Курсовая работа (т): Однокорпусная выпарная установка для концентрирования водного раствора NaOH

  - температура кипения воды при  

 

Потери полезной разности температур от гидростатического давления  рассчитывают на середину слоя раствора, находящегося в аппарате.

Давление на середину слоя  жидкости равно:

 

, где

  - давление вторичного пара;

  - плотность раствора конечной концентрации; [7] с.98

H_ур - высота оптимального уровня раствора в аппарате;

H_ур = ψ^опт ∙ Н_тр = ( (26+0,14 (ρ_р - ρ_в)) /100) ∙Н_тр = ( (26+0,14 (1292 - 983)) /100) ∙4 = 2,77м

  - высота труб по ГОСТ 11987-81 для аппаратов с сосной греющей камерой и солеотделением;

Температура испарения воды при  составляет , следовательно, гидростатическая депрессия равна

 

Таким образом, температура кипения раствора будет равна

 

        

         Расход греющего пара определяют из теплового баланса.

Начальные и конечные значения теплоёмкостей раствора NaOH:

  [7]

 

 

Тепловой баланс

Цель: определить необходимый расход греющего пара.

, где

 - расход греющего пара;

Потери теплоты в окружающую среду и на дегидратацию (обезвоживание) принимаем 5%

Составим таблицу теплового баланса.

Приход теплоты (Вт)

Расход теплоты (Вт)

С греющим паром: С вторичным паром:

С

С исходным раствором: С упаренным раствором:

	C конденсатом:
	Теплопотери в окружающую среду и на дегидратацию:

Определим погрешность расчётов:

, где

 - среднее арифметическое значение между приходом и расходом теплоты.

 (Вт)

 %

определяем удельный расход пара на 1  испаряемой воды:

Определим тепловую нагрузку из уравнения теплового баланса

:

Проверим значение тепловой нагрузки другим способом (через значение расхода пара):

Вт

После расчета тепловой нагрузки определяем величину коэффициента , с этой целью строят зависимость удельной теплоты нагрузки от полезной разности температур .

Построение зависимости  начинают с определения коэффициентов теплопередачи  и , предварительно задаваясь различными тепловыми нагрузками.

Коэффициент теплопередачи  рассчитывают по формуле:

, где

 - коэффициент, учитывающий физико-химические свойства конденсата.

  - высота кипятильной трубы.

  - удельный тепловой поток.

, где:

  - коэффициент теплопроводности

  - плотность конденсата

  - удельная теплота испарения конденсата

  - удельная вязкость конденсата

 

Коэффициент  рассчитывается по формуле:

, где

  - теплопроводность раствора при

 - плотность раствора при

  - поверхностное натяжение при

 - теплоемкость раствора

  - динамическая вязкость

  - плотность вторичного пара

  - плотность вторичного пара при атм. давлении

  - теплота парообразования вторичного пара

Результаты расчёта коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и полезной разности температур при различных удельных тепловых нагрузках представлены в таблице.

Результаты расчёта практического коэффициента

Величина
, 100005000075000100000
9647,85672,449624512,6
1518,13987,25085,46043,5
1311,72341,42511,52583,5
;  983,81756,11883,61937,6
10,228,539,851,6

Используя табличные данные, строим зависимость q=f (∆t_пол), из которой, по определенному ранее значению полезной разности температур ∆t_пол=38,55°С, находим величину рабочей тепловой нагрузки.

Рис. 3.1 Зависимость ∆t_пол от тепловой нагрузки q.

Полезной разности температур ∆t_пол=38,55  соответствует удельная тепловая нагрузка  

Определяем поверхность теплопередачи.

 

Выбираем тип выпарного аппарата в соответствии с ГОСТ 11987-81 [1].

Выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой и солеотделением (тип 1, исполнение 3), с поверхностью теплообмена F_станд ≥1,1∙F=1,1∙55,84=61,4м²_. Примем аппарат с поверхностью теплообмена F_станд =63м².

Рис. 3.2 Выпарной аппарат с сосной греющей камерой и солеотделением (тип 1, исполнение 3).

Общая характеристика аппарата:

Поверхность т/о  при   и длине 4000Диаметр греющей камеры, не менее

Диаметр сепаратора не более Диаметр циркуляционной трубы, не более Высота аппарата, не более Масса аппарата, не более M,
63	800	1600	500	15500	3500

4. Конструктивный расчет аппарата

4.1 Определяем число труб в трубной решетке

, где

 

В соответствии с данными таблицы 7.6 [3] при размещении труб в трубной решетке по вертикали равносторонних треугольников применяем ближайшее значение числа труб

Параметры, характеризующие размещение труб в трубной решетке.

Шаг между трубами:

, где

 - коэффициент, который определяется в зависимости от  по таб. 7.7 [3]

 

Число труб на диаметре решетки:

 

Принимаем стандартное значение  по табл. 7.6 [3].

4.2 Определяем диаметр корпуса обечайки греющей камеры

, где

 - коэффициент использования трубной решетки [3]

А - коэффициент, учитывающий наличие в трубной решётке циркуляционной трубы.

