Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3
Расчёт выпарного аппарата
Определяем общее количество выпаренной воды из уравнения материального баланса
В первом приближении количество выпаренной воды по кор-пусам принимаем равным, т.е.
3) Конечная концентрация раствора по корпусам
Таблица 1.
№
|
Наименование
|
Обозначение
|
Размерность
|
Кол-во
|
|
1
|
Производительность по исходному раствору
|
GH
|
кг/c
|
2,778
|
|
2
|
Начальная концентра-ция раствора
|
XH
|
вес.дол.,%
|
10
|
|
3
|
Конечная концентра-ция раствора
|
XK
|
вес.дол.,%
|
27
|
|
4
|
Давление греющего пара
|
P
|
Па
|
392266
|
|
5
|
Давление в барометрическом конденсаторе
|
PK
|
Па
|
19613,3
|
|
6
|
Количество выпарен-ной воды общее
|
W
|
кг/c
|
1,7489
|
|
|
в первом корпусе
|
W1
|
кг/c
|
0,583
|
|
|
во втором корпусе
|
W2
|
кг/c
|
0,583
|
|
|
в третьем корпусе
|
W3
|
кг/c
|
0,583
|
|
7
|
Конечная концентра-ция раствора
|
|
|
|
в первом корпусе
|
XK1
|
вес.дол.,%
|
12,657
|
|
|
во втором корпусе
|
XK2
|
вес.дол.,%
|
17,235
|
|
|
в третьем корпусе
|
XK3
|
вес.дол.,%
|
27,005
|
|
|
Определение температур кипения растворов
Общий предел давлений в установке:
Давления греющих паров в корпусах:
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:
Давление пара, МПа
|
Температура, ?С
|
Энтальпия пара, кДж/кг
|
|
Рг1=0,392
|
tг1=142,9
|
I1=2744
|
|
Рг2=0,267
|
tг2=132,9
|
I2=2730
|
|
Рг3=0,142
|
tг3=108,7
|
I3=2693
|
|
Рбк=0,017
|
tбк=59,7
|
Iбк=2607
|
|
|
Гидродинамическая депрессия, обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса Дґґґ = 1 град. Температуры вторичных паров в корпусах:
?С
?С
?С
Сумма гидродинамических депрессий:
?С
По температурам вторичных паров определим их давления:
Температура, ?С
|
Давление пара, МПа
|
|
tвп1 =133,9
|
Рвп1 =0,3131
|
|
tвп2 =109,7
|
Рвп2 =0,1433
|
|
tвп3 =60,7
|
Рвп3 =0,0199
|
|
|
Гидростатическая депрессия. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса:
По ГОСТу [2] аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках имеют высоту кипятильных труб Н=4 м при диаметре труб dН = 38 мм и толщине стенки уСТ = 2 мм.
При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет е=0,4 - 0,6. Примем е = 0,5. Плотность водных растворов NaNO3 [3] по корпусам при t = 20? равна: с1=1067кг/м3, с2=1143кг/м3, с3=1209кг/м3
Давление в среднем слое кипятильных труб:
Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:
Давление, *104 Па
|
Температура,?
|
Теплота испарения, кДж/кг
|
|
Рср1=32,36
|
tср1=132,9
|
rвп1=2171
|
|
Рср2=15,45
|
tср2=112,7
|
rвп2=2227
|
|
Рср3=3,18
|
tср3=68,7
|
rвп3=2336
|
|
|
Гидростатическая депрессия по корпусам:
?С
?С
?С
Сумма гидростатических депрессий:
?С
Температурная депрессия ? определяется по уравнению:
Температурная депрессия при атмосферном давлении [3]:
Температурная депрессия по корпусам:
?С
?С
?С
Сумма температурных депрессий равна:
Температуры кипения растворов в корпусах:
?С
?С
?С
Расчет полезной разности температур
Общая полезная разность температур:
Полезные разности температур по корпусам:
?С
?С
?С
?С
Проверка суммарной полезной разности температур:
?
