Расчет двухкорпусного выпарного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные

Двухкорпусной выпарной аппарат производительностью 9 т/ч. Начальная концентрация 10%, конечная 30%. Раствор поступает при температуре кипения. Давление греющего пара 0,25 МПа, давление в БК 0,03 МПа.

Введение

Выпаривание - процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Этот процесс подучил широкое распространение в химической промышленности, в связи с тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др. получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых очень разнообразны, что значительно усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

- кипятильник (греющая камера) в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

- сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

- выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

- выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

- выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

- пленочные выпарные: аппараты.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.

Раствор, находящийся в кипятильных трубках закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

Существует несколько типов аппаратов с естественной циркуляцией: с центральной; циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т.д.

Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение из-за простоты конструкции и легкоти очистки и ремонта. В тоже время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

1. Выбор конструкции аппарата

Так как при упаривании возможно выделение незначительного осадка, удаляемого механическим путем, то выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой - тип 1 исполнение 2 ГОСТ 11987 - 81 [3c.182].

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор при температуре кипения является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632 - 72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 С.

3. Технологическая схема

Рис. 1 Технологическая схема двухкорпусной выпарной установки.

Исходный раствор центробежным насосом Н подается в кожухотрубный теплообменник ТО, где нагревается до температуры кипения и поступает в первый корпус выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой ВА1. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в линию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упаренный раствор из 1-го корпуса поступает во второй корпус ВА2 выпарного аппарата. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар из первого корпуса подается во второй в качестве греющего пара, а вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор БК, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.

выпаривание двухкорпусный кипение раствор

4. Материальный расчет

Производительность установки по выпариваемой воде:

W = G_н(1 - х_н/х_к) = 2,50(1 -10/30) = 1,67 кг/с,

где G_н = 9000/3600 = 2,50 кг/с - массовый расход исходного раствора.

Производительность установки по упаренному раствору:

G_к = G_н - W = 2,50 - 1,67 = 0,83 кг/с.

Распределение количества выпариваемой воды по корпусам

Принимаем, что w₁:w₂ = 1:1,1, тогда

w₁ = 1W/(1+1,1) = 11,67/2,1 = 0,79 кг/с

w₂ = 1,1W/(1+1,1) = 1,11,67/2,1 = 0,88 кг/с

Концентрация раствора по корпусам

x₁ = G_нх_н/(G_н - w₁) = 2,500,10/(2,50 - 0,79) = 0,15 = 15%

x₂ = G_нх_н/(G_н - w₁ - w₂) = 2,500,10/(2,50 - 0,79 - 0,88) = 0,30 = 30%

Температура кипения раствора

Перепад давлений

Общий перепад давлений в установке:

Р_об = Р_г1 - Р_вп2 = 0,25 - 0,03 = 0,22 МПа

Принимаем, что перепад давлений между корпусами распределен как 1:1, тогда

Р_г1 = 0,25 МПа t_г1 = 127,4 С,

Р_г2 = 0,25 - 0,2201/2 = 0,140 МПа t_г2 = 109,3 С,

Р_бк2 = 0,030 МПа t_бк = 69,1 С,

Гидродинамическая депрессия

Принимаем гидростатическую депрессию ``` = 1С, тогда температура и давление вторичного пара:

t_вп1 = t_гп2 + ``` = 109,3 + 1 = 110,3 С Р_вп1 = 0,145 МПа,

t_вп2 = t_бк2 +``` = 69,1+1 = 70,1 С Р_вп1 = 0,031 МПа,

Гидростатическая депрессия

Оптимальная высота раствора в трубках:

h_опт = Н[0,26+0,0014( - _в);

где Н = 4 м - высота кипятильных трубок;

₁ = 1117 кг/м³ - плотность раствора [2 c. 90];

₂ = 1190 кг/м³;

h_опт1 = 4[0,26+0,0014(1117 - 957)] = 1,94 м.

h_опт2 = 4[0,26+0,0014(1190 - 977)] = 2,23 м.

Давление в среднем слое раствора:

Р_ср= Р_вп + 0,5h_оптg

Р_ср1= 0,14510⁶ + 0,51,9411179,8 = 0,156 МПа,

Р_ср2= 0,03110⁶ + 0,52,2311909,8 = 0,044 МПа,

Этим давлениям соответствуют следующие температуры и теплоты испарения [1c.550]:

P_cp1 = 0,156 МПа t_cp1 = 112,5 C, r_вп1 = 2223 кДж/кг,

P_cp2 = 0,044 МПа t_cp2 = 78,2 C, r_вп2 = 2313 кДж/кг.

