Размещено на http://www.allbest.ru/

Производительность 5,0 т/час упаренного раствора NaОН. Начальная концентрация 5%, конечная 20%. Раствор поступает при температуре кипения. Давление греющего пара 0,145 МПа, вакуум в конденсаторе 620 мм рт.ст.

С выносной камерой

ВВЕДЕНИЕ

Выпаривание- это 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. Технологическая схема

Исходный раствор центробежным насосом Н подается в кожухотрубный теплообменник ТО, где нагревается до заданной температуры и поступает в выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой ВА. 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 выпарного аппарата поступает на дальнейшую переработку. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар, поступает в барометрический конденсатор БК, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор NaОН 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. Материальный расчет

Производительность установки по выпариваемой воде:

W = G_к(х_к/х_н - 1) = 1,39(20/5 - 1) = 4,17 кг/с,

G_к = 5000/3600 = 1,39 кг/с

Производительность установки по упаренному раствору:

G_н= G_к + W = 1,39+4,17 = 5,56 кг/с.

4. Температура кипения раствора

Температура и давление греющего и вторичного пара [1c550]:

Р_гп = 0,145 МПа t_гп = 110,3 С;

Р_бк = Р_ат - В_бк = 101,3 - 82,6 = 18,7 кПа t_бк = 58,6 С;

В_бк = 620 мм рт.ст. = 620·133,3 = 82646 Па = 82,6 кПа

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

t_вп = t_бк + ``` = 58,6 + 1 = 59,6 С Р_вп = 19,6 кПа.

Оптимальная высота раствора в трубках:

h_опт = Н[0,26+0,0014( - _в);

где Н = 4 м - высота кипятильных трубок;

= 1196 кг/м³ - плотность раствора [2 c. 90];

_в = 983 кг/м³ - плотность воды.

h_опт = 4[0,26+0,0014(1196 - 983) = 2,23 м.

Давление и температура в среднем слое раствора:

Р_ср = Р_вп + 0,5h_оптg = 19,610³ + 0,52,2311969,8 = 32,710³ Па t_ср = 71,1 С.

Гидростатическая депрессия:

`` = t_cp - t_вп = 71,1 - 59,6 =11,5 С.

Температурная депрессия:

где `_ат = 8,2 С - температурная депрессия при атмосферном давлении [1 c.535],

r = 2330000 кДж/кг - теплота испарения при t_cp [1c.550].

` = 16,2(273+71,1)²8,2/2330000 = 6,8 C.

Температура кипения и полезная разность температур:

t_к = t_вп+``+` = 59,6+ 6,8+11,5 = 77,9 C,

t_п = t_гп - t_к = 110,3 - 77,9 = 32,4 С.

5. Определение тепловой нагрузки аппарата

Q = W(I_вп - с_вt_к)(1+m),

где t_н - начальная температура раствора,

с_н = 3,98 кДж/кгК - теплоемкость начального раствора [1c 248],

I_вп = 2608 кДж/кг - энтальпия вторичного пара [1c. 550],

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

m = 3% - коэффициент, учитывающий тепловые потери.

Q = 4,17(2608- 4,1977,9)](1 + 0,03) = 9800 кВт.

Расход греющего пара:

D = Q/r = 9800/2229 = 4,40 кг/с.

6. Коэффициент теплопередачи

,

где ₁ и ₂ - коэффициенты теплоотдачи от пара к стенке и от стенки к раствору;

(/) - тепловое сопротивление стенки.

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

_ст = 17,5 Вт/мК - теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529]; r₁ = r₂ = 1/5600 мК/Вт - тепловое сопротивление загрязнений стенок

(/) = 0,002/15,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,610^-4 мК/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке трубки:

где ₁ = 0,25410^-3 Пас - вязкость конденсата [1 c.537];

₁ = 0,682 Вт/мК - теплопроводность конденсата;

₁ = 951 кг/м³ - плотность конденсата;

t₁ - разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем t₁ = 5 C;

Н = 4 м - высота нагревательных трубок.

₁ = 2,04(0,682³951²2229000/0,25410^-354)^0,25 = 6833 Вт/м²К.

