1. Введение
Выпарка представляет собой процесс удаления из раствора растворителя путем изменения его агрегатного состояния, т.е. путем превращения его в пар и удаления его в таком виде из аппарата. При выпарке (кипении) раствора из него выделяются пары растворителя в практически чистом виде, а растворимое нелетучее остается в аппарате.
Выпарные аппараты широко применяются для концентрирования растворов в химической, пищевой и других отраслях народного хозяйства, для термического опреснения соленых вод, для снабжения предприятий греющим паром (за счет отбора вторичных паров), обеспечения котельных установок и других технологических промышленных потребителей горячими конденсационными водами.
Существуют 3 метода выпаривания растворов:
1. Парообразование на поверхности теплообмена;
2. Адиабатное испарение, при котором концентрирование раствора осуществляется путем испарения перегретой жидкости, подаваемой в камеру, давление в которой ниже давления насыщения, соответствующего температуре поступающего в камеру жидкости.
3. Испарение при контакте с теплоносителем, т.е. без соприкосновения раствора с поверхностью нагрева.
В химической промышленности наибольшее распространение получили выпарные установки поверхностного типа, которые по технологическим признакам разделяют на несколько групп:
- по числу ступеней;
- по давлению вторичного пара в последней ступени;
- по подводу первичной теплоты;
- по технологии обработки раствора;
- по относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора.
Выпарной аппарат должен удовлетворять технологическим и общеконструктивным требованиям и обладать оптимальными техническими и технико-экономическими показателями.
2. Описание принципиальной схемы установки
Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12, подается в теплообменник 14, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем в первый корпус 11 выпарной установки. Предварительный нагрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.
Первый корпус и теплообменник обогревается насыщенным водяным паром, поступающим из котельной. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 10. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично третий корпус 7 обогревается вторичным паром второго и в нем проводится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.
Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему за счет создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 3, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды из водоотборной системы к отсосам неконденсирующихся паров вакуум-насосом 5. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 4. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор поступает в сборник упаренного раствора, оттуда центробежным насосом 9 подается к потребителю.
3. Тепловой расчет выпарной установки
Расчет выполняется с учетом следующих допущений: температура конденсата, уходящего из корпуса, равна температуре греющего пара; вторичный пар получается сухой и насыщенный; давление вторичного пара при переходе из корпуса в корпус не изменяется, т.е. пара не уменьшается; отсутствует вскипание раствора при переходе его из аппарата в аппарат; теплота дегидратации столь мала, что ею можно пренебречь; теплота конденсата предыдущей ступени не используется в последующих аппаратах выпарной установки; концентрацию кипящего раствора определяют при конечной концентрации. Конечной задачей теплового расчета является распределение полезной разности температур по корпусам.
Так как расчет многокорпусной установки довольно сложен, то его выполняют методом последовательных приближений.
Рассмотрим первое приближение.
Общее количество выпарной воды в выпарной установке определяется по формуле
,
где G
н
– количество поступающего раствора, кг/с;
xн
, xк
– начальная и конечная концентрация раствора, %.
3.1. Расчет концентраций упариваемого раствора по корпусам
Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур Δtпол
необходимо знать распределение выпариваемой воды, концентраций раствора и их температур кипения по корпусам.
Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом корпусе. На основании практических данных производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением [5.1].
Исходя из этого, количество выпариваемой воды по корпусам будет соответствовать
В первом корпусе .
Во втором корпусе
В третьем корпусе
Концентрация растворов, выходящих из каждого корпуса, определяется по уравнениям:
для первого корпуса
;
для второго корпуса
;
для третьего корпуса
,
что соответствует заданию.
3.2. Определение температур кипения раствора по корпусам
3.2.1. Распределение давлений по корпусам установки
Общий перепад давлений в установке
,
где ргп
– давление греющего пара, МПа,
рбк
– давление в барометрическом конденсаторе, МПа.
Распределим общий перепад давлений по корпусам поровну [5.1, 5.2]:
Тогда абсолютные давления по корпусам будут равны:
что соответствует заданию.