Гидростатическая депрессия:

₁`` = t_cp1 - t_вп1 = 112,5 - 110,3 = 2,2 С.

₂`` = t_cp2 - t_вп2 = 78,2 - 70,1 = 8,1 С.

t``= 2,2+8,1 =10,3С.

Температурная депрессия

где `_ат - температурная депрессия при атмосферном давлении,

₁`<sub>ат</sub> = 5,5 С, <sub>2</sub>`_ат =17,0 С [1 c.535],

₁` = 16,2(273+112,5)²5,5/2223000 = 6,0 C.

₂` = 16,2(273+ 78,2)²17/2313000 =14,7 C.

t`= 6,0+14,7 = 20,7 С.

Температура кипения растворов

t_к1 = t_г2+₁``` +₁``+₁` = 109,3+1+2,2+6,0 = 118,5 C,

t_к2 = t_вп2+₂``+₂` = 70,1+8,1+14,7 = 92,9 C.

Полезная разность температур

t_п1 = t_гп1 - t_к1 = 127,4 - 118,5 = 8,9 С,

t_п2 = t_гп2 - t_к2 = 109,3 - 92,9 = 16,4 С,

t_п = t_п1 + t_п2 = 8,9+16,4 = 25,3 С.

Проверяем полезную разность температур

t_п = t_г1 -t_бк - (t```+ t``+t`) =

=127,4 - 69,1 - (20,7+10,3+2) = 25,3 С.

Тепловые нагрузки корпусов

Составляем тепловые балансы по корпусам и баланс по воде

Q₁ = D(I_гп1 - i₁) = [w₁(I_вп1 - с_вt_к1)](1+m),

Q₂ = w₁(I_гп2 - i₂) = [(G_н - w₁)c₁(t_к2 - t_к1) + w₂(I_вп2 - с_вt_к2)](1+m),

W = w₁+w₂.

где D - расход греющего пара,

с₁ = 3,56 кДж/кгК - теплоемкость раствора после 1-го корпуса,

Энтальпии пара и жидкости [1c. 550]:

I_гп1 = 2716 кДж/кг, i₁ = 535 кДж/кг,

I_гп2 = I_вп1 = 2692 кДж/кг, i₁ = 462 кДж/кг,

I_вп2 = 2625 кДж/кг.

с_в = 4,19 кДж/кгК - теплоемкость воды [1 c. 537],

m = 3% - коэффициент, учитывающий тепловые потери.

Q₁ = D(2716-535)=1,03[w₁(2692-4,19118,5)]

Q₁ = w₁(2692-462)=1,03[(2,50-w₁) 3,56(92,9-118,5)+w₂(2625-4,1992,9)]

1,67 = w₁+w₂

Решая данную систему, получаем:

w₁ = 0,81 кг/с, Q₁ = 1831 кВт,

w₂ = 0,86 кг/с, Q₂ = 1806 кВт,

D = 0,84 кг/с

Поверхность теплообмена

Тепловое сопротивление стенки

где _ст = 0,002 м - толщина стенки трубки;

_ст=17,5 Вт/мК - теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

r₁=r₂=1/5800 мК/Вт- тепловое сопротивление загрязнений[1 .531];

(/) = 0,002/17,5 + 1/5800 + 1/5800 = 4,610^-4 мК/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (первый корпус)

где ₁ = 0,21810^-3 Пас - вязкость конденсата [1 c.537];

₁ = 0,684 Вт/мК - теплопроводность конденсата;

₁ = 937 кг/м³ - плотность конденсата;

t₁ - разность температуры конденсации пара и температуры стен-

ки со стороны пара, предварительно принимаем t₁ = 1 C;

₁ = 2,04(0,684³937²2181000/0,21810^-314)^0,25 =10503 Вт/м²К.

