]

Q2 = w2∙ i Г2 = 1,025∙[(GH-w1)∙c1∙(tK2-tK1)+w2∙ rВП2+ Qконц2]

Q3 = w2∙ i Г1 = 1,015∙[(GH-w1-w2)∙c2∙(tK3-tK2)+w3∙ rВП2 + Qконц3]

W = w1 + w2 + w3 (22)

где 1,035; 1,025; 1,015 - коэффициенты, учитывающие потери тепла в окружающую среду;

сН,с1,с2 - теплоемкости растворов соответственно исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг∙К) [4];конц, Qконц2, Qконц3 - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; tн=tвп1+∆'н=150,2+1,8=153 (где ∆н - температурная депрессия для исходного раствора); можно принять:

Анализ зависимости теплоты концентрирования от концентрации и температуры показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3- го корпуса:

конц3 = G сух Δq=G н x н Δq

где G сух - производительность по сухому СаСl2, кг/с;

Δq - разность интегральных теплот растворения при концентрациях х2 и х3, кДж/кг.конц3 = 0,66·0,14=0,09.

Сравним Qконц3 с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q3ор

ор = (GH-w1-w2)∙c2∙(tK3-tK2)+w3∙(IВП3-cВ∙tK3)

ор = (2,06-0,444-0,467) ∙3,64∙(68,2-126,1)+0,489∙(2706-4,19∙68,2)=941,5 кВт

Поскольку Qконц3 составляет значительно меньше 3 % от Q3ор, в уравнениях тепловых балансов пренебрегаем этой величиной.

Получим систему уравнений:

1=D∙632,7=1,035∙[2,06∙3,85∙(141,95-22)+w1∙2163]

Q2=w1∙569,9=1,025∙[(2,06-w1)∙3,78∙(126,1-141,95)+w2∙2221]

Q3=w2∙480,3=1,015∙[(2,06-w1-w2)∙3,65∙(68,2-126,1)+w3∙2395]

w1 + w2 + w3 = 3,49

Решение этой системы уравнений дает следующие результаты:

D = 3,15 кг/с; w1= 1,11 кг/с; w2 = 1,16 кг/с; w3 = 1,22 кг/с

Q1= 1998,5 кВт; Q2 = 1464,2 кВт; Q3 = 1069,5 кВт;

Наибольшее отклонение вычесленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых ( w1= 0,444 кг/с, w2 = 0,467 кг/с, w3 = 0,389 кг/с) не привышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения.

Таблица 3.4 - Параметры растворов и паров по корпусам

3.1.6 Выбор конструкции выпарного аппарата.

Аппараты с вынесенной зоной кипения. При скоростях 0,25-1,5 м/сек с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, не удается предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппаратов для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизующихся растворов можно значительно уменьшить путем увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

В аппарате с вынесенной зоной кипения (рис. 1) выпариваемый раствор поступает снизу в нагревательную камеру 1 и, поднимаясь по трубам (длиной 4-7 м) вверх, вследствие гидростатического давления не закипает в них. При выходе из кипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубу вскипания 2, установленную над нагревательной камерой в нижней части сепаратора 3. Вследствие понижения давления в этой трубе раствор вскипает и таким образом, парообразование происходит за пределами поверхности нагрева.

Циркулирующий раствор опускается по наружной не обогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар, пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

Вследствие большой поверхности испарения, которая создается в объеме кипящего раствора, и частичного самоиспарения капель, унесенных вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.

В виду значительного перепада температур (до~30°С) между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает 1,8-2 м/сек.

Увеличение скорости приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 вт/(м2·град) [2580 ккал/( м2·ч·град)].

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

Рисунок 3.1 - Аппарат выпарной с вынесенной зоной кипения

Выбор конструкционного материала.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего СaCl2 в интервале изменения концентраций от 3,2 до 25%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, Коэффициент теплопроводности

λСТ = 45,1 Вт/(м∙К)

.1.7 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

∑δ/λ = 0,002/45,1 + 0,0005/2 = 0,000287 м2∙К/ Вт

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке a1 равен:

где r1- теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

- соответственно плотность (кг/). теплопроводность Вт/(), вязкость () конденсата при средней температуре пленки,

,

где  - разность температур конденсации пара и стенки, град.