По вычисленным давлениям паров находим их температуры и энтальпии [5.5]:
| Давление, МПа |
Температура, о
|
Энтальпия, кДж/кг |
| 0,7 |
163,04 |
2760 |
| 0,476 |
149,87 |
2746,1 |
| 0,253 |
127,28 |
2716,75 |
| 0,03 |
69,12 |
2625,3 |
3.
2.2.
Определение гидравлической депрессии
Гидравлическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус через ловушки в аппарате. На основании практических рекомендаций принимаем гидравлическую депрессию для каждого корпуса Тогда температура вторичного пара в корпусах равны:
По температурам вторичных паров находим их давления и теплоты парообразования по корпусам [5.3, 5.5]:
| Температура, о
|
Давление, МПа |
Теплота парообразования, кДж/кг |
|
|
0,483 |
2112,4 |
|
|
0,255 |
2180,1 |
|
|
0,031 |
2333,8 |
Сумма гидравлических депрессий
3.2.3. Определение гидростатической депрессии
Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора рср
i
каждого корпуса определяется по уравнению
где - оптимальный уровень раствора в трубах;
- плотности раствора (при конечной концентрации в аппарате) и воды при температуре кипения, кг/м3
;
H
=
l
– высота труб, м.
Так как температуры кипения заранее неизвестны, то можно с достаточной степенью точности использовать плотности при температуре вторичного пара в аппарате.
Для определения плотности раствора при заданной концентрации температуры воспользуемся формулой [5.3]:
для первого корпуса:
t
в.п.
=150,87о
С, х=12,94%
- при х=12,94%
[5.2, 5.3]
- плотность воды при температуре 25о
С [5.3]
[5.3, 5.9]
.
для второго корпуса:
t
в.п.
=128,28о
С, х=19,13%
- при х=19,13%
[5.2, 5.3]
- плотность воды при температуре 25о
С [5.3]
[5.3, 5.9]
.
для третьего корпуса:
t
в.п.
=70,12С, х=40%
- при х=40%
[5.2, 5.3]
- плотность воды при температуре 25о
С [5.3]
[5.3, 5.9]
.
Расчет плотностей раствора при температурах вторичных паров необходимо производить ввиду отсутствия опытных данных по теплофизическим свойствам раствора KOH при температуре, отличной от 20о
С.
Для выбора высоты трубы Н=l необходимо ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fop
, выбрать параметры аппарата по ГОСТ 11987-81 [5.1, 5.7, 5.2].
Площадь поверхности теплопередачи ориентировочно определяется по формуле
где q – удельная тепловая нагрузка.
При выборе типа выпарного аппарата руководствуемся тем, что заданный раствор КОН при упаривании образует незначительный осадок, удаляемый механическим путем. Выбираем выпарной трубчатый аппарат с естественной циркуляцией: тип 1 исполнение 2 [5.1].
В связи с тем, что теплоотдача при кипении растворов еще не достаточно изучена, удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией принимаем q=20000..50000 Вт/м2
. Примем q=50000 Вт/м2
[5.1, 5.2].
Тогда ориентировочные площади по корпусам равны:
Принимаем по ГОСТ 11987-81 [5.1] выпарной аппарат с площадью поверхности теплопередачи F=450 м2
, длиной труб l=5м, диаметром труб 38х2 мм.
Таким образом, давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:
Полученным давлениям соответствуют следующие температуры кипения [5.5]:
| Давление, МПа |
Температура, о
|
Теплота парообразования, кДж/кг |
| 0,492 |
152,4 |
2111,3 |
| 0,266 |
129,1 |
2175,7 |
| 0,052 |
82,43 |
2300,7 |
Гидростатическая депрессия по корпусам определяется как .
.
Сумма гидростатических депрессий .
3.2.4. Определение температурной депрессии
Температурная депрессия по корпусам при атмосферном давлении определяется по данным табл. XXXVI
| Корпус |
Концентрация КОН, % |
Температура кипения, о
|
Депрессия, о
|
| 1 |
12,94 |
150,87 |
2,4 |
| 2 |
19,13 |
128,28 |
5,89 |
| 3 |
40 |
70,12 |
23,6 |
Температурная депрессия по корпусам с учетом давления в них определяется по формуле
,
где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;
r – теплота парообразования воды при данном давлении pср
, Дж/кг;
- температурная депрессия при атмосферном давлении.