Определение тепловых нагрузок
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:
1,03 - коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду. При решении этих уравнений можно принять: Iвп1?Iг2; Iвп2?Iг3; Iвп3?Iбк. Теплоемкости растворов: сн=3,91 Дж/(кг·К); с1=3,84 Дж/(кг·К); с2=3,61Дж/(кг·К), св=4,19Дж/(кг•К)
Решение системы уравнений дает следующие результаты:
D=0,651 кг/с; щ1=0,628 кг/с; щ2=0,567 кг/с; щ3=0,554 кг/с; Q1=1413 кВт;
Q2=1404 кВт; Q3=1337 кВт;
Параметры растворов и паров по корпусам:
Таблица 2
Параметр
|
Корпус
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
Производительность по испаряемой воде щ, кг/с
|
0,628
|
0,567
|
0,554
|
|
Концентрация растворов x, %
|
12,67
|
17,24
|
27,00
|
|
Давление греющих паров Рг, 104Па
|
39,2
|
26,7
|
14,2
|
|
Температура греющих паров tг, ?С
|
142,9
|
132,9
|
108,7
|
|
Температура кипения раствора tк, ?C
|
136,4
|
112,7
|
72,3
|
|
Полезная разность температур Дtп, град
|
6,5
|
17,4
|
36,4
|
|
Тепловая нагрузка Q, кВт
|
1413
|
1404
|
1337
|
|
|
Расчет коэффициентов теплопередачи
1) Коэффициент теплопередачи для первого корпуса:
Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:
Физические свойства кипящих растворов NaNO3 и их паров:
Параметр
|
Корпус
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
Теплопроводность раствора л, Вт/(м·К)
|
0,61
|
0,62
|
0,63
|
|
Плотность раствора сж, кг/м3
|
1089,3
|
1119,9
|
1200,1
|
|
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг·К)
|
3910
|
3840
|
3610
|
|
Вязкость раствора м, мПа·с
|
0,1
|
0,28
|
0,4
|
|
Поверхностное натяжение у*10-3, Н/м
|
72,8
|
74,7
|
76
|
|
Теплота парообразования rв, кДж/кг
|
2171
|
2227
|
2336
|
|
Плотность пара сп, кг/м3
|
1,618
|
0,898
|
0,1876
|
|
Плотность пара при 1 атм., с0, кг/м3
|
0,579
|
0,579
|
0,579
|
|
|
Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке:
Расчет б1 ведем методом последовательных приближений. Примем Дt1=0,98?, A(при р=4атм)=10650Вт/м2
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:
Перепад температур на стенке:
?
?
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора равен:
Проверим равенство приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:
2) Далее рассчитываем коэффициент теплоотдачи для второго корпуса: ?t1=8,9?
3) Коэффициент теплопередачи для третьего корпуса: ?t1=25,4?
Распределение полезной разности температур
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:
Проверим общую полезную разность температур установки:
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
Сравнение распределенных из условия равенства поверхностей теплопередачи и предварительно рассчитанных значений полезных разностей температур:
|
Корпус
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
Распределенные в первом приближении значения Дtп, ?С
|
10,6
|
19,75
|
29,86
|
|
Предварительно рассчитанные значения Дtп, ?С
|
6,5
|
17,4
|
36,4
|
|
|
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 и давления между корпусами установки. Основой перераспределения являются полученные полезные разности температур, найденные из условия равенства поверхностей теплообмена.
Уточненный расчет поверхности теплопередачи.
В связи с тем, что существенное изменение давлении, по сравнению с рассчитанным в первом приближении, происходит только в 1-м и 2-м корпусах, где суммарные потери незначительны, во втором приближении принимаем такие же значения, ?1, ?11 и ?111 как в первом приближении.