ПЕРВЫЙ КОРПУС

Расчет - ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем =1 0С. Тогда

ПЛ = tГ1-∆t1/2

tПЛ = 150,2-1/2 = 143,9 °С

1 = 2121800 Дж/кг ρЖ = 918,3 кг/м3

μЖ = 0,00013 Па∙с λЖ = 0,599 Вт/(м∙К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/; Δtст - перепад температур на стенке, град;

Δt2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Тогда

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен:

Физические свойства кипящего раствора СaCl2 сведем в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 - Физические свойства кипящего раствора СaCl2

Подставив численные значения, получим:

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

' = α1∙∆t1

' = 8946∙1 = 17891 Вт/м2

'' = α2∙∆t2

'' = 1762∙3,75 = 6607 Вт/м2

Как видим, q' ≠ q''

Расхождение между тепловыми нагрузками превышает 3%.

Для второго приближения примем =0,5 0С.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении температуры на 1,5 градуса рассчитаем α1 по соотношению:

Получим:

' = 15044∙0,5=7522 Вт/м2

q'' = 1290∙4,15 =5353 Вт/м2

Как видим, q' ≠ q''

Для расчета в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки от разности температур между паром и стенкой в первом корпусе (рис. 3.2) и определяем =0,8 0С.

Рисунок 3.2 - График тепловой нагрузки

= 1594

q' = 11249∙0,8=8999 Вт/м2

q'' = 1594∙4,42=8045 Вт/м2

Как видим, q' ≈ q''

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов теплоотдачи на этом заканчиваем.

Находим коэффициент теплопередачи:

К1 = 1 / (1/α1 + ∑δ/λ + 1/α2)

К1 = 1/ (1/11249 + 0,000287 + 1/1594) = 997 Вт/ м2∙К

ВТОРОЙ КОРПУС

К2 = 0,58 · К1 = 0,58 · 997 = 578,2 Вт/ м2∙К

ТРЕТИЙ КОРПУС

К3 = 0,33 · К1 = 0,33 · 997 = 329 Вт/ м2∙К

Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства из поверхностей теплопередачи:

где  - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j- го корпуса.

Q1 = 1998,5 кВт

Q2 = 1464,2 кВт

Q3 = 1069,5 кВт

Подставив численные значения, получим:

∆tП1=64,35∙1998,5/997/(1998,5/997+1464,2/578,2+1069/329)

∆tП1= 16,5 град

∆tП2=64,35∙1464,2/578,2/(1998,5/997+1464,2/578,2+1069/329)

∆tП2= 20,9 град

∆tП3=64,35∙1069/329/(1998,5/997+1464,2/578,2+1069/329)

∆tП3= 26,9 град

Проверим общую полезную разность температур установки:

Сравнение полезных разностей температур ∆tП, полученных во 2-м и 1-м приближениях, приведено табл. 3.6:

Таблица 3.6 - Сравнение полезных разностей температур ∆tП

Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов

Уточненный расчет

=

∆tП =

∆tП1 =  ∆tП2 =

∆tП3 =

По ГОСТ 11987 - 81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками табл. 3.7.

Таблица 3.7 - Технические характеристики выпарного аппарата с естественной циркуляцией

3.2 Гидравлический расчет

Определение гидравлического сопротивления в трубном пространстве:

Число ходов:= 1

Определение коэффициентов местных сопротивлений

Входной штуцер: ζтр1= 1,5 Выходной штуцер; ζтр1= 1,5 (3, с. 33)

Поворот на 180o между ходами: ζ'тр2= 2,5 (3, с. 33)

Количество поворотов n = z - 1 = 0 (3, с. 33)

Вход в трубы или выход из них:

ζ'тр3 = 1 n = 2 z = 2

ζтр3= nζ'тр3 = 2 (1, с. 33)

Скорость в трубах:

Скорость в штуцерах: dт.ш= 0,065

Высота выступов шероховатостей:

Δ= 0,0002м

Относительная шероховатость труб:

е=Δ/dв= 0,0002/0,034 = 0,00558

Критерий Рейнольдса: