Процесс выпаривания раствора кальция хлорид

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов), по её расположению в пространстве (аппараты с горизонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией.

Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.

В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.

Ниже подробно рассмотрены лишь наиболее распространённые, главным образом типовые конструкции аппаратов.

При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счёт увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагревательная камера легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две нагревательные камеры.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу раствора производят так, как указано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1.5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередачи аппараты такого типа получили широкое распространение.

В некоторых конструкциях аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т. е. Аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизирующихся растворов.

1.Технологический расчет

1.1 Определение производительности установки по выпариваемой воде

W = Q* (1-XН/ХК) = 1,39*(1-3/40) = 1,29 кг/с. (1.1)

1.2 Расчёт концентраций упариваемого раствора

Принимают, что производительность каждого корпуса по выпариваемой воде определяется соотношением W1:W2:W3 = 1,0 : 1,1 : 1,2 (такое распределение на основании практических данных). Тогда

Рассчитывают концентрации раствора по корпусам.

(1.2)

X3 соответствует заданной концентрации упаренного раствора XК.

1.3 Определение температур кипения растворов

В первом приближении общий перепад давлений в установке распределяют по корпусам поровну. Общий перепад давлений равен:

PОБ= Pr1 - PБК = 0,9-0,0133 = 0,8867 МПа. (1.3)

Тогда давление по корпусам равны:

Pr1 = 0,9МПа.;

Pr2 = Pr1 - PОБ/3 = 0,9- 0,8867 /3 = 0,9-0,296=0,604 МПа;

Pr3 = Pr2 - PОБ/3 = 0,604 - 0,8867 /3 = 0,309 МПа.

Давление пара в барометрическом конденсаторе:

PБК = Pr3 - PОБ/3 = 0,309 - 0,8867 /3 = 0,0133 Па.

Это соответствует заданной величине PБК.

По давлению паров находим их температуры и энтальпии [1] стр.524, тб.LVII:

Давление, МПа	Температура, оС.	Энтальпия, кДж/кг.
Pr1 = 0,9	tr1 = 174	J1 = 2780
Pr2 = 0,604	tr2 = 157,8	J2 = 2765
Pr3 =0,309	tr3 = 133,4	J3 = 2734
PБК = 0,0133	tБК = 50,5	JБК = 2592

При определении температуры кипения растворах в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией соответствуют модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора - при конечной концентрации.

По высоте кипятильных труб происходит изменение температуры кипения вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Принимают температуру кипения в корпусе соответствующую температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь от температурной (/), гидростатической (//) и гидродинамической (///) депрессий.

Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления паром на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах /// принимают равной 1,0 1,5 градуса на корпус. Примем /// для каждого корпуса по 10, тогда температуры вторичных паров в корпусах будут равны:

Сумма температурных потерь вследствие гидродинамических депрессий

По температурам вторичных паров определим их давления.

Температура, оС	Давление, МПа
tВ1 = 158,8	PВ1 = 0,6167
tВ2 = 134,4	PВ2 = 0,314
tВ3 = 51,5	PВ3 = 0,0136

Определение гидростатической депрессии. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса определяется по уравнению:

PСР = PВ + H . . q . / 2, (1.4)

где PВ - давление вторичного пара в корпусе, Па;

H - высота кипятильных труб в аппарате, м;

- плотность кипящего раствора, кг.м3;

- паронаполнение (объёмная доля пара в парожидкостной смеси), м3/м3.

Для выбора величины H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. Можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией раствора q = 30000 50000 Вт/м2, аппаратов с принудительной циркуляцией раствора в корпусах q = 80000 100000 Вт/м2. Примем q = 40000 Вт/м2, тогда для 1-го корпуса ориентировочная поверхность будет равна:

где r1 - теплота парообразования вторичного пара,2093•103 Дж/кг.

По ГОСТу [2] (см. приложение 1) аппарата с естественной циркуляцией, выносной греющей камеры и кипением раствора в трубках (Тип 1, исполнение 2) имеют высоту кипятильных труб 4 и 5 м при диаметре труб dН = 38 мм и толщине стенки СТ = 2 мм. Примем высоту кипятильных труб H = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет - 0,4 0,6. Примем = 0,5. Плотность водных растворов CaCl2 [3] (см. стр.501) по корпусам при t = 200C равна

1 = 1038,5 кг/м3; 2 = 1075 кг/м3; 3 = 1395,7 кг/м3;

При определении плотности раствора в корпусах пренебрегаем изменением её с повышением температуры от 200С до температуры кипения в связи с малым значением коэффициента объёмного расширения и ориентировочным значением величины .

