2.5.2 Произведём расчёт первой ступени испарения как наиболее напряжённой
2.5.2.1 По формуле (5-15) [20] найдём значение предельно допустимой скорости пара в нормальном сечении между пластинами жалюзи сепарационного устройства w”д1
где s1=60,19 Па – поверхностное натяжение воды при температуре в первой ступени по таблице 2-8 [18],
r’1= 962,8 кг/м3 – плотность воды при её температуре в первой ступени по таблице 2-1 [18],
r”1=0,462 кг/м3 – плотность пара при температуре насыщения в первой ступени по таблице 2-1 [7].
2.5.2.2 Принимаем рабочую скорость пара равную
w”р1=w”д1´0,6=28,6´0,6=17,2м/с.
2.5.3. Найдём количество примесей, которое уносится со вторичным паром и переходит в дистиллят. Согласно методике [2] на стр.247 значение величины примесей зависит от влажности пара и от силы электролита растворов примесей. Наиболее интенсивно уносятся с паром вещества, водные растворы которых образуют очень слабые электролиты.
2.5.3.1 Определим количество окислов железа, которое переходит в пар в первой ступени
2.5.3.1.1 Найдем соотношение плотностей воды и водяного пара в ступени
2.5.3.1.2 По формуле (5.3) [2] найдем коэффициент видимого распределения вещества kрвидFe из условия что, гидратированные окислы железа представляют собой очень слабый электролит
где n=0,8 – показатель степени зависящий от силы электролита раствора (стр.247 [2]).
2.5.3.1.3 Определим концентрацию соединений железа в дистилляте по формуле (5.1) [2]
где j=0,005% - ожидаемая влажность пара в ступени, обеспечиваемая сепарационным устройством;
CFeраств=2,0 мг/л – концентрация ионов железа в исходной воде (приложение А).
2.5.3.2 Аналогично найдём количество кремниевой кислоты, которое переходит в пар из условия, что кремниевая кислота образует раствор слабого электролита
2.5.3.2.1 По формуле (5.3) [2] найдем коэффициент видимого распределения вещества kрвидSiO2
2.5.3.2.2 Определим концентрацию соединений железа в дистилляте по формуле (5.1) [2]
CSiO2раств=5,5 мг/л – концентрация кремнезема в пересчёте на SiO2 в исходной воде (приложение А).
2.5.3.3 Найдём количество солей жёсткости, которые переходят в дистиллят
2.5.3.3.1 Рассмотрим соли карбонатной жёсткости, основание которых образует в воде сольный электролит
2.5.3.3.2 По формуле (5.3) [2] найдем коэффициент видимого распределения вещества kрвидHCO3
где n=4,0 – показатель степени, зависящий от силы электролита раствора (стр.247 [2]).
2.5.3.3.3 Определим концентрацию соединений железа в дистилляте по формуле (5.1) [2]
CHCO3раств=2,2 мг/л – карбонатная жёсткость исходной воды.
2.5.4 Из приведённых расчётов следует, что принятое сепарационное устройство обеспечит необходимое качество получаемого дистиллята при соблюдении величины сепарационного пространства камер испарения и технологического режима установки.
2.6 Очистка воды от растворённых газов
По имеющейся на предприятии нормотивно-технической документации [15] деминерализованная вода регламентируется по содержанию свободного кислорода O2 и двуокиси азота CO2. Содержание кислорода в исходной воде СO2 до30 мг/л, СCO2 – до 30 мг/л.
Удаление содержащегося в дистилляте кислорода происходит в процессе испарения согласно закону Генри-Дальтона [2], характеризующего зависимость между концентрацией в воде растворённого газа и его парциальным давлением,
Cг=kг´рг=kг´(робщ-рН2О);
где Сг – концентрация растворённого в воде газа;
kг – коэффициент абсорбции газа водой;
робщ – общее давление;
рН2О – парциальное давление водяного пара.
Как видно из уравнения, понижение концентрации газа в воде происходит с уменьшением разности робщ-рН2О. Таким образом, для удаления газа из воды необходимо создать условия, при которых парциальное давление его над водой было бы равно нулю.