.
Сумма температурных депрессий
.
Таким образом получается, что температура кипения растворов по корпусам равна:
.
3.2.5
Определение полезной разности температур
Общая полезная разность температур для всей установки:
.
Полезная разность температур по корпусам:
.
3.2.6. Определение тепловых нагрузок по корпусам
Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:
,
где 1,05; 1,03 – коэффициенты, учитывающие потери теплоты по корпусам в окружающую среду.
Как видно из формул, для расчета необходима теплоемкость раствора, которая определяется по следующей формуле:
,
где 4190 кДж/кг – удельная теплоемкость воды;
х – концентрация растворенного вещества, массовые доли;
С1
– удельная теплоемкость безводного растворенного вещества, Дж/кг*К.
Удельную теплоемкость химического соединения ориентировочно рассчитываем по уравнению:
,
где М – молекулярная масса химического соединения;
с – его массовая удельная теплоемкость, Дж/кг*К;
n1
, n2
– число атомов элементов, входящих в соединение;
С1
, С2
– атомные теплоемкости, Дж/кг*атом*К.
Для удобства расчета запишем исходные данные для расчета:
| Параметры |
Корпус 1 |
Корпус 2 |
Корпус 3 |
| Количество исходного раствора, кг/с |
35 |
27,05 |
18,3 |
| Концентрация исходного раствора, % |
10 |
12,94 |
19,13 |
| Температура исходного раствора, о
|
140 |
156,7 |
137,2 |
| Температура упаренного раствора, о
|
156,7 |
137,2 |
103,5 |
| Теплоемкость исходного раствора С, Дж |
3885 |
3795,3 |
3606,53 |
| Энтальпия вторичного пара I, Дж/кг |
2746*103
|
2718*103
|
2625*103
|
| Теплота парообразования греющего пара r, Дж/кг |
2086*103
|
2134*103
|
2198*103
|
Температуру исходного раствора в 1-м корпусе принимаем при условии недогрева его до температуры кипения в ТОА.
Решаем систему уравнений для тепловых нагрузок по корпусам:
Решение системы уравнений дает следующие результаты:
Так как расхождение между вычисленными значениями нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе и предварительно принятым не превышают 5%, пересчитывать параметры процесса не будем.
Определим тепловые нагрузки по корпусам:
Полученные величины сводим в табл.1.
Таблица 1
Параметры растворов по корпусам
| Параметры |
Корпус |
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| Производительность по испаряемой воде W, кг/с |
8,14 |
8,69 |
9,42 |
| Концентрация растворов х, % |
12,94 |
19,12 |
40 |
| Давление греющих паров р, МПа |
0,7 |
0,476 |
0,253 |
| Температура греющих паров t, о
|
163,04 |
149,87 |
127,28 |
| Температурные потери , о
|
3,3 |
7,1 |
21,1 |
| Температура кипения раствора tк
|
156,7 |
137,2 |
103,5 |
| Полезная разность температур , о
|
5,83 |
8,92 |
33,38 |
3.2.7 Расчёт коэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяется по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
.
Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. В качестве материала стенки выбираем сталь марки X17, [5.12]. Получим:
.
Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке равен [5.2]:
,
где - теплота конденсации греющего пара, ;
- соответственно плотность, вязкость и теплопроводность конденсата при средней температуре плёнки;
, где - разность температур конденсации пара и стенки;
Расчёт ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем .
;
[5.3];
[5.3];
[5.3];
[5.5].
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение
,
где - удельная тепловая нагрузка, ;
- перепад температур на стенке, ;
- разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, .
Рис. 1. Распределение температур в процессе теплопередачи то пара к кипящему раствору через многослойную стенку:
1 – пар; 2 – конденсат; 3 – стенка; 4 – накипь; 5 – кипящий раствор.
.
Тогда
.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора [5.2] равен:
.
Для решения этого уравнения необходимо определить физические свойства раствора KOH:
а) Определим коэффициент теплопроводности раствора, [5.3].