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение для удельного теплового потока:

, тогда

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) =1050314,610^-4 = 4,8 С,

t₂ = t_п - t₁ - t_ст = 8,9 - 4,8 - 1 = 3,1 С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору

₂ = Aq^0,6

,

Теплофизические свойства кипящих растворов NaОН

Параметр	Корпус	Литература
	1	2
Теплопроводность , Вт/(мК) Плотность , кг/м3 Теплоемкость С, Дж/(кгК) Вязкость , мПас Поверхностное натяжение , Н/м Теплота парообразования r, кДж/кг Плотность пара п, кг/м3	0,731 1117 3560 0,52 0,082 2223 1,236	0,732 1190 3320 1,18 0,095 2313 0,199	[2c. 96] [2c. 90] [1c.249] [2c. 92] [1c.526] [1c.548] [1c.548]

A = 7800,731^1,31117^0,51,236^0,06/

/[0,082^0,52223000^0,60,579^0,663560^0,3(0,5210^-3)^0,3] = 11,4

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 11,4(105031)^0,6 = 2944 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ =105031 = 10503 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 29443,1 = 9127 Вт/м².

q₁ q₂ принимаем t₁ = 0,9 С, тогда

₁ =10503(1/0,9)^0,25 = 10783 Вт/м²К.

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) =107830,94,610^-4 = 4,5 С,

t₂ = t_п - t₁ - t_ст = 8,9 - 4,5 - 0,9 = 3,5 С.

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 11,4(107830,9)^0,6 = 2812 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ =107830,9 = 9705 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 28123,5 = 9844 Вт/м².

Условие q₁ q₂ выполняется.

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса

К = 1/(1/10783+ 4,610^-4 + 1/2812) = 1100 Вт/м²К.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (второй корпус)

Принимаем предварительно t₁ = 2 С.

₁ = 2,04(0,682³951²2231000/0,25610^-324)^0,25 = 8577 Вт/м²К.

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) = 857724,610^-4 = 7,9 С,

t₂ = t_п - t₁ - t_ст = 16,4 - 7,9 - 2 = 6,5 С.

Коэффициент теплопередачи от стенки к раствору

A = 7800,732^1,31190^0,50,199^0,06/

/[0,095^0,52313000^0,60,579^0,663320^0,3(1,1810^-3)^0,3] = 9,81

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 9,81(85772)^0,6 = 3406 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ = 85772 = 17154 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 34066,5 =22141 Вт/м².

q₁ q₂ принимаем t₁ = 2,3 С, тогда

₁ = 8577(2/2,3)^0,25 = 8282 Вт/м²К.

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) = 82822,34,610^-4 = 8,8 С,

t₂ = t_п - t₁ - t_ст = 16,4 - 8,8 - 2,3 = 5,3 С.

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 9,81(82822,3)^0,6 = 3627 Вт/м²К.

q₁= ₁t₁ = 82822,3 = 19050 Вт/м².

q₂ = ₂t₂ = 36275,3 = 19226 Вт/м².

Условие q₁ q₂ выполняется.

Коэффициент теплопередачи для второго корпуса

К = 1/(1/8282 + 4,610^-4 + 1/3627) = 1168 Вт/м²К.

Распределение полезной разности температур

Принимаем, что разность температур распределяется по условию равенства поверхности теплообмена корпусов, тогда

t_п = t_п(Q₁/K₁)/[ (Q₁/K₁) + (Q₂/K₂)]

t_п1 = 25,3(1831/1100)/[(1831/1100) + (1806/1168)] = 13,1 С

t_п2 = 25,3(1806/1168)/[(1831/1100) + (1806/1168)] = 12,2 С

Требуемая поверхность теплообмена

F₁= Q₁/K₁t_п1 = 183110³/110013,1 = 127 м².

F₂ = 180610³/116812,2 = 127 м².

Выбираем по ГОСТ 11987-81 аппарат с ближайшей большей поверхностью теплообмена F = 160 м² [3c.183]:

диаметр греющей камеры, не более -1200 мм;

диаметр сепаратора, не более - 2400 мм;

диаметр циркуляционной трубы, не более 800 мм;

высота аппарата, не более 12500 мм;

масса аппарата, не более 8600 кг.

5. Конструктивный расчет

Число нагревательных трубок диаметром 382, высотой 4 м:

n = F/d_cpL

где d_cp = 0,036 м - средний диаметр трубки.

n = 160/0,0364,0 = 354 шт.

Площадь суммарного сечения всех кипятильных трубок:

f_тр = 0,785nd_вн² = 0,7853540,034² = 0,32 м².

Площадь сечения циркуляционной трубы:

f_ц = 0,3f_тр = 0,30,32 = 0,096 м².