Давление в среднем слое кипятильных труб по корпусам равно:

P1СР = PB1 + H . 1 . g1 . / 2 = 0,6167 . 106 + 4 . 1038,5 . 9.8. 0,5/ 2 = 0,627 . 106 Па;

P2СР = PB2 + H . 2 . g2 . / 2 = 0,314 . 106 + 4 . 1075 . 9.8. 0,5/ 2 = 0,325 . 106 Па;

P3СР = PB3 + H . 3 . g3 . / 2 = 0,0136 . 106 + 4 . 1395,7 . 9.8. 0,5/ 2 = 0,0273 . 106 Па.

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1] стр.524, тб.LVII:

Давление, Па	Температура, оС	Теплота испарения, кДж/кг
P1СР = 0,627 . 106	t1СР = 159,3	rВ1 =2090
P2СР = 0,325 . 106	t2СР = 135	rВ2 =2165
P3СР = 0,027 . 106	t3СР = 66	rВ3 =2340

Гидростатическая депрессия по корпусам:

Сумма гидростатических депрессий равна



Температурная депрессия / определяется по уравнению:

(1.5)

где T - температура паров в среднем слое кипятильных труб, K,

ra- теплота испарения, кДж/кг,

- температурная депрессия при атмосферном давлении [3] (см. приложение № 3).

Тогда температурная депрессия по корпусам равна:

Сумма температурных депрессий равна

Температуры кипения раствора по корпусам:

При расчёте температуры кипения в плёночных выпарных аппаратах (тип V и VI, см. приложение №1) не учитывают гидростатическую депрессию //. Температуру кипения находят как среднюю между температурами кипения растворов с начальной и конечной концентрациями при давлении в данном корпусе.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения как с принудительной, так и с естественной циркуляцией кипение раствора происходит в трубе вскипания, устанавливаемой над греющей камерой (тип II, III и тип IV, см. приложение №1). Кипение в трубах предотвращается за счёт гидростатического столба жидкости в трубе закипания. В греющих трубках происходит перегрев жидкости по отношению к температуре кипения на верхнем уровне раздела фаз, Поэтому в этих аппаратах температуру кипения раствора также определяют также без учёта гидростатических температурных потерь //. Температура перегрева раствора tПЕР может быть найдена из внутреннего баланса тепла в каждом корпусе. Баланс тепла для j корпуса записывается в следующем виде:

Gнj . Cнj . (tкj - tкj-1) + M. Cнj. tперj (1.6)

где M - производительность циркуляционного насоса, кг/с определяют по каталогу [4] для выпарного аппарата заданного типа, имеющего поверхность равную FОР.

Циркуляционные насосы в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечивают развитый турбулентный режим при скоростях раствора в трубках V = 2,0 2,5 м/с.

В аппаратах с вынесенной нагревательной камерой и естественной циркуляцией раствора обычно достигаются скорости V = 0,6 0,8 м/с. Для этих аппаратов масса циркуляционного раствора равна:

M = V . S . ,

Где S - сечение потока в аппарате, м2.

где dВН - внутренний диаметр труб, м;

H - принятая высота труб, м.

Таким образом, температура перегрева в j - ом аппарате равна:

(1.7)

Полезная разность температур в этом случае может быть рассчитана по уравнению:

(1.8)

1.4 Полезные разности температур по корпусам

tП1 = tг1 - tК1 = 174 - 160,3 = 13,7 оС.

tП2 = tг2 - tК2 = 157,8 - 136,66 = 21,14 оС.

tП3 = tг3 - tК3 = 133,4 - 81,12 = 52,28 оС.

Суммарная полезная разность температур:

tП =tП1 + tП2 + tП3 = 13,7 + 21,14 + 52,28 = 87,12 оС.

Проверка суммарной полезной разности температур:

tП = tг1 - tБК1 - (/ + // + ///) =174 -50,5 - (17,8+ 15,6 +3,0) = 87,1 оС.

1.5 Определение тепловых нагрузок

Совместным решением уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения балансов по воде для всей установки определяем расход греющего пара в 1-ый корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам.

Q1 = D1 . (JГ1 - i1) = 1,03. [GН . CН . (tК1 - tК) W1 . (JВ1 - CВ . tК1) + Q1 КОНЦ]; (1.9)

Q2 = W1 . (JГ2 - i2) = 1,03. [(GН - W1) . C1 . (tК2 - tК1) + W2 . (JВ2 - CВ . tК2) + Q2 КОНЦ]; (1.10)

Q3 = W2 . (JГ3 - i3) = 1,03. [(GН - W1 - W2) . C2 . (tК3 - tК2) + W3 . (JВ3 - CВ . tК3) + Q3 КОНЦ]; (1.11)

W = W1 + W2 + W3. (1.12)

Где Q1, Q2 ,Q3 - тепловые нагрузки по корпусам, кВт;

D - расход греющего пара в 1-ый корпус, кг/с;

1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду;

J1, J2, J3 энтальпии греющих паров по корпусам кДж/кг;

JВ1, JВ2, JВ3 - энтальпии вторичных паров по корпусам кДж/кг;

При решении уравнения баланса можно принимать, что

JВ1 JГ2; JВ2 JГ3; JВ3 JБК;

i1, i2, i3 - энтальпии конденсата по корпусам, кДж/кг;

СВ - теплоёмкость воды кДж/кг . К;

СН, C2, C3 - теплоёмкость раствора начальной концентрации в первом корпусе и втором корпусе, соответcтвенно, кДж/кгК, [3];

Q1 КОНЦ, Q2 КОНЦ, Q3 КОНЦ - теплота концентрирования по корпусам, кВт;

tн - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе, оС.

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры [5] показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому проведём расчёт теплоты концентрирования для 3-го корпуса.

Q3 КОНЦ = GСУХ . q, (1.13)

где Q3 КОНЦ - производительность аппарата по сухому веществу СaCl2, кг/с;

q - разность интегральных теплот растворения при концентрациях X2 и X3, кДж/кг.

Q3 КОНЦ = GП . XН . q = 1,39 . 0,03 . (850 - 417,6) = 10,4 Вт.

Сравним Q3 КОНЦ с ориентировочной нагрузкой для 3-го корпуса Q3 ОР:

Q3 ОР = (GН - W1 - W2) С . (tК3 - tК2) + W3 . (JВ3 - CВ . tК3) = (1,39 - 0,39 - 0,43) . 3,58 . (133,66 - 160,3) + 0,47 . (2592 - 4,19 . 81,12) =1113 кВт.

Q3 КОНЦ составляет значительно меньше 3% от Q3 ОР, поэтому в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q3 КОНЦ

Q1 = D . (2780 - 740) = 1,03 .[1,39 . 3,7 . (160,3-158,9)+W1.(2737 - 4,19 . 160,3)];

Q2=W1.(2765-650)=1,03.[(1,39-W1).3,68.(136,66-160,3)+W2.(2710 - 4,19 . 136,66)];

Q3=W2(2734-560)=1,03.[(1,39-W1-W2)3,6.(81,12-136,66)+W3(2632-4,19. 81,12)]

1,29 = W1 + W2 + W3.

Решение системы уравнений даёт следующие результаты:

D = 0,423 кг/с, W1 = 0,405 кг/с, Q1 = 871 кВт, W2 = 0,435 кг/с, Q2 = 858,5 кВт, W3 = 0,456 кг/с, Q3 = 954,4 кВт

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (W1 = 0,39 кг/с, W2 = 0,43 кг/с, W3 = 0,47 кг/с) не превышает 3%, поэтому в дальнейших расчётах не производим пересчёт концентраций и температур кипения растворов по корпусам. В случае, если это расхождение составит больше 5%, необходимо заново пересчитать концентрации, температурные депрессии и температуры кипения растворов, положив в основу расчёта новое, полученное из решения балансовых уравнений распределение по корпусам нагрузок по испаряемой воде.

Таблица 1. Параметры растворов и паров по корпусам.

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус
1	Производительность по упариваемой воде, W, кг/с.	0,406	0,435	0,456
2	Концентрация растворов, X, %	4,7	8,9	40
3	Давление греющих паров, PГ, Па	0,9 . 106	0,604 . 106	0,309 . 106
4	Температура греющих паров, tГ, ОC	174	157,8	133,4
5	Температурные потери, , град.	2,5	3,22	30,62
6	Температура кипения раствора, , tК, ОC	160,3	136,66	81,12
7	Полезная разность температур, tП, град.	13,7	21,14	52,28

1.6 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора CaCl2 в интервале изменения концентраций от 3 до 40% [6]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки X17, имеющая скорость коррозии менее 0,1 мм в год, коэффициент теплопроводности СТ = 25,1 Вт/м . К.

1.7 Расчёт коэффициентов теплопередачи

Расчёт коэффициента теплопередачи в первом корпусе

. (1.14)

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара 1 к стенке [1] равен

, (1.15)

где r1 - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

Ж1, Ж, Ж плотность (кг/м2), теплопроводность (Вт/м.К), вязкость (Паc) конденсата при средней температуре плёнки, соответственно,

tПЛ = tГ1 - t1/2,

t1 - разность температур конденсации пара и стенки, град..

Расчёт 1 ведут методом последовательных приближений.

1-ое приближение.

Примем - t1 = 2,00 C, тогда

tПЛ = tГ1 - t1/2=174-1=173 С

Ж1=843 кг/м3

Ж=0,77 Вт/м.К

Ж=0,000123 Па c

r=2065000 Дж/кг

Проверяем правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо

(1.16)

где

q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

tСТ - перепад температур на стенке, град;

t2 - разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

tСТ = 1 . t1 . / = 10420. 2 . 2,87 . 10-4 = 5,98 OC.

Тогда

t2 = tП1 - tСТ - t1 = 13,7 -5,98 -2,0 = 5,72 OC.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для режима пузырькового кипения в вертикальных пузырьковых трубках при условии естественной циркуляции раствора [7] равен:

q1 = 1 . t1 = 10422 . 2 = 20844 Вт/м2;

q2 = 2 . t2 = 2505 . 5,72 = 14325 Вт/м2;

Таблица 2. Физические свойства кипящих растворов и паров по корпусам

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус	Литература
1	Теплопроводность раствора, , Вт/м . К	0,59	0,59	0,55	[6]
2	Плотность раствора,, кг/м3	1040	1075	1400	[3]
3	Теплоёмкость раствора,C, Вт/кг . К	3884	3702	2458	[3]
4	Вязкость раствора,, Па . с	0,1. 10-3	0,16. 10-3	0,6. 10-3	[9]
5	Поверхностное натяжение, , Н/м	0,072	0,074	0,08	[8,9]
6	Теплота парообразования, rВ, Дж/кг	2090. 103	2165. 103	2340. 103	[1]
7	Плотность пара, П, кг/м3	1,29	1,22	0,91	[1]
8	Плотность пара при 1 атм., 0, кг/м3	2,04	1,82	1,13	[1]

2-ое приближение.

Примем - t1 = 3,00 C, тогда

tПЛ = tГ1 - t1/2=174-3=171С

tСТ = 9417. 3 . 0,287 . 10-3 = 8,1 OC.

t2 = 13,7-8,1 -3= 2,59OC.

q1 = 9417 . 3 = 28252 Вт/м2;

q2 = 3007 . 2,59= 7793,7 Вт/м2;

3-ье приближение.

Примем - t1 = 1,50 C, тогда

tПЛ = tГ1 - t1/2=174-1,5=1725С

tСТ = 11199. 1,5 . 0,287 . 10-3 = 4,8 OC.

t2 = 13,7-4,8 -1,5= 7,38OC.

q1 = 11199 . 1,5 = 16798 Вт/м2;

q2 = 2201 . 7,38= 16243,6 Вт/м2;

4-ое приближение.

Примем - t1 = 1,45 0C, тогда

tСТ = 11296. 1,45 . 0,287 . 10-3 = 4,7 OC.

t2 = 13,7-1,45 -4,7 = 7,55OC.

q1 = 11296 . 1,45 = 16370 Вт/м2;

q2 = 2167,56 . 7,55= 16370 Вт/м2;

Если расхождение тепловых нагрузок не превышает 3%, то на этом расчёт коэффициентов 1 и 2 заканчивают.

Расчёт коэффициента теплопередачи во 2-ом корпусе.

Аналогично расчету для первого корпуса.

tСТ = 8417. 3,3 .0,287 . 10-3 = 7,97 OC.

t2 = 21,14 -3,3 -7,97 = 9,87 OC.

q1 = 8417 . 3,3 = 27776 Вт/м2;

q2 = 1975 . 9,87= 19491 Вт/м2;

Примем - t1 = 2,5 0C, тогда

tСТ = 9022. 2,5 . 0,287 . 10-3 = 6,47 OC.

t2 = 21,14-2,5 -6,47 = 12,17 OC.

q1 = 9022 . 2,5 = 22554,9 Вт/м2;

q2 = 1743,2 . 12,16= 21209 Вт/м2;

Примем - t1 = 2,33 0C, тогда

tСТ = 9182. 2,33 . 0,287 . 10-3 = 6,14 OC.

t2 = 21,14-2,33 -6,14=12,67 OC.

q1 = 9182 . 2,33 = 21394,5 Вт/м2;

q2 = 1689 . 12,67= 21397 Вт/м2;

Расчёт коэффициента теплопередачи в 3-ьем корпусе.

