Проектирование адиабатной выпарной установки термического обессоливания воды

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

где n=1,0 – показатель степени зависящий от силы электролита раствора (стр.247 [2]).

2.5.3.2.2 Определим концентрацию соединений железа в дистилляте по формуле (5.1) [2]

где j=0,005% - ожидаемая влажность пара в ступени, обеспечиваемая сепарационным устройством;

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]

где j=0,005% - ожидаемая влажность пара в ступени, обеспечиваемая сепарационным устройством;

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’

где G1=24,05кг/с – количество выпаренного пара в первой ступени;

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].

3.1.12 Найдём значение коэффициента теплоотдачи при конденсации вторичного пара a2

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

где uисх=0,00100805 м3/кг – удельный объём воды при средней температуре охлаждающего рассола в седьмой ступени tср=(tисх7+tисх8)/2=(46+40,7)/2=43,3 оС по таблице 2-1 [18].

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 %.

3.2 Выбор и расчёт переточных устройств и высоты уровней жидкости в камерах испарения

3.2.1 Камеры испарения разделены между собой поперечными перегородками, в нижней части которых выполнены специальные перепускные барьеры, создающие необходимую разницу давлений между смежными ступенями.

Весьма важно выбрать рациональный тип перепускного устройства, так как от этого зависят равномерность испарения воды, вынос солей с паром в сепаратор, а также протекание вторичного пара в соседние ступени.

Переточные устройства могут представлять собой как непосредственно устройства ввода – прямоугольное или круглое придонное отверстие, цилиндрические, конические и другие насадки, так и канал, образованный стенками камеры с вертикальными или наклонными перегородками и отбойными козырьками. Подача воды в камеру испарения может осуществляться также через подводящие трубы, снабжённые дросселирующими или распределительными устройствами.

Применяемые в камерах перегородки (одна или несколько) формируют ток и удлиняют путь жидкости в камере, турбулизируют её и уменьшают обратные токи, что улучшает характеристики процесса вскипания. Однако применение перегородок увеличивает гидравлическое сопротивление, повышает уровень жидкости, способствует возникновению застойных зон в камерах.

Наиболее приемлемым является безбарботажный режим реализации перепуска жидкости из одной камеры в другую, который позволяет реализовать наличие перегородок в камерах. При таком режиме улучшается прокипание жидкости и допустимо большее напряжение объёма камеры по пару, чем в барботажном режиме без существенного снижения качества дистиллята.

3.2.2 Анализируя существующие типы переточных [8], [диссертация] устройств выбираем фазовый порог для осуществления безбарботажного режима с перегородкой в камере испарения.

3.2.3 Принимая равный перепад давления по ступеням найдём падение давления в одной ступени Dр

где р1=1,01325´105Па и р9=7,3749´103Па – температура насыщения соответственно в первой и последней камерах испарения.

3.2.4 Определим геометрические размеры данного типа перепускного устройства применительно к проектируемой установке по характеристикам на стр. 186 [20]

3.2.4.1 Принимаем уровень жидкости в первой камере испарения равный Hс1=0,5 м.

3.2.4.2 Высота щели перепускного устройства из первой ступени во вторую составляет HB

HB=0,476´Hc1=0,476´0,5=0,238 м.

3.2.4.3 Высота перегородки в камере испарения составит HA1

HA1=0,75´Hc1=0,75´0,5=0,375 м.

3.2.4.4 Расстояние от точки входа рассола в камеру до перегородки l0

l0=0,15´L=0,15´4,6=0,69 м,

где L=4,6 м – длина камеры испарения определённая ранее.

3.2.4.5 Площадь сечения перепускного устройства составляет Fпер.

Fпер=HB´B=0,238´6=1,428 м2,

где B=6 м – длина камеры испарения.

3.2.4.6 Для данного типа переточного устройства находим величину коэффициента гидравлического сопротивления по диаграмме 4-14 на стр. 124 для отношения F/F0 =0,35 [7] z=10.

3.2.4.7 Находим скорость истечения рассола из первой ступени во вторую из уравнения неразрывности w1

где r1=962,82 кг/м3 – плотность воды при температуре в первой камере испарения по таблице 2-1 [18].

3.2.4.8 По формуле (7-44) [27] находим высоту столба жидкости во второй камере испарения Hс2

где r2=967,34 кг/м3 – плотность рассола при температуре во второй ступени по таблице 2-1 [18].

3.2.4.9 Высота перегородки во второй камере испарения составит HA2

HA2=0,75´Hc2=0,75´0,597=0,448 м.

3.2.4.10 Аналогично находим высоту перегородки и уровней жидкости в остальных камерах испарения, принимая площадь сечения перепускного устройства равной во всех ступенях

3.2.4.10.1 Находим скорость истечения рассола из второй ступени в третью из уравнения неразрывности w2

3.2.4.10.2 Высота столба жидкости в третьей камере испарения Hс3 по формуле (7-44) [27]

где r3=971,63 кг/м3 – плотность рассола при температуре в третей ступени по таблице 2-1 [7].

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10