Диаметр циркуляционной трубы:

d_ц = (f_ц/0,785)^0,5 = (0,096/0,785)^0,5 = 0,350 м.

Принимаем d_ц = 400 мм.

Диаметр греющей камеры:

,

где = 1,25 - коэффициент шага трубок;

= 60 - при размещении труб по вершинам правильных треугольников;

= 0,8 - коэффициент использования трубной решетки;

d_н = 0,038 м - наружный диаметр трубок;

А - площадь занимаемая циркуляционной трубой.

A = (d_ц+2d_н)² = (0,40+21,250,036)² = 0,24 м²

D = (0,41,25²sin601600,038/0,84 + 0,24)^0,5 = 1,13 м.

Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 1200 мм.

Толщина обечайки:

= DP/2 +C_к

где D = 1,2 м - диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,25 МПа - давление греющего пара;

= 138 МН/м² - допускаемое напряжение для стали [2 c.76];

= 0,8 - коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];

C_к = 0,001 м - поправка на коррозию.

= 1,20,25/21380,8 + 0,001 = 0,003 м.

Cогласно рекомендациям [3 c.24] принимаем толщину обечайки = 8 мм.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 - 78 [3 c.25], толщина стенки днища ₁ = = 8 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26-428-79 [3 c.25]:

Расчет диаметра сепаратора. Принимаем диаметр сепаратора равным D_c=1,6 м, тогда скорость пара в сепараторе:

w_п = W/_п0,785D_c² = 0,810/1,240,7851,6² = 0,33 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re = w_пd_кп/_п,

где d_к = 0,3 мм - диаметр капли;

_п = 1,210^-5 Пас - вязкость пара [1 с.557];

Re = 0,330,310^-31,24/1,210^-5 = 10,2.

Коэффициент сопротивления:

= 18,5/Re^0,6 = 18,5/10.2^0,6 = 4,58.

Скорость витания капли

,

w_вит = [49,8(1117 - 1,24)0,310^-3/34,581,24]^0,5 = 0,88 м/с.

Так как w_п < w_вит, то капли раствора будут оседать под действием силы тяжести, поэтому увеличивать диаметр сепаратора нет необходимости.

Максимальная масса аппарата:

G_max = G_a + G_в,

где G_a = 8600 кг - масса аппарата,

G_в - масса воды заполняющей аппарат.

G_в = 10000,785D²H = 10000,7851,2²12,5 =14130 кг,

где Н = 12,5 м - высота аппарата.

G_max = 8600 +14130 =22730 кг = 0,22 МН.

Принимаем, что аппарат установлен на 4 опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

G_оп = 0,22/4 = 0,055 МН.

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,063 МН, конструкция которой приводятся на рисунке:

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G - массовый расход теплоносителя,

- плотность теплоносителя,

w - скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для пара w = 20 м/с, тогда диаметр штуцера для входа греющего пара

d₁ = (0,84/0,785201,39)^0,5 = 0,199 м,

принимаем d₁ = 200 мм.

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d₁ = (0,84/0,7851937)^0,5 = 0,034 м,

принимаем d₁ = 32 мм.

диаметр штуцера для входа раствора:

d₁ = (2,50/0,78511095)^0,5 = 0,054 м,

принимаем d₁ = 50 мм.

диаметр штуцера для выхода раствора:

d₁ = (1,69/0,78511117)^0,5 = 0,044 м,

принимаем d₁ = 40 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

dусл	D	D2	D1	h	n	d
25	100	75	60	12	4	11
32	120	90	70	12	4	11
40	130	100	80	13	4	14
200	315	280	258	18	8	18

Расчет тепловой изоляции. В качестве материала тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности _и = 0,09 Вт/мК. Принимаем температуру наружной поверхности стенки t_ст.в.=40 С; температуру окружающей среды t_в = 18 С, тогда толщина слоя изоляции:

,

где _в - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду:

_в = 9,3+0,058 t_ст.в. = 9,3+0,05840 = 11,6 Вт/м²К.

_и = 0,09(127,4-40)/11,6(40-18) = 0,031 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 40 мм.

Литературa

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

Овчинников Л.Н., Гусев Е.В. Расчет и проектирование выпарных установок. Учебное пособие. Иваново. 1999.

Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. - Иваново, 2004.

Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры - Л. «Машиностроение», 1975.

Размещено на Allbest.ru