Расчеты для третьего корпуса аналогичны как для первых двух поэтому запишем только окончательный вариант.

tСТ = 11314 . 2,4 .0,287 . 10-3 = 7,7 OC.

t2 = 52,28 -7,7 -3,4 = 42 OC.

q1 = 11314 . 2,4 = 26837,7 Вт/м2;

q2 = 635. 42,2 = 26835 Вт/м2;

1.8 Распределение полезной разности температур

Распределение полезной разности температур по корпусам проводим из условия равенства поверхностей теплопередачи в аппаратах установки.

(1.17)

где tПj, Qj, Kj полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j -го корпуса.

Проверка суммарной полезной разности температур установки:

tП = tП1 + tП2 + tП3 = 30,29 + 27,56 + 29,26 = 87,1 0C.

1.9. Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Как видно, полезные разности температур рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные с помощью приближения из условия равенства поверхностей теплопередачи отличаются не существенно. Поэтому с достаточной точностью оставляем распределение температуры и давления принятые изначально между корпусами.

Параметры распределения между корпусами приведены в таблице:

№	Наименование параметра	1-й корпус	2-й корпус	3-й корпус
1	Производительность по упариваемой воде, W, кг/с.	0,406	0,435	0,456
2	Концентрация растворов, X, %	4,7	8,9	40
3	Давление греющих паров, PГ, Па	0,9 . 106	0,604 . 106	0,309 . 106
4	Температура греющих паров, tГ, ОC	174	157,8	133,4
5	Температурные потери, , град.	2,5	3,22	30,62
6	Температура кипения раствора, , tК, ОC	160,3	136,66	81,12
7	Полезная разность температур, tП, град.	12,64	23,32	51,14

Различия между разностей температур:

1 корпус 12,6413,7

2 корпус 23,3221,14

3 корпус 51,1452,28

Различия между ними не превышает 5 % , поэтому оставляем принятое распределение между корпусами

Найденные значения поверхности теплопередачи выпарных аппаратов отличаются незначительно от ориентировочно определённой ранее FОР. Поэтому в последующих приближениях нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов (высота, диаметр и число труб).

По каталогу [4] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками.

Номинальная поверхность теплообмена FН = 25 м2.

Диаметр труб d = 38 x 2 мм.

Высота труб H = 4000 мм.

Диаметр греющей камеры dК = 600 мм.

Диаметр сепараторов dС = 1000 мм.

Общая высота аппарата HА = 12500 мм.

Масса аппарата MА = 3000 кг.

1.10 Расчет тепловой изоляции выпарного аппарата

Расчет тепловой изоляции выпарного аппарата заключается в определении ее толщины.

Толщину тепловой изоляции выпарного аппарата ди находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

*бв = 9,3 + 0,058tcm2

- коэффициент теплоотдачи от внешней

поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2•К)

tcm2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении, tcm2 выбирают в интервале 35 - 45 °С;

tcт1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tcт1 принимают равной температуре греющего пара tг1

tв - температура окружающей среды (воздуха), te = 20 °С;

ли - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м•К)

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1 - го корпуса:

б = 9,3 + 0,058•35 = 11,33 Вт/(м2•К). (1.18)

В качестве материала для тепловой изоляции выбираем совелит [6], имеющий коэффициент теплопроводности ли =0,09 Вт/(м•К)

Тогда получим

d = (0,09•(174-35))/(11,33•(35-20))=0,073 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,073 м и для других корпусов.

1.11 Расчет штуцеров выпарной установки

Условный проход штуцера считается по формуле:

dу = (1.19)

где G - расход, м3/с;

u - скорость, м/с.

с - плотность, кг/м3

Штуцер для входа исходной смеси:

си = 1040 кг/м3

dисх = = 0,078 м

Принимаем dисх = 80 мм.

Штуцер для выхода упаренного раствора:

dуп = м

Принимаем dуп = 85 мм.

Штуцер для входа греющего пара:

с = 0,75 кг/м3

dг = м

Принимаем dг = 400 мм.

Штуцер для выхода вторичного пара:

свт = 2,04 кг/м3

dвт = м

Принимаем dвт = 400 мм.

Штуцер для выхода конденсата:

с = 1000 кг/м3

dК = м

Принимаем dК = 50 мм.