А=0

  или

 

Принимаем   в соответствии с ранее выбранным аппаратом. По ГОСТ для аппарата (тип1, исп,3) F=63м² D_к ≥800 мм.

4.3 Расчет толщины стенки обечайки и днища (крышки)

Принимаем материал аппарата сталь 15Х5М с нормативным допускаемым напряжением   по табл.6.2 [3].

, где

 

 - поправочный коэффициент для взрывопожароопасных сред

  - внутренний диаметр обечайки аппарата

 - коэффициент сварного шва [2] для автоматической двухсторонней сварки

 - прибавка на коррозию для материала аппарата

  - период эксплуатации

  - коррозионная проницаемость

Из практических рекомендаций принимаем толщину стенки обечайки   [3].

 

Толщину стенок днищ (крышек) можно принять равной толщине стенки обечайки. Принимаем δ_дн=δ_кр=δ=8 мм

4.4 Расчет трубной решетки

Толщина трубной решетки:

, где

 - коэффициент, зависящий от типа решетки;

 - давление в межтрубном пространстве.

Принимаем тип решетки III, тогда ;

 - допускаемое напряжение на изгиб для материала трубной решетки;

 

 - коэффициент ослабления решетки отверстиями;

D_{п -} диаметр прокладки;

Для решётки типа 3: D_п = (D_н +D_в) /2= (0,816+0,8) /2=0,808 м

 

 

Толщину трубной решетки необходимо проверить исходя из надежности закрепления в ней труб, так как при развальцовке труб:

 - наружный диаметр труб

Условие выполняется. Принимаем  

4.5 Выбор днищ и крышек

Для выпарного аппарата выбираем крышку эллиптическую, днище эллиптическое соответственно по ГОСТ 6533 - 78 и ГОСТ 12619 - 78 [4]. Выбираем эллиптическое отбортованное днище 800 х8-Сталь 15Х5М по ГОСТ 6533-78 (для аппаратов, работающих под давлением до 10МПа).

Рис. 4.5.1 Днище эллиптическое ГОСТ 6533-78

Табл. 4.5.1 Конструктивные размеры днища по ГОСТ 6533-78.

Dвн, мм	S, мм	hн, мм	h, мм	V, дм3	m, кг
800	8	200	25	79,3	48,6

4.6 Выбор фланцев

Соединение царг между собой и с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев с по ГОСТ 28759.2-90 (Р<1,6МПа)

Рис. 4.6.1 Фланец "аппаратный" ГОСТ 28759.2-90 (исполнение 1)

Табл. 4.6.1 Конструктивные размеры фланца "аппаратного" ГОСТ 28759.2-90

Dобеч, мм	D1,мм	D2,мм	D3,мм	D4,мм	а, мм	D5,мм	а1,мм	b, мм	S, мм	d, мм	Ø, мм	n, шт	Рмакс, МПа
800	920	880	842	852	14	841	12	25	8	23	М20	28	0,3

4.7 Определение основных размеров штуцеров выпарного аппарата и их подбор по нормалям

Для расчета внутреннего диаметра штуцеров задают:

скорость раствора - W_ж=м/с

скорость пара - W_пара=м/с

Диаметр штуцера для ввода греющего пара:

, где

Принимаем  

Диаметр штуцера для выхода конденсата:

 

Принимаем  

Диаметр штуцера для выхода вторичного пара:

 

Принимаем  

Диаметр штуцера для входа и выхода раствора:

 

Принимаем  

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

dусл	D	D2	D1	d	h	n	dотв
200	295	268	219	24	8	22
400	535	495	457	416	30	20	23
65	160	130	110	76	14	4	14
40	145	110	88	45	18	4	18

Рис. 4.7.1 Фланец ГОСТ 12820-80

5. Расчет сепарационного пространства

Скорость пара в паровом пространстве.

 

D_c ≤1600мм - диаметр сепаратора по ГОСТ 11987-81.

         Определяем критерий Рейнольдса.

где   - диаметр капли

Коэффициент гидравлического сопротивления.

При

Скорость витания в паровом пространстве.

 

Допустимая скорость пара.

Допустимая скорость пара в зависимости от абсолютного давления   в сепарационном пространстве определяют по рис 3.3 [1].

5 ;

Объем парового пространства.

  - допускаемое напряжение парового пространства

Для растворов  при атмосферном давлении  

Объем парового пространства

м²

Диаметр сепаратора.

м

Примем стандартное значение D_с=1600 мм.

Высота сепаратора.

м

-объём парового пространства

6. Расчет толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции рассчитывают из равенства удельных тепловых потоков.

, где

 - коэффициент теплоотдачи от изоляции к воздуху

  - температура изоляции со стороны воздуха

  - температура воздуха

  - температура стенки аппарата

  - коэффициент теплопроводности материала изоляции

В качестве материала тепловой изоляции выберем стекловату, имеющую коэффициент теплопроводности l_из =0,09 Вт/м×К. Принимаем температуру наружной поверхности стенки t_ст2=40°С; температуру окружающей среды t_возд = 20°С.