При кипении жидкости парциальное давление растворённых в воде газов стремится к нулю. В таком случае концентрация растворённого газа будет зависеть только от времени дегазации. С увеличением времени дегазации концентрация растворённых газов в воде уменьшается.
В проектируемой установке дегазация циркулирующего рассола происходит равномерно по всем ступеням. Удаление выделившихся газов осуществляется из каждой ступени совместно с неконденсирующимся паром вакуум-насосом.
Естественно, полного освобождения воды от растворённого газа достичь невозможно, поэтому концентрацию газов в дистилляте необходимо определять опытным путём. Однако, учитывая имеющийся опыт проектирования подобных установок, можно предположить, что содержание растворённых газов в дистилляте не превысит допустимых норм качества глубоко обессоленной воды [20].
3 Конструкторский расчёт
3.1 Расчёт регенеративных конденсаторов
3.1.1 По имеющимся данным теплового расчёта принимаем площадь поверхности теплообмена каждого конденсаторов теплоиспользующих ступеней равную Fк=1693,6 м2.
3.1.2 Произведём расчёт конденсатора-пароохладителя для первой ступени
3.1.3 Принимаем среднюю скорость охлаждающего рассола в трубах w=3 м/с (стр. 57 [1]).
3.1.4 Диаметр трубок принимаем dтр=20´2,5 мм, длину lтр=6000 мм, материал – латунь марки Л63, тип пучка – коридорный.
3.1.5 Определим количество трубок в пучке по уравнению неразрывности исходя из заданной скорости воды в трубах n
где u=0,0010222 м3/кг – удельный объём воды при средней температуре в первой ступени tср=(tв1+tв2)/2=(85,6+79,0)/2=82,3 оС по таблице 2-1 [18].
3.1.6 Определим число ходов рассола в конденсаторе z по необходимой площади теплообмена Fк из уравнения неразрывности
где dср=22,5´10-3 м – средний диаметр труб;
принимаем число ходов охлаждающего рассола z=2.
3.1.7 Определим геометрические размеры трубного пучка
3.1.7.1 Для труб выбранного диаметра по таблице (8) [24] находим шаг пучка s=32 мм.
3.1.7.2 Из геометрических размеров камеры испарения принимаем ширину всего трубного пучка Bп=3 м, а ширину одного хода Bп1=1,5 м.
3.1.7.3 Отсюда найдём количество трубок в горизонтальном ряду одного хода пучка n1 принимаем n1=46 шт.
3.1.7.4 Тогда количество рядов составит n2
n2=n/n1=2117/46=46,02;
принимаем количество трубок в вертикальном ряду n2=48 шт.
3.1.7.4 Высота трубного пучка составит Hтр
Hтр=n2´s+dн=48´32´10-3+25´10-3=1,561 м.
3.1.7.5 Уточнённое количество труб в пучке составит n=n1´n2=46´48 =2208 шт.
3.1.8 Уточним площадь поверхности теплообмена Fк’
Fк’=p´n´dср´l´z=3,14´2208´22,5´10-3´6´2=1872 м2.
3.1.9 Принимая высоту межтрубного пространства конденсатора Hм.тр.=1,6 м, находим скорость вторичного пара в межтрубном пространстве w’
u1=2,1611 м3/кг – удельный объём пара при температуре насыщения в первой ступени по таблице 2-1 [18].
3.1.10 По действительному количеству трубок уточним значение скорости рассола в трубном пространстве w
3.1.11 Определим коэффициент теплоотдачи в трубках от рассола пару k1
3.1.11.1 Вычислим число Рейнольдса Rе
где r=970,21 кг/м3 – плотность воды при средней температуре рассола в конденсаторе tср=tв1+tв2/2=85,6+79,0/2=82,3 оС по таблице 2-1 [18];
m=351,2´10-6 Па/с – динамическая вязкость воды при средней температуре в ступени по таблице 2-8 [18];
т.к. Re больше критического значения Reкр=105, то движение в трубках развитое турбулентное.