1.12 Расчёт барометрического конденсатора

1.12.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды определим из теплового баланса конденсатора:

, (1.20)

где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

- начальная температура охлаждающей воды, С;

- конечная температура смеси охлаждающей воды и конденсата, С.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 градусов. Поэтому температуру воды на выходе из конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров :

Энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, при температуре :

Средняя температура воды:

Удельная теплоёмкость воды при температуре :

- расход вторичного пара, поступающего в барометрический конденсатор, кг/с. Так как, часть вторичного пара, образующегося в выпарном аппарате, расходуется на нагрев исходного раствора в подогревателе (), то:

1.12.2 Диаметр барометрического конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода:

, (1.21)

где - плотность паров, кг/м3;

- скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров . Примем .

Плотность паров при температуре :

1.12.3 Выбор барометрического конденсатора

Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему большему [ОСТ 26-01-716-83].

Барометрический конденсатор: внутренний диаметр

Условный проход штуцера для барометрической трубы

1.12.4 Высота барометрической трубы

Скорость воды в барометрической трубе равна:

. (1.22)

Плотность воды при температуре :

Высота барометрической трубы:

, (1.23)

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений;

- коэффициент трения в барометрической трубе;

0.5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

Вакуум в барометрическом конденсаторе:

Сумма коэффициентов местных сопротивлений:

,

где - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:



Коэффициент динамической вязкости воды при температуре :

При таком значении Re коэффициент трения для гладких труб.

Окончательно имеем:

1.13 Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

, (1.24)

где 0.000025 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

- количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

, (1.25)

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмольК);

- молекулярная масса воздуха, кг/моль;

- температура воздуха, К;

- парциальное давление сухого насыщенного пара (Па) в барометрическом конденсаторе при температуре воздуха:

Давление воздуха :

,

где - давление сухого насыщенного пара при температуре :

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Зная объемную производительность и остаточное, давление по каталогу выбираем вакуум-насос типа ВВН-12 мощностью на валу

1.14 Расчет теплообменного аппарата для подогрева исходной смеси

1.14.1 Определение средних температур теплоносителей

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:

Средняя температура раствора:

1.14.2 Тепловой баланс подогревателя

Из расчета известен расход греющего пара:

Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры до температуры найдем по формуле:

, (1.26)

где r - удельная теплота парообразования при температуре [1, табл. LVI], Дж/кг:

1.14.3 Выбор подогревателя

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от конденсирующегося пара к жидкости [1, табл. 4.8]:

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена:

=

По каталогу [ГОСТ 15118-79] выбираем аппарат кожухотрубчатый теплообменник, изготовленный со следующими характеристиками:

Одноходовой

Dн=273 мм - наружный диаметр

d=25x2 мм - диаметр греющих труб

F=9 м2 - поверхность теплообмена

L=3 м - длина труб

N=37 - количество труб в трубной решетке

1.15 Выбор емкостей для исходной смеси и упаренного раствора

Большинство емкостей представляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндрические аппараты. При проектировании емкостей основными руководящими документами являются нормали и Государственные стандарты.

По номинальному объему аппарата выбирают его основные конструктивные размеры (диаметр, высоту), которые должны соответствовать ГОСТ 9931-85.

Расчет емкостей для разбавленного и упаренного раствора ведем из условий шестичасовой (сменной) работы выпарного аппарата, т.е. t = 6ч.

Объём емкости для разбавленного (исходного) раствора

Vисх = Gн•ф•3600 / сн•f. (1.27)

Vисх = 1,39•6•3600 / 1038,5• 0,8 = 30,43 м3

где : - количество (кг/ч) и плотность (кг/м3) исходного раствора;

- коэффициент заполнения емкости, = 0,8 - 0,9.

Устанавливаем емкость ГЭЭ-2 объемом 32 м3 диаметром 3,2 м и длиной 4,42 м.

Объем емкости упаренного раствора

VУ = (GH-W)?ф?3600 / сP•. (1.28)

VУ = (1,39-0,39-0,43)•6•3600 / 1396•0,8 = 13,6 м3

где - количество (кг/ч) и плотность (кг/м3) упаренного раствора.

Устанавливаем емкость объемом 16,5 м3 диаметром 2,4 м и длиной 2,7 м.

