Определение числа ступеней выпаривания

С учетом потерь тепла расход греющего пара D, кг/с, в установке со П ступенями приближенно определяется по формуле

(1)

где W - количество выпариваемого растворителя во всех ступенях установки, кг/с.

Из (1) ясно, что увеличение числа ступеней в обратной пропорциональности снижает расход пара на МВУ, но также в прямой пропорции увеличивает общую поверхность теплообмена выпарных аппаратов, т. е. увеличивает капитальные затраты.

Разработана методика технико-экономического анализа и определения оптимального числа ступеней МВУ по эксплуатационным затратам в зависимости от стоимости обслужива­ния установки, а также затрат на греющий пар, воду и электроэнергию [1]. Оптимальное число ступеней по названной методике n_опт ориентировочно можно определять по формуле

где

K_n - коэффициент теплопередачи в последней ступени выпарной установки, Вт/(м²•К); на рисунке 2 показаны обычные пределы изменения коэффициента теплопере­дачи для вертикальных выпарных аппаратов с естест­венной и принудительной циркуляцией выпариваемого раствора, значениями которых можно пользоваться для предварительных расчетов [2]; высокие коэффициенты теплопередачи имеют место при выпаривании разбавленных растворов, а низкие - при выпаривании вязких высококонцентрированных растворов; штриховая линия приближенно представляет нижний предел для раство­ров с вязкостью µ≈ 0,1 Па•с.

c - поправочный коэффициент, учитывающий умень­шение коэффициента теплопередачи от ступени к сту­пени МВУ; можно принимать c = 1;

t₁ - температура насыщения греющего пара на входе в установку, °С;

i^”_ВП,n- энтальпия вторичного пара в последней ступени установки, Дж/кг; определяется из [3] по давлению вто­ричного пара в последней ступени P_k, бар;

i^’’_P,n - энтальпия кипящего раствора в последней ступе­ни установки, Дж/кг; ориентировочная величина ip П определяется следующим образом:

а) из [3] по давлению P_k определяется темпера­тура вторичного пара последней ступени установки t_K, °С;

б) из Приложения 1 по конечной концентрации раствора b_k определяется нормальная физико- химическая температурная депрессия для данного рас­твора ∆₁, °C;

в) по формуле И.А. Тищенко определяется дей­ствительная физико-химическая температурная депрес­сия для раствора в последней ступени МВУ (∆₁)_n, °С,:

(3)

где r_n - теплота парообразования вторичного пара послед­ней ступени, кДж/кг; определяется из [3] по давлению Рк; в случае противоточной схемы МВУ физико-химическая температурная депрессия (∆₁)_n вычисля­ется по начальной концентрации раствора b_n, давле­нию вторичного пара Рк и его теплоте парообразова­ния r_n по формуле (3);

г) гидростатическая температурная депрессия в последней ступени (∆₂)_n может быть для предвари­тельных расчетов выбрана в пределах 2...5 °С, причем большая цифра относится к высококонцентрированным растворам;

д) температура кипения раствора в аппарате по­следней ступени, °С, определяется по соотношению:

(4)

е) по конечной концентрации раствора b_k и тем­пературе ϑ_n из [4,27,30] или из Приложения 2 опреде­ляется средняя теплоемкость раствора С_n; в случае противоточной схемы МВУ С_n выбирается по его на­чальной концентрации b_n и температуре ϑ_n;

ж) определяется энтальпия кипящего раствора, Дж/ кг:

(5)

ϑ₀ - температура раствора, подаваемого в первую ступень установки, °С; в прямоточных МВУ с достаточной степенью точно­сти можно принимать ϑ₀=t₁- (6..10); в противоточной МВУ раствор в первую ступень по­дается из второй ступени установки с температурой ниже температуры кипения раствора в первой ступени, поэтому принимаем температуру кипения раствора в первой ступени на 8..12 0С ниже температуры насыщения греющего пара на входе в установку, тогда

t_н1 = t’₁ -(8..12) ⁰С;

G_н - расход начального «слабого» раствора на уста­новку, кг/с;

С₀ - теплоемкость начального раствора, Дж/(кг-К). Оп­ределяется из Приложения 2 по концентрации bн и температуре ϑ₀ раствора, подаваемого в МВУ;

Св - теплоемкость охлаждающей воды для конденсато­ра МВУ, Дж/(кг-К); определяется из [4] по средней тем­пературе воды в конденсаторе;

t_в^’ - начальная температура охлаждающей воды, °С; t_в^” - конечная температура охлаждающей воды, °С; обыч­ное значение t_в^’ = 15...25 °С;

разница между температурами конденсации вторичного пара и уходящей воды составляет в противоточных

конденсаторах δ = t_к — t_в^” = 1..3 °С, а в прямоточных δ = 5.. 6 °С; после конденсатора в естественные водо­емы рекомендуется сбрасывать воду с температурой не более 60 °С;

A - стоимость обслуживания, ремонта и автоматизации 1 м² поверхности теплообмена МВУ, руб/(м2∙ч);

B - стоимость греющего пара, руб/кг;

C - стоимость охлаждающей воды, руб/кг.

В первую очередь формула (2) применима для МВУ с аппаратами принудительной циркуляции. В аппаратах с есте­ственной циркуляцией раствора гидродинамика и теплообмен целиком определяются величиной полезной разности темпера­тур ∆t_ПОЛ, а с увеличением числа ступеней МВУ эта величи­на на каждую ступень уменьшается.

После определения оптимального количества ступе­ней выпаривания рекомендуется проверить полезную раз­ность температур, приходящуюся на одну ступень МВУ, исходя из следующих рекомендаций. При выпаривания рас­творов с вязкостью до 0,002 Па∙с в аппаратах с естественной циркуляцией ∆t_ПОЛ на ступень должен составлять 10.. 15 °С, при увеличении вязкости до 0,005 Па∙с ∆t_ПОЛ увеличива­ется на 7..9 °С. В аппаратах с принудительной циркуляцией минимальная At пол может быть равной 6..8 °С на ступень. При необходимости - количество ступеней уменьшить.