3.1.11.2 Для турбулентного вынужденного движения в трубах найдём значение критерия Нуссельта Nu по формуле (4-17) [13]
где Prж=2,16 – число Пранкля при средней температуре жидкости по таблице (2-8) [18];
Prст=1,91 – число Пранкля при температуре стенки (принимаем равной температуре насыщения в камере);
el=1 – коэффициент, учитывающий влияние начального участка по таблице (4-3) [13], при d/l больше 50.
3.1.11.3 Тогда коэффициент теплоотдачи от жидкости пару составит a1
где l=671,02´103 Вт/м´К – теплопроводность воды при средней температуре рассола в конденсаторе по таблице (2-8) [18].
где l=673,7´10-3 Вт/м´К, r=966,86 кг/м3, m=325,3´10-6 Па´с – соответственно теплопроводность, плотность и динамическая вязкость плёнки конденсата при средней температуре в аппарате tпл=ts+ tст/2=92,53+82,3/2=87,4 оС;
e=0,4 – коэффициент, зависящий от количества труб в вертикальном ряду по номограмме на рисунке (4-8) [13]
3.1.13 Пренебрегаем отложениями на поверхностях труб со стороны конденсирующегося пара, а со стороны нагреваемого рассола учтём слой отложений солей жесткости толщиной d=0,5 мм=0,5´10-3м с теплопроводностью lн=7,2 Вт/м´К (стр. 55 [1]).
3.1.14 Тогда по формуле (3.7) [27] найдём коэффициент теплопередачи от пара к охлаждающему рассолу в конденсаторе первой ступени k1
где lст=265 Вт/м´К – теплопроводность материала трубок теплообменника латуни (стр. 55 [1]).
3.1.15 По найденному значению коэффициента уточним площадь поверхности теплообмена конденсатора-пароохладителя первой ступени, как наиболее напряжённой Fк”
3.1.16 Сравнивая значение необходимой площади поверхности теплообмена Fк”=1622,6 м2 с принятой действительной площадью поверхности теплообмена конденсаторов пароохладителей теплоиспользующих ступеней Fк’=1872 м2, видим. что устанавливаемые конденсаторы имеют запас по поверхности теплообмена DF=15% и обеспечивают заданный режим.
3.1.17 Учитывая, что другие ступени установки работают в менее напряженных режимах принимаем площади поверхностей теплообмена равными тем, которые были определены из конструкторских расчётов.
3.1.18 Определим геометрические размеры и действительную площадь теплообмена конденсаторов теплоотводящего контура
3.1.18.1 Конденсаторы седьмой ступени
3.1.18.1.1 По имеющимся данным теплового расчёта имеем суммарную площадь поверхности теплообмена конденсаторов седьмой ступеней равную Fк7=2500 м2.
3.1.18.1.2 Принимаем среднюю скорость жидкости в трубах w=3 м/с (стр. 57 [1]).
3.1.18.1.3 Диаметр трубок, длину, материал и тип пучка – аналогично ранее рассмотренным конденсаторам.
3.1.18.1.4 Определим количество трубок в конденсаторе охлаждающего рассола по уравнению неразрывности исходя из заданной скорости воды в трубах nр
где uр=0,001009 м3/кг – удельный объём воды при средней температуре охлаждающего рассола в седьмой ступени tср=(tр7+tр8)/2=(43+46)/2=44,5 оС по таблице 2-1 [18].
3.1.18.1.5 Определим количество трубок в конденсаторе исходной воды по уравнению неразрывности nисх
3.1.18.1.6 Определим количество трубок в конденсаторе охлаждающей воды по уравнению неразрывности nохл
где uохл=0,0010051 м3/кг – удельный объём охлаждающей воды при средней температуре в седьмой ступени tср=(tохл1+tохл2)/2=(35+28)/2=32,5 оС по таблице 2-1 [18].
3.1.18.1.7 Таким образом, общее число трубок в конденсаторе седьмой ступени составляет nS=nр+nисх+nохл=1864+338+1831=4034 шт.
3.1.18.1.8 Определим число ходов в конденсаторе z по необходимой площади теплообмена Fк7 из уравнения неразрывности принимаем число ходов в конденсаторе седьмой ступени z=2.
