Визначення температур кипіння розчинів
Загальний перепад тиску в установці дорівнює, МПа:
(9)
де тиск пари, що гріє, в першому корпусі, МПа; тиск пари, що гріє, в барометричному конденсаторі, МПа.
У першому наближенні загальний перепад тиску розподіляють між корпусами порівну. Тоді тиски пар, що гріють, в корпусах (в МПа) рівні:
(10)
(11)
Тиск пари в барометричному конденсаторі:
(12)
Що має відповідати заданій величині РБК.
Відповідно до Н-S діаграми водяної пари за тиском пари знаходимо їх температури та ентальпії [1].
При визначенні температури кипіння розчинів в апаратах виходять із допущень. Розподіл концентрацій розчину у випарному апараті з інтенсивною циркуляцією практично відповідає моделі ідеального перемішування. Тому концентрацію киплячого розчину приймають рівною кінцевою в даному корпусі і, отже, температуру кипіння розчину визначають при кінцевій концентрації.
Зміна температури кипіння по висоті окропу відбувається внаслідок зміни гідростатичного тиску стовпа рідини. Температуру кипіння розчину в корпусі приймають відповідної температури кипіння в середньому шарі рідини. Таким чином, температура кипіння розчину в корпусі відрізняється від температури пари, що гріє, в наступному корпусі на суму температурних втрат від температурної (Δ ' ), гідростатичної (Δ ' ) і гідродинамічної (Δ '' ) депресій. Гідродинамічна депресія обумовлена втратою тиску пари на подолання гідравлічних опорів трубопроводів під час переходу з корпусу в корпус. Зазвичай у розрахунках приймають Δ ”= 1,0 – 1,5 град на корпус. Приймемо для кожного корпусу Δ ” = 1 град. Тоді температури вторинної пари в корпусах (в °С) рівні:
(13)
(14)
(15)
Сума гідродинамічних депресій визначається виразом:
(16)
За температурами вторинних пар за Н-S діаграмою визначають їх тиск [1].
Гідростатична депресія обумовлена різницею тисків у середньому шарі киплячого розчину та на його поверхні. Тиск у середньому шарі киплячого розчину Рср кожного корпусу визначається за рівнянням:
(17)
де РВП – тиск вторинної пари, МПа; Н - висота кип'ятільних труб в апараті, м; ρ – щільність киплячого розчину, кг/м 3 ; ε – паронаповнення (об'ємна частка пари в киплячому розчині), м 3 /м 3 .
Для вибору значення Н необхідно орієнтовно оцінити поверхню теплопередачі випарного апарату FОР [5]. При кипінні водних розчинів можна прийняти питоме теплове навантаження апарату з природною циркуляцією q =20000-50000 Вт/м 2 з примусовою циркуляцією q = 40000 - 80000 Вт/м 2 . Тоді поверхня теплопередачі першого корпусу орієнтовно дорівнює, м2:
(18)
де r1, кДж/кг – теплота пароутворення вторинної пари [2].
По ГОСТ 11987-81 вибираємо висоту окропу, м; діаметр dН, мм та товщину стінки δСТ, мм кип'ятільних труб.
Залежно від режиму кипіння розчину (бульбашковий та плівковий) визначають величину паронаполювання ε = 0,4…0,6. Щільність водних розчинів ρ1, ρ2, ρ3, кг/м 3 при температурі 35 °С та відповідних концентраціях у корпусах визначають за таблицею 2[9].
При визначенні щільності розчинів у корпусах нехтуємо зміною її з підвищенням температури від 35 °С до температури кипіння через малу значення коефіцієнта об'ємного розширення та орієнтовно прийнятого значення ε.
Тиск в середньому шарі кип'ятільних труб корпусів (Па) визначають за залежністю:
(19)
(20)
(21)
За знайденим тиском H-S діаграмі визначають температури кипіння [1]. Визначаємо гідростатичну депресію (°С) по корпусах за допомогою рівнянь:
(22)
(23)
(24)
Температурна депресія Δ визначається за рівнянням:
(25)
де Т - температура пари в середньому шарі кип'ятільних труб, К; rВП – теплота пароутворення вторинної пари, кДж/кг; - температурна депресія при атмосферному тиску, [4,6]. Знаходять температурну депресію у кожному корпусі.
Температури кипіння розчинів у корпусах визначають залежностями:
(26)
(27)
(28)
В апаратах з винесеною камерою, що гріє, і примусовою циркуляцією зазвичай досягаються швидкості розчину v = 2 – 2,5 м/с [5,7,8]. Для цих апаратів маса циркулюючого розчину дорівнює:
(29)
де ρ - щільність розчину, кг/м 3; S - переріз потоку в апараті, м2.
Перетин потоку в апараті S розраховується за формулами:
(30)
(31)
де dВН - Внутрішній діаметр труб, м; Н - прийнята висота труб, м.м.
Таким чином, перегрів розчину в j-му апараті Δtперj дорівнює:
(33)
де IВП - ентальпія вторинної пари, що гріє, кДж/кг; сВ , сН - теплоємності відповідно води і конденсату пари, що гріє, кДж/(кг×К); tК – температура конденсату пари, що гріє, К; М – маса конденсату, кг.
Корисна різниця температур у кожному корпусі може бути розрахована за рівнянням: (34)
Аналіз цього рівняння показує, що величина Δtпер/2 є додатковою температурною втратою. У зв'язку з цим загальну корисну різницю температур випарних установок з апаратами з винесеною зоною кипіння потрібно визначати за таким виразом:
(35)