2. Механический расчет

2.1 Определение толщины стенки теплообменного аппарата

Обечайка аппарата, работающая под внутренним давлением

Материал обечайки - сталь 12X18H10Т ГОСТ 5632-72

Расчётная температура стенки:

Наибольшая температура среды в аппарате tc=t1= 174 C

t=max(tc = 20 C)= 174

Допускаемое напряжение на растяжение: [у]= 139,1 МПа

Рабочее давление: Р = 0,9 МПа

Коэффициент прочности продольных сварных швов обечайки: ?ш= 0,95

Проницаемость среды в материал (скорость коррозии): П= 0,0001м/год

Срок службы аппарата: 10 лет

Прибавка к расчётной толщине стенки для компенсации коррозии: ск=Пф к= 0,001м

Расчётная толщина стенки цилиндрической обечайки:

. (2.1)

2.2 Расчет толщины трубной решетки

Толщина трубной решётки (плиты) h определяется по уравнению [11]:

(2.2)

где dН- диаметр греющей камеры, м;

P - расчётное давление в 1-ом корпусе, равное разности

P = PГ1-PВ, м; (2.3)

д - допускаемое напряжение материала трубной решётки, Мн/м2, [12];

коэффициент ослабления трубной плиты отверстиями,

(2.4)

d - сумма диаметров отверстий в трубной плите [м] на диаметре dК,

d = ( dК/t - 1) . dН; (2.5)

t - шаг разбивки отверстий по ГОСТу [2];

dН - наружный диаметр труб, м.

P = 0,9 - 0,6168 = 0,2832 Мн/м2.

d = (0,6/0,048 - 1) . 0,038 = 19 . 0,038.

Следовательно:

Принимаем толщину трубной решётки 20 мм.

2.3 Расчет проточной части трубного пространства

Расчетная поверхность теплообмена:

Длина труб: l=4м

Число труб:

. (2.6)

Размещение отверстий в трубной плите, определение диаметра греющей камеры:

Шахматное расположение труб в трубной плите (в вершинах шестиугольника (равностороннего треугольника =600))

Внутренний диаметр греющей камеры:

Шаг между трубами от 1,2 до 1,5dH

Коэффициент использования площади трубной решетки:

=0,7

Расчетный диаметр греющей камеры выпарного аппарата:

Стандартный диаметр греющей камеры выпарного аппарата D=800 мм

Выбор крышки (днища) аппарата по диаметру греющей камеры D=800 мм выбираем эллиптическую крышку с отбортовкой, днище 800x6-25-09Г2С ГОСТ6533-68, высота днища h=D/4=200 мм.

2.4 Расчет опор

Определить число и основные размеры подвесных опор-лап для вертикального выпарного аппарата.

Исходные данные:

Геометрические:

- количество лап;

- число ребер в опорах;

- высота опор;

- длина опор;

- толщина ребра лапы;

- общая длина сварного шва;

- толщина опорной части;

- катет сварного шва.

Силовые:

- максимальная нагрузка на опоры;

- нагрузка воспринимаемая одной опорой.

Справочные:

- допускаемое напряжение материала шва;

- коэффициент зависящий от соотношения l/S.

Известные данные:

Геометрические:

(принимаем)

(-//-)

(-//-)

(-//-)

Силовые:

(ГОСТ 11987 - 81)

Справочные:

Определяем величину нагрузки, приходящейся на одну опору:

(2.7)

Определяем высоту ребра лапы:

Определяем расчетную толщину ребра лап:

(2.8)

Если значение "S'" полученное по выше рассчитанной формуле будет не меньше l/13, то расчетная величина "S'" является окончательной.

Округляем полученное значение толщины ребра "S'" до ближайшего значения по сортаменту и принимаем . Толщину опорной части принимаем .

Определяем общую длину сварного шва:

. (2.9)

Условия выполняются, т.е. прочность сварного шва обеспечена.

2.5 Расчет эллиптической крышки сепаратора

Необходимо выполнить прочностной расчёт эллиптической крышки сепаратора (определить толщину стенки, допускаемое давление)

Исходные данные.

Геометрические:

- внутренний диаметр цилиндрической части эллиптической крышки, .

- высота днища, .

- высота борта днища, .

- внутренний радиус кривизны в вершине днища, .

- наружный радиус кривизны в вершине днища, .

- толщина стенки, .

- прибавка на коррозию, .

Силовые:

- давление внутри аппарата, .

Справочные:

- допускаемое напряжение, .

- коэффициент ослабления отверстий.

- амортизационный срок аппарата, .

- скорость коррозии, .

Известные данные:

Геометрические:

Силовые:

Справочный материал:

[Л. Т. с. 405. рис 14.1]

Определяем коэффициент ослабления отверстий:

;. (2.10)

Определяем отношение определяющих параметров и :

.