3.1.18.1.9 Определим геометрические размеры трубного пучка
3.1.18.1.9.1 Из геометрических размеров камеры испарения принимаем ширину всего трубного пучка Bп=4 м, а ширину одного хода Bп1=2 м.
3.1.18.1.9.2 Отсюда найдём количество трубок в горизонтальном ряду одного хода пучка n1 принимаем n1=62 шт.
3.1.18.1.9.3 Тогда количество рядов составит n2
n2=n/n1=4034/62=65,01;
принимаем количество трубок в вертикальном ряду n2=66 шт.
3.1.18.1.9.4 Высота трубного пучка составит Hтр
Hтр=n2´s+dн=66´32´10-3+25´10-3=2,105 м.
3.1.18.1.9.5 Уточнённое количество труб в пучке составит
nS=n1´n2=62´66=4092 шт.
3.1.18.1.10 Уточним суммарную площадь поверхности теплообмена конденсаторов седьмой ступени Fк7’
Fк7’=p´nS´dср´l´z=3,14´4092´22,5´10-3´6´2=3469 м2.
3.1.18.1.11 Сравниваем полученную величину со значением поверхности теплообмена, полученным из теплового расчёта Fк’=3469 м2 больше Fк7=2500 м2, делаем вывод, что принятая из условия обеспечения необходимой скорости движения площадь поверхности конденсатора является достаточной. Запас по площади составляет DF7=39%.
3.1.18.2 Конденсатор восьмой ступени принимаем аналогичным. Выполним проверку по необходимой площади теплообмена, вычисленной из теплового баланса: Fк’=3469 м2 больше Fк8=3459 м2;
запас поверхности теплообмена составляет DF8=0,3%.
3.1.18.3 Конденсатор девятой ступени
3.1.18.3.1 По имеющимся данным теплового расчёта суммарная площадь поверхности теплообмена конденсаторов девятой ступеней Fк9=5492 м2.
3.1.18.3.2 Принимаем среднюю скорость жидкости в трубах w=3 м/с (стр. 57 [1]).
3.1.18.3.3 Диаметр трубок, длину, материал и тип пучка – аналогично ранее рассмотренным конденсаторам.
3.1.18.3.4 Определим количество трубок в конденсаторе исходной воды по уравнению неразрывности аналогично предыдущим расчётам nисх
3.1.18.3.5 Определим количество трубок в конденсаторе охлаждающей воды по уравнению неразрывности nохл
3.1.18.3.6 Суммарное число трубок в конденсаторе девятой ступени составляет nS=nисх+nохл=338+1709=2047 шт.
3.1.18.3.7 Определим число ходов в конденсаторе z по необходимой площади теплообмена Fк9 из уравнения неразрывности принимаем число ходов в конденсаторе седьмой ступени z=6.
3.1.18.3.8 Определим геометрические размеры трубного пучка
3.1.18.3.8.1 Из геометрических размеров камеры испарения, с учётом необходимого числа ходов, принимаем ширину всего трубного пучка Bп=4 м, а ширину одного хода Bп1=0,65 м.
3.1.18.3.8.2 Отсюда найдём количество трубок в горизонтальном ряду одного хода пучка n1 принимаем n1=20 шт.
3.1.18.3.8.3 Тогда количество рядов составит n2
n2=n/n1=2047/20=102,4;
принимаем количество трубок в вертикальном ряду n2=110 шт.
3.1.18.3.8.4 Высота трубного пучка составит Hтр
Hтр=n2´s+dн=110´32´10-3+25´10-3=3,545 м.
3.1.18.3.8.5 Уточнённое количество труб в пучке составит
nS=n1´n2=20´110=2200 шт.
3.1.18.3.9 Уточним суммарную площадь поверхности теплообмена конденсаторов девятой ступени Fк9’
Fк9’=p´nS´dср´l´z=3,14´2200´22,5´10-3´6´6=5595 м2.
3.1.18.3.10 Сравниваем полученную величину со значением поверхности теплообмена, полученным из теплового расчёта: Fк9’=5595 м2 больше Fк9=5492 м2, делаем вывод, что принятая из условия обеспечения необходимой скорости движения площадь поверхности конденсатора является достаточной. Запас по площади составляет DF7=1,9 %.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