Параметр
|
Корпус
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
Производительность по испаряемой воде щ, кг/с
|
0,628
|
0,567
|
0,554
|
|
Концентрация растворов x, %
|
12,67
|
17,24
|
27,00
|
|
Давление греющих паров Рг, 104Па
|
39,2
|
26,7
|
14,2
|
|
Температура греющих паров tг, ?С
|
142,9
|
-
|
-
|
|
Полезная разность температур Дtп, град
|
10,69
|
19,75
|
29,86
|
|
Температура кипения раствора tк=tг-tп, ?C
|
132,2
|
123,15
|
113,04
|
|
Температура вторичного пара, tВ=tК-(?/+?//),?
|
112,27
|
103,22
|
93,11
|
|
Давление вторичного пара, PВ, Па
|
1,5925
|
1,1325
|
0,7885
|
|
Удельная энтальпия пара, I, кДж/кг
|
2700
|
2683
|
2666
|
|
Температура греющего пара, tГ=tВ-?///,?
|
109,27
|
120,15
|
90,11
|
|
Тепловая нагрузка Q, кВт
|
1413
|
1404
|
1337
|
|
|
Рассчитаем тепловые нагрузки:
Расчет коэффициентов теплопередачи приводит к следующим результатам:
К1=1716,49; К2=744б78; К3=449,52.
Распределение полезной разности температур:
Проверка суммарной полезной разности температур:
Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:
Сравнение значений полезных разностей температур, полученных в первом и втором приближениях:
|
Корпус
|
|
|
1
|
2
|
3
|
|
Значения Дtп во втором приближении, ?С
|
10,69
|
19,75
|
29,86
|
|
Значения Дtп в первом приближении, ?С
|
10,6
|
19,75
|
29,86
|
|
|
Различия между полезными разностями температур по корпусам не превышают 5%. Расчетная поверхность теплопередачи выпарных аппаратов составляет F=83,307 м2. По ГОСТ 11987-81 выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:
Номинальная поверхность теплообмена Fн
|
100 м2
|
|
Диаметр труб d
|
38х2 мм
|
|
Высота труб H
|
4000 мм
|
|
Диаметр греющей камеры dк
|
1000 мм
|
|
Диаметр сепаратора dс
|
1800 мм
|
|
Диаметр циркуляционной трубы dц
|
600 мм
|
|
Общая высота аппарата На
|
13000 мм
|
|
Масса аппарата Ма
|
|
|
|
2.4 Расчет барометрического конденсатора
Определение расхода охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды определим из теплового баланса конденсатора:
Конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора принимают на 3-5 град ниже температуры конденсации паров:
?С
Расчет диаметра барометрического конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора определяют из уравнения расхода:
Принимаем скорость паров равной 20 м/с.
По нормалям НИИХИММАШа подбираем конденсатор диаметром равным расчетному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром 500 мм.
Расчет высоты барометрической трубы
В соответствии с нормалями внутренний диаметр барометрической трубы dбт равен 0,125м. Скорость воды в барометрической трубе:
Высота барометрической трубы:
Величина вакуума в барометрическом конденсаторе:
Сумма коэффициентов местных сопротивлений:
Коэффициент л зависит от режима течения жидкости. Режим течения воды в барометрической трубе:
Для гладких труб при Re=91,7·103 коэффициент трения л=0,015.
отсюда
2.5 Расчет производительности вакуум-насоса
Производительность вакуум-насоса определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
Объемная производительность вакуум-насоса:
Температуру воздуха рассчитываем по уравнению:
?С
Давление воздуха:
Зная объемную производительность вакуум-насоса и остаточное давление Рбк, по ГОСТ 1867-57 подбираем вакуум-насос типа ВВН-3 мощностью на валу N=6,5 кВт.
3. Механический расчет
3.1 Расчёт толщины трубной решётки
Толщина трубной решётки (плиты) h определяется по уравнению
,
где dН- диаметр греющей камеры, м; P - расчётное давление в 1-ом корпусе, равное разность P = PГ1-PВ, м; уд - допускаемое напряжение материала трубной решётки, Мн/м2; ц - коэффициент ослабления трубной плиты отверстиями,
,
где ?d - сумма диаметров отверстий в трубной плите [м] на диаметре dК,
?d = ( dК/t - 1)•dН,
где t - шаг разбивки отверстий по ГОСТу; dН - наружный диаметр труб, м.
P = 3,9959 - 3,192 = 0,8039Мн/м2
?d = (1,0/0,048 - 1)•0,038 = 0,7536м.