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение для удельного теплового потока:

, тогда

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) = 683354,610^-4 =15,7 С,

t₂ = t_п - t₁ - t_ст = 32,4 - 15,7 - 5 =11,7 С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору:

₂ = Aq^0,6

,

где ₁ = 0,717 Вт/мК - теплопроводность раствора [2 c. 94];

_п = 0,128 кг/м³ - плотность вторичного пара [1c. 550];

₀ = 0,579 кг/м³ - плотность пара при атмосферном давлении;

₁ = 0,086 Н/м - поверхностное натяжение раствора [1 c.526];

c₁ = 3610 Дж/кгК - теплоемкость раствора [1 c. 248];

₁ = 1,1310^-3 Пас - вязкость раствора [2 c. 92].

A=7800,717^1,31196^0,50,128^0,06/0,086^0,52330000^0,60,579^0,663610^0,3(1,1310^-3)^0,3= = 7,81,

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 7,81(68335)^0,6 = 4100 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ = 68335 = 34165 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 410011,7 = 47972 Вт/м².

q₁ q₂ принимаем t₁ = 5,9 С, тогда

₁ = 6833(5/5,9)^0,25 = 6556 Вт/м²К.

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) = 65565,94,610^-4 =17,8 С,

t₂ = t_п - t₁ - t_ст = 32,4 - 17,3 - 5,9 = 8,7 С.

₂ = A(₁t₁)^0,6 = 7,81(65565,9)^0,6 = 4417 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ = 65296,0 = 38680 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 44178,7 = 38429 Вт/м².

q₁ q₂

Коэффициент теплопередачи:

К = 1/(1/6529 + 4,610^-4 + 1/4417) = 1191 Вт/м²К.

Требуемая поверхность теплообмена:

F = Q/Kt_п = 980010³/119132,4 =254 м².

выпаривание конденсатор циркуляционный нагрузка

Выбираем по ГОСТ 11987-81 аппарат с ближайшей большей поверхностью теплообмена F =315 м²:

диаметр греющей камеры, не более -1600 мм;

диаметр сепаратора, не более - 3600 мм;

диаметр циркуляционной трубы, не более 1000 мм;

высота аппарата, не более 15000 мм;

масса аппарата, не более 21000 кг.

7. Конструктивный расчет

Число нагревательных трубок диаметром 382, высотой 4 м:

n = F/d_cpL

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

n = 315/0,0364,0 = 696 шт.

Площадь суммарного сечения всех кипятильных трубок:

f_тр = 0,785nd_вн² = 0,7856960,034² = 0,63 м².

Площадь сечения циркуляционной трубы:

f_ц = 0,3f_тр = 0,30,63 = 0,189 м².

Диаметр циркуляционной трубы:

d_ц = (f_ц/0,785)^0,5 = (0,189/0,785)^0,5 = 0,491 м.

Принимаем d_ц = 500 мм.

Диаметр греющей камеры:

,

где = 1,25 - коэффициент шага трубок;

= 60 - при размещении труб по вершинам правильных треугольников;

= 0,7 - коэффициент использования трубной решетки;

d_н = 0,038 м - наружный диаметр трубок;

А = 0 - при отсутствии в трубной решетке отверстия для циркуляционной трубы.

D = (0,41,25²sin603150,038/0,74)^0,5 = 1,52 м.

Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 1600 мм.

Толщина обечайки:

= DP/2 +C_к

где D = 1,6 м - диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,145 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.

= 1,60,145/21380,8 + 0,001 = 0,003 м.

Согласно рекомендациям [3 c.24] принимаем толщину обечайки = 10 мм.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 - 78 [3 c.25], толщина стенки днища ₁ = = 10 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Максимальная масса аппарата:

G_max = G_a + G_в,

где G_a = 21000 кг - масса аппарата,

G_в - масса воды заполняющей аппарат.

G_в = 10000,785D²H = 10000,7851,6²15,0 = 30144 кг,

где Н = 15,0 м - высота аппарата.

G_max = 21000 + 30144 = 51144 кг = 0,50 МН.

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

G_оп = 0,50/4 = 0,125 МН.