 

Примем δ_из = 32мм

7. Расчет и подбор опор аппарата

Для закрепления вертикальных аппаратов устанавливаемых в помещении обычно используются подвесные опорные лапы, которые рекомендуется располагать выше центра тяжести аппарата.

7.1 Масса греющей камеры с жидкостью

m_{г. к. +ж}= m_{г. к} + m_ж

m_{г. к -} вес греющей камеры;

m_ж - вес жидкости.

H = 1,5∙H_тр = 1,5∙4 = 6 м

 

Выбираем 2 опоры с G=25000 по ОН 26-01-69-78 для аппарата с теплоизоляцией. Нагрузка на каждую опору составит G´=47443/2=23722

Условное обозначение: Опора ОВ-II-Б-2500 ОН 26-01-69-68 [4 с.673]

Рис. 7.1 Опорная лапы для вертикальных аппаратов по ОН 26-01-69-68.

Табл. 7.1 Конструктивные размеры опорных лап по ОН 26-01-69-68.

Допускаемая нагрузка, исполнениеL_3,ммS_1,ммL_1,ммL_2,ммb_1,ммb,

ммd,

ммH_1,ммВ,

мм
2500	II (с теплоизоляцией)	250	10	160	130	90	22	24	410	255

7.2 Масса сепаратора с жидкостью

M_{сеп. +ж}= m_сеп+ m_ж

Принимаем по АТК 24.200.04-90 для сепаратора с обечайкой D=1,6 мм и максимальной массой Q_max <0,5 МН:

внутренний диаметр опорного кольца D₁ = 1,5 м, диаметр осевой окружности болтов D₂=1,76 м, наружный диаметр опорного кольца D₃ = 1,88 м, диаметр отверстий под болты d=60 мм, диаметр болтов М36, количество болтов n=10 шт.

Площадь опорного кольца

А = 0,785 (D₃² - D₁²) = 0,785 (1,88² - 1,5²) =1,0 м²

Удельная нагрузка опоры на фундамент

s = Q/A = 0,15/1,0 = 0,15 МПа < [s] = 15 МПа - для бетонного фундамента.

Рис. 7.2.1 Опора цилиндрическая согласно АТК 24.200.04-90.

8. Расчет барометрического конденсатора

Из теплового баланса определяем расход охлаждающей воды

 

Из уравнения расхода рассчитываем диаметр барометрического конденсатора

 

W_{вп -} скорость паров, м/с

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров W_вп=15÷25 м/с.

По таблице 9.1 [1] выбираем диаметр барометрического конденсатора  

9. Определение высоты барометрической трубы

Скорость воды в барометрической трубе равна

 

Зная скорость воды, находим значение критерия Рейнольдса

Коэффициент трения в гладких трубах . Коэффициент местных сопротивлений на входе и на выходе из трубы равны:

Высоту барометрической трубы рассчитывают по формуле:

 

 

10. Определение производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум-насоса определяется количеством отсасываемого воздуха из конденсатора.

 

Температура воздуха рассчитывается по формуле

 

Объемная производительность вакуум-насоса

  

Давление воздуха составляет:

ат

Р_п - давление сухого насыщенного пара при t_возд = 28,0°С;

Зная необходимую объемную производительность  и остаточное давление  подбираем вакуум-насос ВВН-12 производительностью 12 м³/мин.

11. Список используемой литературы

1.      Расчет и проектирование теплоиспользующего оборудования: Учеб. пособие / В.Я. Лебедев, Е.П. Барулин, Т.М. Веренина; Иван. гос. хим. - технол. ун-т.; Иваново, 1992. - 156 с.

2.      Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. Под ред. чл. - корр. АН России П.Г. Романкова. - 11-е изд., стереотипное. Перепечатка с изд. 1987 г. - М.: ООО "РусМедиаКонсалт", 2004. - 576 с.

.        Расчёт и проектирование выпарных установок: учебное пособие. Овчинников Л.Н., Гусев Е.В. - ИГХТУ; Иваново, 2005-104 стр.

.        Альбом примеров выполнения чертежа общего вида химического аппарата / ИГХТУ-Иваново, 1997-20с.

.        Процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие/ Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. - ГОСХИМИЗДАТ, 1962, 845 стр.

.        Расчёты теплоиспользующего оборудования: Учебн. пособ. /Е.П. Барулин, В.Н. Исаев, А.И. Исаев; ИГХТУ; Иваново, 2009 - 100с.

.        Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. Справ. изд. - М.: Химия, 1988. с. 416. - ISBN 5-7245-0036-1.

.        Лащинский А.А., Толчинский А.Р. "Основы конструирования и расчета химической аппаратуры". - Л.: Машиностроение, 1973 - 752 с.

.        "Основные процессы и аппараты химической технологии”: Пособие по проектированию Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под редакцией Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1991 - 496 с.