0,0728м
Принимаем толщину трубной решётки 73 мм
3.2 Расчет толщины стеки обечайки
Расчетная толщина стенки обечайки определяется по формуле:
Допускаемое напряжение для стали Х17 при температуре 142,9?С составляет 150 МПа. Коэффициент прочности сварных швов 0,9
Действительное значение толщины стенки учитывает коррозионный износ:
Прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки аппарата:
Коррозионная проницаемость стали Х17 в среде 27% NaNO3 не превышает 0,1 мм/год. Амортизационный срок службы выпарного аппарата составляет 20 лет.
Принимаем толщину стенки обечайки равной 6мм.
Допускаемое внутренне избыточное давление в аппарате:
3.3 Расчет толщины днища
Расчетная толщина днища:
Действительное значение толщины днища:
Принимаем толщину днища равной толщине стенки обечайки, Sдн=6мм.
3.4 Подбор штуцеров, фланцев, прокладок
Подбор штуцеров для барометрического конденсатора с концентрическими полками Dвн=500мм
Условные проходы штуцеров:
|
D,мм
|
|
Для входа пара (А)
|
300
|
|
Для входа воды (Б)
|
100
|
|
Для выхода парогазовой смеси (В)
|
80
|
|
Для барометрических трубы (Г)
|
125
|
|
Для входа парогазовой смеси (И)
|
80
|
|
Для выхода парогазовой смеси (Ж)
|
50
|
|
Для барометрической трубы (Е)
|
50
|
|
|
Для разъемного присоединения труб, арматуры и измерительных приборов используют штуцера фланцевые или резьбовые. Наибольшим распространением пользуются фланцевые штуцера для присоединения труб, арматур и приборов с Dy>10мм, а резьбовые штуцера - с Dy?32мм.
Подбираем штуцер из двухслойной стали с приварными фланцами и направленной уплотнительной поверхностью на р=0,4МПа (по МН 4579-63-МН 4584-63) Dy=300мм, dн=325мм, Н=200мм, l=270мм, s=10мм, количество болтов М20 - 12.
Фланцы являются деталями массового изготовления. С помощью фланцев осуществляются разъемные соединения аппаратов и трубопроводов. Фланцы, подобранные по ГОСТу или нормали, в расчете не нуждаются, их размеры таковы, что обеспечивается прочность и плотность соединения.
Подбираем приварные фланцы для крепления крышки к обечайке аппарата по следующим данным: давление в аппарате P=0,4МПа; температура стенок t=140°С; внутренний диаметр аппарата ДВ=1000мм; толщина стенок обечайки Sст=6мм, толщина стенок днища Sдн=6мм. В аппарате находится не токсичная, не обладающая взыво-, пожароопасностью среда - раствор NaNO3.
По ОСТ 26-427-70 подбираем размеры приварных фланцев с уплотнительной поверхностью выступ-впадина, которые имеют утолщенную шейку, придающую фланцам большую жесткость .
Выбираем размеры фланцев при Py=0,4МПа: ДВ=1000мм; Дф=1130мм; Дб=1090мм; smin=6; h=48мм; количество болтов М20 - 40.
Прокладки обеспечивают герметичность фланцевого соединения. При низких температурах и давлениях для воды и других нейтральных сред применяют картон. ДВ=1000мм; Д1=1065мм; Д2=1037мм; mп=0,244кг - масса прокладки, а?3,6
Заключение
В данной курсовой работе представлен расчет процесса выпаривания раствора NaNO3 по следующим исходным данным:
Производительность по сырью - 10 т/ч
Концентрация раствора: начальная - 10%, конечная - 27%
Число корпусов - 3
Давление греющего пара - 4 ата
Давление в последнем корпусе - 0,2 ата
Температура воды на входе в конденсатор - 8оС
Начальная температура раствора - tкип=101,5 оС
В результате проведенных расчетов были выбраны по каталогу следующие аппараты:
- Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой, солеотделением.
Номинальная поверхность теплообмена Fн=100 м2,
Общая высота аппарата На=13000 мм,
Масса аппарата Ма=8500 кг
- Барометрический конденсатор
Диаметром D=0,5м
Высота трубы Н=8,83м.
Расход охлаждающей воды G=8,54кг/ч
- Вакуум-насос типа ВВН-3 мощностью на валу N=6,5 кВт.
Страницы: 1, 2
|
|