Коэффициент теплопроводности водного раствора при температуре определяется по формуле
,
где и - коэффициенты теплопроводности раствора и воды.
Коэффициент теплопроводности раствора при 200
С и при различных концентрациях приведён в [5.9].
Первый корпус
, ,
Коэффициент теплопроводности воды при этой температуре [5.3] , а при 200
С .
Тогда
Второй корпус
, ,
Коэффициент теплопроводности воды при этой температуре [5.3] , а при 200
С .
Тогда
.
Третий корпус
, ,
Коэффициент теплопроводности воды при этой температуре [5.3] , а при 200
С .
Тогда
.
б) Определим вязкость раствора, [5.3].
Для нахождения динамического коэффициента вязкости по динамическому коэффициенту эталонного вещества может быть применено правило линейности однозначных химико-технологических функций, установленное К. Ф. Павловым. На основании этого правила получаем
,
где и - температуры жидкости;
и - температуры эталонного вещества, при которых его динамические коэффициенты вязкости равны соответствующим динамическим коэффициентам вязкости жидкости.
Первый корпус
В качестве эталонной жидкости используем глицерин. Из [5.9] известны вязкости KOH при и .
,
Температура глицерина при этих же значениях вязкости ,
Далее находим температуру глицерина, при которой его динамический коэффициент вязкости KOH при 156,70
С из уравнения
, .
При этой температуре находим для глицерина [5.3], . Следовательно, динамический коэффициент вязкости KOH при температуре 156,70
C равен .
Второй корпус
,
Температура глицерина при этих же значениях вязкости ,
Далее находим температуру глицерина, при которой его динамический коэффициент вязкости KOH при 134,30
С из уравнения
, .
При этой температуре находим для глицерина [5.3], . Следовательно, динамический коэффициент вязкости KOH при температуре 137,20
C равен .
Третий корпус
,
Температура глицерина при этих же значениях вязкости ,
Далее находим температуру глицерина, при которой его динамический коэффициент вязкости KOH при 86,1 из уравнения
, .
При этой температуре находим для глицерина [5.3], . Следовательно, динамический коэффициент вязкости KOH при температуре 103,5 равен .
в) Определим коэффициент поверхностного натяжения раствора.
Из [5.9] известны значения для раствора KOH при различных концентрациях и температуре 300
С. А из [5.2] известно значение при температуре 200
С и концентрации 5%. Экстраполируя значение поверхностного натяжения по температуре и концентрации, определим ориентировочное значение для каждого корпуса:
;
;
.
Физические свойства раствора KOH в условиях кипения сведены в таблицу.
Таблица 3.2.7
Физические свойства кипящих растворов KOH и их паров
| Параметр |
Корпус |
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| Теплопроводность раствора, |
0,681 |
0,667 |
0,639 |
| Плотность раствора, |
1093,8 |
1164,8 |
1319,7 |
| Теплоёмкость раствора, |
3885 |
3795,3 |
3606,53 |
| Вязкость раствора, |
0,235 |
0,946 |
1,97 |
| Поверхностное натяжение, |
0,06 |
0,069 |
0,074 |
| Теплота парообразования, |
2086 |
2134 |
2606 |
| Плотность пара, |
3,11 |
1,65 |
0,36 |
| Плотность пара при давлении 105
|
0,579 |
||
Используя данные табл. 3.2.7 находим
Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
Для второго приближения принимаем
;
[5.3];
[5.3];
[5.3];
[5.5].
.
Тогда
Находим
.
Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для второго корпуса . Для этого найдём:
;
[5.3];
[5.3];
[5.3];
[5.5].
.
Тогда
Далее рассчитаем коэффициент теплопередачи для третьего корпуса . Для этого найдём:
;
[5.3];
[5.3];
[5.3];
[5.5].
.
Тогда
3.2.8 Распределение полезной нагрузки по корпусам
Полезные разности температур в корпусах установки находим
,
где - соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-го корпуса.
;
Проверим полезную (общую) разность температур установки:
.
Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
;
;
.
Рассчитанные площади выпарных аппаратов отличаются от предварительно выбранных, поэтому перезадаёмся площадью выпарных аппаратов:
, .
