Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора

Для выпарных аппаратов с принудительной циркуляци­ей процесс парообразования в зоне подогрева раствора отсут­ствует, поэтому интенсивность теплообмена в основном опре­деляется скоростью движения раствора в кипятильных трубках [16].

1. Температуру раствора на выходе из теплообменных труб греющей камер, °С, вычисляют по следующемусоотношению:

(85)

где t’_р - температура раствора, поступающего на вход в те- плообменные трубки греющей камеры, °С; для первой ступени t’_р = ϑ₀ (п. 2);

∆t_p- перегрев раствора в теплообменных трубках, °С.

Для аппаратов с принудительной циркуляцией раствора

∆t₂= 1..3°С. В первом приближении принимается ∆t₂ = 1,5°С. Затем эта величина уточняется методом итераций после определения коэффициента теплопередачи К, Вт/(м²•К).

2. Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к наружной поверхности теплообменных труб α₁, Вт/(м²∙ К), вы­числяют по формуле:

(86)

где А=r^0.25_ГР;

r_ГР - теплота парообразования греющего пара данного аппарата, Дж/кг; определяют по давлению греющего аппарата из [3];

В=

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м / с2;

ρ_к - плотность конденсата при средней температуре пленки tˉ_пл, кг/м³; определяется по [3,4];

ν_к - коэффициент кинематической вязкости конденса­та при средней температуре пленки tˉ_пл, ν_к = µ_к / ρ_к, м²/с;

µ_к - коэффициент динамической вязкости конденсата при средней температуре пленки tˉ_пл, Па∙с;

t_ГР - температура насыщенного греющего пара, по­ступающего в греющую камеру аппарата, °С; определя­ется по давлению насыщения P_Н, бар; для первой сту­пени t_ГР = t₁;

tˉ_CT - средняя температура стенки теплообменных труб со стороны конденсирующего пара, °С; определяется по формуле

, (87)

методом итераций; в первом приближении принимается (k/α₁)_i ≈ 0,3 и затем уточняется после определения коэффициентов α₁ и k;

tˉ_p - средняя температура раствора в теплообменных трубах греющей камеры, °С, определяется по формуле

(88)

tˉ_пл - средняя температура пленки конденсирующегося пара на трубах греющей камеры, °С,

(89)

L - длина теплообменных труб греющей камеры, м; определяется по типу аппарата из [10] или из задания на проект.

3. Коэффициент теплоотдачи от труб к выпариваемому раствору α₂,Вт/(м²•К), определяют по соотношению

, (90)

где λ_p - коэффициент теплопроводности раствора при средней температуре tˉ_p в теплообменных трубах, Вт/(м∙К); определяется по концентрации раствора и его средней температуре из [4];

d_вн - внутренний диаметр теплообменной трубы, м; выбирается в соответствии с рекомендациями из [10] или из задания на проект;

4. Критерий Нуссельта для выпариваемого раствора в случае ламинарного и переходного режимов его движения оп­ределяют по формуле

, (91)

где К₀ - безразмерный комплекс, определяемый по сле­дующей методике:

- ламинарное движение выпариваемого раствора

Re_Р = 20..2000; Pr_p = 0,6..2500:

(92)

- переходный режим движения выпариваемого раствора

Reр = 2• 10³.. 10⁴; Pr_р = 0,6..2500:

(93)

При турбулентном режиме движения выпариваемого раствора и Re_p = 10⁴..5∙10⁶; Pr_р = 0,6..2500 критерий Нуссельта

, (94)

Re_p - критерий Рейнольдса для выпариваемого раство­ра

(95)

где W_p - средняя скорость движения раствора по теплооб- менным трубам, м/с; оптимальный вариант выпарного аппарата определяют по оптимальному значению ско­рости движения раствора (w_р)_0ПТ, которое рассчиты­вают по минимальной величине приведенных годовых расчетных затрат З_год, руб/год, на осуществление кон­кретного процесса выпаривания (см. гл. 4); в первом приближении скорость движения раствора принимается

из диапазона w_Р = 1.. 4 м/с;

ν_p - коэффициент кинематической вязкости раствора при средней температуре tˉ_p в теплообменных трубах, м²/с; определяется по концентрации и средней темпера­туре раствора из Приложения 3 ν_p = µ_р / ρ_Р, м/с;

µ_р - коэффициент динамической вязкости при средней температуре раствора, Па∙с;

ρ_Р - плотность раствора, кг/м; определяется аналогич­но вязкости;

Pr_p - критерий Прандтля при средней температуре рас­твора в теплообменных трубах греющей камеры:

, (96)

где c_p - изобарная теплоемкость раствора при средней температуре tˉ_p, Дж(кг/К); определяется по концентра­ции и tˉ_p раствора; по указанным параметрам раствора непосредственно из Приложения 3 можно получить значение Pr_p;

µ_ст - коэффициент динамической вязкости раствора при средней температуре стенки со стороны выпари­ваемого раствора;

tˉ"_СТ - средняя температура стенки теплообменных труб со стороны раствора, °С; определяется по формуле

, (97)

методом итераций. В первом приближении принимает­ся (k/ α₂)1 ≈ 0,5 и затем уточняется после определе­ния коэффициентов α₂ и k.