Наименьшую расчётную толщину стенки крышки для данного отношения определяем по формуле:

(2.11)

Определяем прибавку на коррозию:

.

Определяем толщину стенки с учётом прибавки на коррозию:

Определяем допускаемое давление в крышке:

, (2.12)

.

Согласно рекомендуемым соотношениям эллиптической крышки:

, (2.13)



Определяем внутренний радиус кривизны внутри крышки:

, (2.14)

.

Определяем высоту борта согласно рекомендуемым соотношениям размеров эллиптических крышек:

(2.15)

Однако борт не рекомендуют принимать меньше исходя из этого ограничения, принимаем .

2.6 Расчет конического днища сепаратора

Необходимо выполнить прочностной расчёт конического днища (определить толщину стенки, допускаемое давление)

Исходные данные

Геометрические:

- внутренний диаметр цилиндрической части конического днища: (м)

- высота конического днища, (м)

- высота борта днища, (м)

- толщина стенки днища, м

- прибавка на коррозию, мм/год

Силовые:

- расчётное давление в нижней части днища, мм/год2

Справочный материал

- допускаемое давление; мн/м2

- коэффициент ослабления сварного шва;

- коэффициент ослабления отверстий;

- скорость коррозии; м/год.

- амортизационный срок аппарата.

- коэффициент формы днища;

Известные данные.

Геометрические:

= 2,8м

Силовые:

= 0,9 МПа

- Справочный материал:

[G] = 90 мн/м2 [2.с.405. рис.14.1].

А = 10лет

П = 0,00012 м/год

= 0,95 [2.с. 407. табл.14,7]

Определяем отношение определяющих параметров:

= · 0,95 = 95;

Номинальную расчётную толщину стенки днища определяем по формуле:

= ; (2.16)

=

Принимаем 3 мм.

Определяем расчётный диаметр.

(2.17)

Номинальную расчётную толщину стенки днища теперь определяем по формуле:

;

Определяем прибавку на коррозию:

С=А·П;

С=10·0,00032 = 0,0012 м/год = 1,2 мм/год.

Толщину стенки обечайки с учетом прибавки на коррозию определяем по формуле:

+CРазмещено на http://www.allbest.ru/

;

Размещено на http://www.allbest.ru/

=

Принимаем

Допускаемое давление в днище определяем по формулам:

[P] =; (2.18)

[P] = мн/м2

[P] =; (2.19)

[P] =

Действительным является меньшее значение

Величину отбортованной части в конических днищах принимали равной:

теплопередача кипение раствор хлорид

Q = 0,5·; (2.20)

Q = 0,5·

Выводы

В данном курсовом проекте описан процесс выпаривания раствора CaCl2.

В результате проведенных расчетов были выбраны по каталогу следующие аппараты:

выпарной аппарат: тип 1 исполнение 2 - выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах с площадью теплообмена равной 25 м2.

подогреватель: однопоточный неразборный теплообменник с длиной труб 3 м; диаметром кожуха 273 мм, диаметром внутренних труб 252, поверхностью теплообмена 9 м2 и числом труб 37 шт.

барометрический конденсатор с концентрическими полками диаметром 500 мм.

вакуум-насос типа BBH-12

Список использованных источников

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.,”Химия”, 1976, 552с.

2. ГОСТ 11987-73. Аппараты выпарные трубчатые.

3. Справочник химика, т. III, 1962., т У, М-Л., “Химия”, 1966, 974с.

4. Каталог УКРНИИХИММАШа. Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., 1972.

5. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов. Изд. 2-ое, Л.,”Химия” , 1976, 328с.

6. Воробьёва Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-ое, М., ”Химия”, 1975, 816с.

7. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-ое, М .,”Химия”, 1973, 750с.

8. Викторов М.М. Методы вычисления физико- химических величин и прикладные расчёты. Л.,”Химия”, 1977, 360с.

9. Чернышов А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номограмм для химико-технологических расчётов. Л.,”Химия”, 1974, 200с.

10. Тананайко Ю.М., Воронцов Е.Г. Методы расчёта и исследования плёночных процессов. Киев, “Техника”, 1975, 312с.

11. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчёты химической аппаратуры. Л., “Машиностроение”, 1970, 752с.

12. Альперт Л.В. Основы проектирования химических установок. М. “Высшая школа”, 1976, 272с.

13. Теплотехнический справочник. Т 2, М., “Энергия”, 1972, 896с.

14. ОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.

15. ГОСТ 1867-57 Вакуум-насосы низкого давления.

Размещено на Allbest.ru

...