Сравнение распределительных из условий равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур представлено ниже:
Таблица 3.2.8
| Параметры |
Корпус |
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| Распределение в первом приближении значения |
17,39 |
13,79 |
16,94 |
| Предварительно рассчитанные значения |
5,83 |
8,92 |
33,38 |
Как видно, полезные разности температур, рассчитанные из условия равного перепада давления в корпусах и найденные в первом приближении из условия равенства поверхностей теплопередачи в корпусах, существенно различаются. Поэтому необходимо заново перераспределить температуры (давления) между корпусами. В основу этого перераспределения температур, найденные из условия равенства поверхностей теплопередачи аппаратов.
3.2.9. Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи
Второе приближение.
Таблица 3.2.9.1
Параметры растворов и паров по корпусам после перераспределения температур
| Параметры |
Корпус |
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| Производительность по испаряемой воде, |
8,14 |
8,69 |
9,42 |
| Концентрация растворов, % |
12,94 |
19,12 |
40 |
| Температура греющего пара в первый корпус, |
163,04 |
- |
- |
| Полезная разность температур |
17,39 |
13,79 |
16,94 |
| Температура кипения раствора, |
145,65 |
136,1 |
110,34 |
| Температура вторичного пара, |
140,82 |
128,18 |
76,96 |
| Давление вторичного пара |
0,37 |
0,254 |
0,04 |
| Температура греющего пара, |
- |
127,18 |
75,96 |
Рассчитаем тепловые нагрузки.
Для удобства расчёта сведём все исходные данные в таблицу.
Таблица 3.2.9.2
Исходные данные для расчёта тепловых нагрузок после перераспределения температур
| Параметры |
Корпус 1 |
Корпус 2 |
Корпус 3 |
| Количество исходного раствора, |
35 |
27,05 |
18,3 |
| Концентрация исходного раствора, % |
10 |
12,94 |
19,13 |
| Температура исходного раствора, |
140 |
156,7 |
137,2 |
| Температура упаренного раствора, |
156,7 |
137,2 |
103,5 |
| Теплоёмкость исходного раствора, |
3885 |
3795,3 |
3606,53 |
| Энтальпия вторичного пара, |
2745*103
|
2717*103
|
2638*103
|
| Теплота парообразования греющего пара, |
2117*103
|
2180*103
|
2316*103
|
;
;
.
Для расчёта коэффициентов теплопередачи заполним следующую таблицу:
Таблица 3.2.9.3
Физические свойства кипящих растворов KOH и их паров, также параметры растворов после перераспределения температур
| Параметр |
Корпус |
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| Температура кипения раствора, |
134,43 |
122,83 |
95,79 |
| Теплопроводность раствора, |
0,675 |
0,667 |
0,641 |
| Плотность раствора, |
1103,11 |
1164,8 |
1294,95 |
| Теплоёмкость раствора, |
3891,5 |
3829 |
3721 |
| Вязкость раствора, |
0,297 |
1,005 |
1,165 |
| Поверхностное натяжение, |
0,06 |
0,068 |
0,074 |
| Теплота парообразования, |
2161,2 |
2194,9 |
2268,3 |
| Плотность пара, |
1,68 |
1,21 |
0,51 |
| Плотность пара при давлении 105
|
0,579 |
||
Расчёт коэффициентов выполнен тем же методом, что и ранее. Расчёт коэффициентов теплопередачи, выполненный методом, описанным выше, приводит к следующим результатам:
,
при ;
,
при ;
,
при .
Распределение полезной разности температур:
;
;
.
.
Сравнение полезных разностей температур, полученных во втором и первом приближениях, приведено ниже:
Таблица 3.2.9.4
| Параметры |
Корпус |
||
| 1 |
2 |
3 |
|
| Распределение в первом приближении значения |
17,39 |
13,79 |
16,94 |
| Распределение во втором приближении значения |
17,02 |
14,1 |
17,01 |
Различия между полезными разностями температур по корпусам в первом и втором приближениях не превышают 5%.
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
;
;
По ГОСТ 11987-81 выбираем 2 аппарата параллельно с .
4. Конструктивный расчёт тепловых аппаратов
Задача конструктивного расчёта выпарного аппарата заключается в определении числа труб греющей камеры, выборе схемы размещения труб в трубной решётке, определении диаметра корпуса, определении размеров парового пространства.