6. Термическое сопротивление материала теплообменных труб греющей камеры, (м²∙К)/Вт, вычисляют по формуле

, (98)

где δ_CT- толщина стенки теплообменной трубы, м;

выбирается по типу аппарата из [10] или из задания на проект;

λ_CT -коэффициент теплопроводности теплообменных труб, Вт/(м∙К); определяется по табл. 5.

7. Термическое сопротивление слоя отложений, (м²∙К)/Вт, находящегося на внутренней поверхности теплооб­менных труб греющей камеры определяется как

(99)

где δ_заг - толщина слоя отложений на внутренней поверх­ности теплообменных труб, м; принимается δ_заг = const по исходным данным или на основании опытной зависимости от скорости движения раствора при различной продолжительности работы аппарата τ_p между очистками, т.е. δ₂ = f(W₂,τ_p); ориентировочно

δ_заг =0,1..0,5, мм;

λ_ЗАГ - коэффициент теплопроводности слоя отложений, Вт/(м∙К), определяется по табл. 6.

8. По формуле (25) определяют коэффициент теплопередачи в выпарном аппарате с принудительной циркуляцией и вычисляют отношения (k/ α₁)_р и (k/α₂)_р.

Таблица 4. Коэффициенты теплопроводности и значение термического сопротивления материала теплообменных труб

Материал теплообменных труб	Теплопровод­ность материала λCT, Вт/(м∙К)	Толщи­на стен­ки δCT, м	Термическое сопротивле­ние RCT, (м2∙К)/Вт
Сталь углеродистая марки ВСт3сп, ВСт3пс,ВСт3пс		0,002	3,34∙10-5
Сталь коррозион- ностойкая марки XI8H1OT X17H13M2T 0Х23Н28М3Д3Т 000X16H15M3		0,002	1,25∙10-4
Титановые сплавы		0,002	1,33∙10-4

9. Производится проверка первого приближения отно­шения коэффициента теплопередачи k к коэффициенту теп­лоотдачи со стороны конденсирующего греющего пара a1 по соотношению

(100)

Таблица 5. Ориентировочные значения термических сопротивлений слоя отложений

Наименование отложений	Коэффициент теп­лопроводности слоя отложений λзаг, Вт/(м-К)	Термическое сопротивление слоя отложений RЗАГ, (м2-К)/Вт
Полимеризующееся вещество	1,12	0,00045
Гипс	0,63	0,00083
Известь	1,2	0,000415
Кокс	0,7	0,000715
Накипь	1,52	0,00033
Ржавчина	1,0	0,0005
Хлористый каль­ций	0,635	0,0008
Хлористый натрий	3,03	0,000165
Каустическая сода	2,5	0,0002

10. Производится проверка первого приближения от­ношения коэффициента теплопередачи k к коэффициенту те­плоотдачи α₂ со стороны выпариваемого раствора по соот­ношению

(101)

Если неравенства пунктов 9 и 10 не соблюдаются, то полученные расчетным путем величины (k/ α₁)_р и (k/α₂)_р следует принять в качестве второго приближения и повторить расчет, начиная с формулы (87) до тех пор, пока неравенства (100) и (101) не будут соблюдены.

11. Если полезной разности температур ∆t_ср в исход­ных данных нет, то ее определяют из равенства

(102)

где ∆t_Б - наибольший температурный напор между теплоносителями в греющей камере:

; (103)

∆t_M - наименьший температурный напор между тепло­носителями.

. (104)

12. Производят проверку первого приближения величи­ны перегрева выпариваемого раствора в трубах греющей каме­ры. Для этого определяют расчетную величину ∆t₂, по фор­муле

(105)

При определении оптимального варианта выпарного аппарата перегрев раствора вычисляют при изменении скорости движе­ния раствора по теплообменным трубам.

Проверку первого приближения (∆t₂) производят по соотношению

(106)

При соблюдении неравенств по формулам (106), (100) и (101) второе приближение следует принять окончательным. Если неравенства не соблюдаются, то рассчитанную величину перегрева ∆t₂ следует принять в качестве второго приближе­ния и повторить расчет, начиная с формулы (85) по (106) включительно. Затем выбирается третье приближение и т.д. вплоть до соблюдения неравенства по формуле (106).

После определения коэффициентов теплопередачи для всех ступеней выпаривания необходимо найти их соотношение

и сравнить полученные результаты с ранее принятым соотно­шением для первого приближения (п. 3.4.). При расхождениях более ±10% следует принять в качестве второго приближения полученное расчетное соотношение коэффициентов теплопе­редачи и повторять расчет, начиная с формулы (22) или (23) до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность ≤ 10 %.