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,16 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 = 25 м/с, тогда

диаметр штуцера для входа греющего пара:

d₁ = (4,40/0,785250,84)^0,5 = 0,516 м,

принимаем d₁ = 500 мм.

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d₁ = (4,40/0,7851951)^0,5 = 0,077 м,

принимаем d₁ = 80 мм.

диаметр штуцера для входа раствора:

d₁ = (5,56/0,78511025)^0,5 = 0,083 м,

принимаем d₁ = 80 мм.

диаметр штуцера для выхода раствора:

d₁ = (1,39/0,78511196)^0,5 = 0,038 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
40	130	100	80	13	4	14
80	185	150	128	18	4	18
500	620	580	544	25	20	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(110,3-40)/11,6(40-18) = 0,025 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 30 мм.

Расчет диаметра сепаратора. Принимаем диаметр сепаратора равным D_c = 2,4 м, тогда скорость пара в сепараторе:

w_п = W/_п0,785D_c² = 4,17/0,840,7852,4² = 1,1 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 = 1,10,310^-30,84/1,210^-5 = 23,1.

Коэффициент сопротивления:

= 18,5/Re^0,6 = 18,5/23,1^0,6 = 2,82.

Скорость витания капли

,

w_вит = [49,8(1196 - 0,84)0,310^-3/32,820,84]^0,5 = 1,4 м/с.

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

9. Расчет барометрического конденсатора

Принимаем начальную температуру воды поступающую в барометрический конденсатор t_вн = 20 С, тогда расход охлаждающей воды:

где I_бк = 2606 кДж/кг - энтальпия пара в конденсаторе;

t_бк = 58,6 С - температура пара в конденсаторе;

t_вк - конечная температура воды на выходе из барометрического конденсатора;

t_вк = t_бк - 3 = 58,6 - 3 = 55,6 С.

G_в = [4,17(2606 - 4,1955,6)]/4,19(55,6-20) = 66,3 кг/с.

Диаметр барометрического конденсатора:

,

где _п = 0,123 кг/м³ - плотность пара в конденсаторе;

v_п = 15 м/с - скорость пара в конденсаторе;

d_бк = (4,17/0,785150,123)^0,5 = 1,65 м.

Выбираем барометрический конденсатор с диаметром корпуса 1600 мм, диаметр барометрической трубы которого равен d_бт = 0,3 м.

Высота барометрической трубы:

,

где В = 82,6 кПа - вакуум в барометрическом конденсаторе;

- сумма местных сопротивлений;

v_в - скорость воды в барометрической трубе;

= _вх+_вых = 0,5+1,0 = 1,5,

где _вх - сопротивление на выходе из трубы;

_вых - сопротивление на входе в трубу.

v_в = (G_в+W)/0,785_вd_бт² = (4,17+66,3)/0,78510000,30² = 1,00 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re = v_вd_бтв/_в = 1,0010000,30/0,6510^-3 = 461538

где _п = 0,6510^-3 Пас - вязкость воды [1 с.537].

Коэффициент трения для гладких труб:

= 0,316/Re^0,25 = 0,316/461538^0,25 = 0,012.

Н_бт = 82600/10009,8 + (1+1,5+0,012Н_бт/0,30) + 0,5

Решая это уравнение находим Н_бт = 8,5 м.

Производительность вакуум-насоса:

G_воз=2,510^-5(W+G_в)+0,01W = 2,510^-5(4,17+66,3) + 0,014,17=0,043 кг/с.

Объемная производительность насоса:

V_воз = R(273+t_воз)G_воз/М_возР_воз,

где R = 8310 Дж/кмольК - универсальная газовая постоянная.

t_воз = t_вн+4+0,1(t_к - t_н) = 20+4+0,1(55,6 - 20) = 27,6 C

P_воз = Р_бк - Р_нп = 18,7 - 3,7 = 15,0 кПа

Р_нп = 3,7 кПа - давление насыщенного пара при 27,6 С.

V_воз = 8310(273+27,6)0,043/2915000 = 0,275 м³/с =16,5 м³/мин.

По этой величине выбираем вакуум-насос типа ВВН-25, для которого производительность равна 25 м³/мин; мощность на валу 48 кВт [3 c.188].

Литература

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

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

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

Размещено на Allbest.ru