4.1 Число труб греющей камеры
,
где - длина труб (по ГОСТ 11987-81 равна 5м);
- внутренний диаметр труб ().
.
4.2 Внутренний диаметр обечайки греющей камеры при размещении труб по вершинам равносторонних треугольников определяется следующим образом:
,
где - коэффициент использования трубной решётки, примем ;
- шаг между трубами.
4.3 Внутренний диаметр циркуляционной трубы рассчитывается по формуле
,
где - внутренний диаметр кипятильных труб, м.
.
4.4 Расчёт диаметра обечайки сепаратора.
Допускаемое напряжение парового пространства определяется по формуле
,
где - коэффициент, зависящий от давления пара в аппарате, по [5.1] примем
- коэффициент, зависящий от уровня H-раствора над точкой ввода парожидкостной смеси в паровое пространство, по [5.1] ;
- значение допускаемого напряжения парового пространства при , для растворов солей 1000 кг/м3
ч.
.
Объём сепаратора
.
Допустимая скорость пара в сепараторе [5.1].
Диаметр обечайки сепаратора
,
где - удельный объём пара при .
.
Принимаем по [5.7]
Уточняем скорость пара в сепараторе:
.
Критерий Рейнольдса
,
где - диаметр капли;
- плотность пара при [5.5];
- вязкость пара при [5.1].
.
Так как Re<500, коэффициент сопротивления рассчитываем по формуле
.
Скорость витания капли:
.
Как видим, скорость движения пара в паровом пространстве меньше скорости витания капли.
4.5 Высота парового пространства:
.
4.6 Диаметр входной трубы , по которой парожидкостная смесь поступает из греющей камеры в сепаратор, определяются из соотношения . Таким образом:
.
Рассчитанные размеры выпарного аппарата соответствуют требованиям ГОСТ 11987-81 [5.1, 5.2, 5.7].
5. Расчёт на прочность элементов выпарного аппарата
Рассчитаем толщину стенки обечайки греющей камеры.
Надёжная работа любой конструкции возможна в том случае, когда напряжённое состояние в ней не достигает предельного значения. Применительно к тонкостенным оболочковым конструкциям предельным считается состояние, когда в них появляются пластические деформации. Поэтому напряжение в этих оболочках не должно превышать допускаемое по ГОСТ 14249-80:
,
где , - соответственно предел прочности и коэффициент запаса прочности;
- предел текучести.
Согласно [5.18] принимаем .
Допускаемое напряжение для сварных сосудов под давлением равно: .
Допускаемое напряжение при испытаниях аппарата на герметичность находят по величине предела текучести материала при [5,10, прил. 2].
.
Толщина стенки оболочки находится из условия прочности при эксплуатации по величине расчётного давления . И при испытаниях по величине пробного давления .
Расчётное давления определяется величиной рабочего давления с учётом гидростатического давления среды .
,
где ;
- удельный вес жидкости, ;
- высота столба жидкости над рассчитываемой точкой;
;
.
Если , то принимаем .
Для сварных сосудов давления величина пробного давления определяется по следующему соотношению:
,
где - нормативно допускаемые напряжения при 200
С и расчётной температуре соответственно.
За расчётную температуру принимают максимальную температуру в процессе эксплуатации аппарата, т.е. 163,040
С.
Для стали Х17 [5.10] ,
.
Определив таким образом первичные исходные данные, находим расчётную толщину стенки согласно ГОСТ 14249-80:
Для цилиндрической оболочки - диаметр обечайки греющей камеры.
Исполнительная толщина стенки вычисляется с учётом суммарной прибавки:
,
где - прибавка на компенсацию коррозии и эрозии.
;
- срок службы аппарата, лет ;
- скорость коррозии, мм/год, ;
- прибавка на компенсацию минусового допуска на толщину листа, ;
- технологическая прибавка, .
.
Найденное значение округляем до ближайшего стандартного, .
Если рассматривать другие части греющей камеры, то расчётное давление, соответственно и толщина стенки камеры будет меньше. Но, как правило, утоньшение стенки аппарата не делают и толщину всего аппарата принимают равной толщине стенки обечайки греющей камеры.
