Чиллер для кристаллизатора: расчёт охлаждения раствора

Чиллер для кристаллизатора рассчитывают по партии раствора, которую охлаждают в аппарате с рубашкой: тепло раствора и теплота кристаллизации выпадающей соли должны уйти в воду за время охлаждения. Калькулятор считает холодопроизводительность по массе раствора, температурам, времени и выходу кристаллов, прибавляет мешалку и теплопритоки и показывает температуру воды.

Расчёт чиллера для кристаллизатора

Раствор в партии, кг Охлаждение, ч

Раствор в начале, °C Раствор в конце, °C

Выход кристаллов, % Запас 10 % 15 % 20 %

Выносной конденсатор

Требуемый чиллер

65,0

кВт

Раствор, кВт

44,4

Кристаллизация, кВт

6,94

Расход воды, м³/ч

11,2

Температура воды, °C

15

Подобрать чиллер на 65,0 кВт

Подбор модели откроется на сайте производителя xiron.ru

Оборудование не укладывается в калькулятор? Опишите задачу словами — ассистент посчитает нагрузку и подберёт чиллер

Что охлаждаете, сколько и при какой температуре Посчитать и подобрать

Откуда берётся тепло

• Раствор. Горячий насыщенный раствор после выпарки или растворения остывает на 30–50 °C; это основная нагрузка, теплоёмкость водных растворов солей около 3,2 кДж/(кг·°C).
• Кристаллизация. Выпадающие кристаллы отдают теплоту кристаллизации — для солей от 50 до 350 кДж на килограмм кристаллов; калькулятор берёт 200, а для солей из верхней части таблицы результат стоит пересчитать по своей цифре.
• Мешалка и притоки. Мешалка работает всё время охлаждения и держит кристаллы во взвеси; её тепло и притоки из цеха учитывает надбавка 10 %.

Формула

Q_р = M × c × (t₁ − t₂) / (3600 × τ)

Q_кр = M × y × ΔH / (3600 × τ)

Q = (Q_р + Q_кр) × 1,1 × (1 + k)

• Q_р — охлаждение раствора, кВт; M — масса раствора в партии, кг; c — теплоёмкость, принята 3,2 кДж/(кг·°C); t₁, t₂ — температура в начале и в конце, °C; τ — время охлаждения, ч.
• Q_кр — теплота кристаллизации, кВт; y — выход кристаллов, доля массы раствора; ΔH — теплота кристаллизации, принята 200 кДж/кг.
• 1,1 — надбавка на мешалку и притоки; k — запас, доля. Вода в рубашку на 5 °C холоднее раствора в конце, нагрев воды 5 °C.

Выход кристаллов считают по кривой растворимости: разница концентраций насыщения при t₁ и t₂. Если нужно охладить раствор до 5 °C и ниже, воды в рубашке не хватит, и чиллер работает на гликоле — индивидуальный подбор. Время охлаждения при заданном чиллере для любой ёмкости даёт расчёт времени охлаждения жидкости.

Пример расчёта

Партия 5000 кг раствора охлаждается с 60 до 20 °C за 4 ч, выход кристаллов 10 %, запас 15 %.

1. Охлаждение раствора: Q_р = 5000 × 3,2 × (60 − 20) / (3600 × 4) = 640 000 / 14 400 = 44,44 кВт.
2. Кристаллизация: Q_кр = 5000 × 0,1 × 200 / 14 400 = 6,94 кВт.
3. С надбавкой и запасом: Q = (44,44 + 6,94) × 1,1 × 1,15 = 65,01 кВт, округлённо 65,0 кВт.
4. Вода в рубашку: 20 − 5 = 15 °C, расход 65,01 / (1,163 × 5) = 11,2 м³/ч.

Типовые ошибки

• Слишком холодная вода с самого начала. При воде 5 °C и растворе 60 °C стенка рубашки обрастает мелкими кристаллами, теплообмен падает в разы, а продукт идёт пылью; температуру воды снижают по программе вслед за раствором.
• Считать по средней нагрузке без бака. В начале охлаждения разница температур большая и нагрузка выше средней, к концу — меньше; пик сглаживает буферный бак — расчёт объёма бака-аккумулятора.
• Не учесть кристаллизацию. При выходе 20–30 % у нитрата калия теплота кристаллизации — четверть нагрузки; без неё раствор к концу партии не доходит до температуры, и выход падает.
• Агрессивный раствор в испарителе. Растворы солей разъедают медные пайки; раствор охлаждается только в рубашке аппарата или через промежуточный теплообменник, о выборе — справочник о кожухотрубном теплообменнике.

Масло при винтеризации кристаллизуют так же, но с другими теплоёмкостью и температурами — задача о чиллере для винтеризации масла; охлаждение после реакции — в задаче о чиллере для химического реактора.

Вопросы и ответы

Сколько тепла даёт кристаллизация соли?

Кристаллизация из водных растворов выделяет ориентировочно от 50 до 350 кДж на килограмм кристаллов: сульфат аммония около 50, хлорид калия 230, сульфат натрия и нитрат натрия 240, нитрат калия 340. В расчёте по умолчанию принято 200 кДж/кг; для солей с большей теплотой результат пересчитывают по своей цифре.

Как считать чиллер для кристаллизатора с рубашкой?

Чиллер для кристаллизатора считают как сумму двух нагрузок: охлаждение раствора (масса × 3,2 кДж/(кг·°C) × перепад температур за время охлаждения) и теплота кристаллизации выпавшей соли; сумму умножают на 1,1 для мешалки и притоков и добавляют запас. Для партии 5000 кг с 60 до 20 °C за 4 часа это около 44 кВт на раствор и 7 кВт на кристаллизацию.

Какая вода нужна в рубашку кристаллизатора?

Воду в рубашку кристаллизатора подают на 5 °C холоднее конечной температуры раствора: для охлаждения до 20 °C — воду 15 °C. Если раствор нужно охладить до 5 °C и ниже, воды в рубашке не хватает, и чиллер работает на гликоле с индивидуальным подбором.