6. Разработка схемы группы подогревателей раствора перед выпарной установкой
В качестве теплообменника для подогрева раствора KOH возьмём пароводяной, кожухотрубчатый, двухходовой теплообменный аппарат с плавающей головкой (ТП). В стандартном ТОА пар на выходе из него полностью конденсируется, но не теряет своей температуры, т.е. конденсат после теплообменника должен сливаться через конденсатоотводчик в общую конденсатную линию, температура в которой равна температуре конденсата, выходящего из барометричаского конденсатора. В связи с этим необходимо установить теплообменник с переохлаждением конденсата. Схематично он представлен на рис. 2.
Рис. 2. Схема ТОА с переохлаждением конденсата
Внутри трубок течёт раствор, а пар – в межтрубном пространстве. Как видно из рис. 2 в нижней части ТОА будет идти теплообмен между конденсатом, стекающим с трубок, и раствором, находящимся в трубках . В этой зоне конденсат движется очень медленно, и теплоотдача будет, соответственно, идти очень плохо. Температурный график теплообменника представлен на рис. 3
Рис. 3. Изменение температуры теплоносителей в противоточном теплообменном аппарате
Расчёт будем производить на основе теплового баланса и уравнения теплопередачи:
,
где - тепло, воспринятое раствором;
- тепло, отдаваемое раствором;
- КПД ТОА (0,9…0,95) [5.8].
,
где - расходы раствора и пара, кг/с;
- энтальпия пара на входе в теплообменник, кДж/кг [5.5];
- энтальпия конденсата при , кДж/кг.
Отсюда .
Для зоны I можно составить аналогичные уравнения:
; .
Теперь определим площади поверхности теплообмена для I и II зоны, для чего воспользуемся уравнением теплопередачи:
,
где - коэффициент теплопередачи [5.6];
- средний температурный напор.
,
.
По этой площади поверхности теплообмена выбираем по ГОСТ ТОА с близкой площадью. По [5.8] выбираем теплообменник типа ТП с: ; ; ; .
Гидравлическое сопротивление такого ТОА составит примерно 25 м вод. ст.
Для того чтобы раствор с необходимым напором попал в первый корпус выпарной установки, необходимо установить центробежный насос до теплообменника. По корпусам раствор движется самотёком.
а) Выбор диаметра трубопровода:
.
Для всасывающего и нагнетательного трубопроводов примем одинаковые скорости течения растворов .
Примем трубопровод с незначительной коррозией.
б) Потери на трение и местные сопротивления.
Критерий Рейнольдса:
т.е. режим турбулентный. Абсолютная шероховатость трубопровода [5.2]. Тогда
.
Далее получим
.
Зона смешанного трения
При этом коэффициент трения равен:
.
Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений [5.3]:
вентиль нормальный
задвижка
отвод круглого или квадратного сечения
колено 900
Найдём эквивалентную длину трубопровода:
Скоростной напор:
.
Потери напора на трение и местные сопротивления составляют:
.
Длину трубопровода от насоса до первого корпуса выпарной установки примем равной 10 метров, а высоту подъёма раствора 7 метров.
Требуемый полный напор насоса вычисляем по формуле
,
где - давление в пространстве нагнетания и всасывания.
.
Полезная мощность насоса
.
Мощность, потребляемая двигателем
.
По [5.3] выбираем один насос марки Х45/90 с , , и один в резерве.
7. Выбор материала и расчёт изоляции выпарного аппарата
Выбираем конструктивный материал, стойкий к среде кипящего раствора КОН в интервале изменения концентраций от 15 до 35% [5.2]. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности .
Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду.
,
где - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, ;
,
- температура изоляции со стороны воздуха, ;
- температура изоляции со стороны аппарата, ;
- температура воздуха, .
Выберем в качестве материала для тепловой изоляции совенит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий .
.
.
Принимаем толщину тепловой изоляции равной 0,047м и для других корпусов.
8. Расчёт барометрического конденсатора и вакуум-насоса
Для создания вакуума в выпарных установках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаётся в конденсатор при температуре 200
С. Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.
8.1 Определение расхода охлаждающей воды.
Расход определяется из теплового баланса конденсатора:
,
где - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе;
- начальная температура охлаждающей воды;
- конечная температура смеси воды и конденсата.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-50
С, поэтому
.
Тогда
.
8.2 Расчёт диаметра барометрического конденсатора
,
где - плотность паров;
- скорость паров;
При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104
Па скорость паров .
.
По нормалям НИИХИММАШа [5.1, 5.7] подбираем конденсатор с диаметром .
8.3 Расчёт высоты барометрической трубы
В соответствии с нормалями [5.1] внутренний диаметр барометрической трубы .
Скорость воды в барометрической трубе равна:
.
Высоту барометрической трубы определяем по уравнению
,
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе,
;
- сумма коэффициентов местных сопротивлений [5.2],
.
0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления.
Коэффициент зависит от Re
.
8.4 Расчёт производительности вакуум-насоса
Производительность вакуум-насоса определяется количеством воздуха, который необходимо удалить из барометрического конденсатора.
.
где - количество газа, выделившегося из 1 кг воды;
- количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.
.
Объёмная производительность вакуум-насоса:
,
где - универсальная газовая постоянная;
- молекулярная масса воздуха;
- парциальное давление сухого воздуха;
.
,
- давление сухого насыщенного воздуха при 26,8120
С.
.
Зная расход воздуха по ГОСТ 1867-57 подбираем вакуум-насос типа ВВН-25 с мощностью на валу 48кВт.
9. Описание схемы отвода конденсата. Подбор конденсатоотводчика
Для отвода конденсата и предотвращения проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками. Они отводят конденсат автоматически. После каждого теплообменного аппарата стоит своя группа конденсатоотводчиков, после которых конденсат попадает в общую конденсатную линию, которая идёт в котельную.
Наибольшее применение нашли поплавковые конденсатоотводчики различных конструкций. Их принцип действия следующий: конденсат поступает сверху, накапливается в корпусе, поднимает поплавок, открывая тем самым выходной клапан.
Для данного проекта расход конденсата равен расходу греющего пара. Так для первого корпуса выпарной установки .
Выбираем конденсатоотводчик Армстронг модель 816 со следующими характеристиками:
- расход 9091 кг/час
- диаметр соединительного штуцера 50,65 мм
- максимальное рабочее давление 17 бар
Таким образом устанавливаем после первого корпуса два конденсатоотводчика этих параметров для обеспечения отвода конденсата.
10. Описание схемы КИП и А
Контроль выпарной установки требует большого числа приборов. В журнале аппаратчика должны отражаться все изменения основных характеристик процесса, например, по изменению так называемого псевдокоэффициента теплопередачи можно обнаружить увеличение термических сопротивлений (отложение накипи и т.д.), а с ним и снижение производительности. Этот коэффициент находится просто – как отложение потока тепла к разности температур в каждом корпусе. Необходим также контроль за тем, чтобы раствор не разбавлялся промывной водой или водой из барометрического конденсатора, так как это понижает производительность установки.
11. Рекомендации по технике безопасности и охране труда
Сосуды и аппараты, работающие под давлением, используются на всех химических предприятиях. При нарушении правил устройства или при неправильной эксплуатации сосудов может произойти взрыв с тяжелыми последствиями, поскольку разрушающее действие взрывов очень велико. Взрывы часто могут вызывать пожары.
К устройству, изготовлению, установке и содержанию сосудов, работающих под давлением, предъявляются жесткие требования, обеспечивающие безопасность их эксплуатации. Основные условия безопасности изложены в действующих «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением». Эти сосуды находятся под надзором органов Госгортехнадзора, которые регистрируют их, дают разрешение на пуск и т.д. Основными требованиями безопасности к сосудам при их эксплуатации являются не превышение рабочего давления и поддержание уровня жидкости на заданном уровне.
Кодекс законов о труде определяет основные положения охраны труда. Так, например, все вновь сооруженные и реконструируемые предприятия, а также производственные процессы должны полностью соответствовать установленным требованиям охраны труда. Этот кодекс также предусматривает охрану рабочего времени и времени отдыха.