Расчёт многокорпусной выпарной установки

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров v принимают 15 - 25 м/с:

м

По нормалям НИИХИММАШа подбираем конденсатор диаметром, равным расчётному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром d_бк = 600 мм.

3.3 Расчёт высоты барометрической трубы

В соответствии с нормалями ОСТ 26716 - 73, внутренний диаметр барометрической трубы d_бт равен 150 мм.

Скорость воды в барометрической трубе v_в равна:

 м/с

Высоту барометрической трубы определяют по уравнению:

(25)

где В - вакуум в барометрическом конденсаторе, Па; Уо - сумма коэффициентов местных сопротивлений; л - коэффициент трения в барометрической трубе; Н_бт, d_бт - высота и диаметр барометрической трубы, м; 0,5 - запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

В = Р_атм - Р_бк = 9,8 • 10⁴ - 3 • 10⁴ = 6,8 • 10⁴ Па

Уо = о_вх + о_вых = 0,5 + 1,0 = 1,5

где о_вх и о_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.

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

Для гладких труб при Re = 855000 коэффициент трения л равен:

Отсюда находим Н_бт = 7,68 м. [1]

В таблице 17 представлены основные размеры барометрического конденсатора.

Таблица 17 Основные размеры барометрического конденсатора

Параметр	Значение, мм
Диаметр барометрического конденсатора, dБК	600
Толщина стенки аппарата, S	5
Расстояние от верхней полки до крышки аппарата, а	1300
Расстояние от нижней полки до днища аппарата, r	1200
Ширина полки, b	-
Расстояние между осями конденсатора и ловушки: К1 К2	675 -
Высота установки Н	4550
Ширина установки Т	1400
Диаметр ловушки D	400
Высота ловушки h	1440
Диаметр ловушки D1	-
Высота ловушки h1	-
Расстояние между полками: а1 а2 а3 а4 а5	260 300 360 400 430
Основные проходы штуцеров: для входа пара (А) для входа воды (Б) для выхода парогазовой смеси (В) для барометрической трубы (Г) воздушник (С) для входа парогазовой смеси (И) для выхода парогазовой смеси (Ж) для барометрической трубы (Е)	350 125 100 150 - 100 70 50

4. Расчёт производительности вакуум-насоса

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

кг/с (26)

где 2,5 • 10^-5 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 - количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.

кг/с

Объёмная производительность вакуум-насоса равна:

(27)

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль•К); M_возд - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; t_возд - температура воздуха, °С; Р_возд - парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитывают по уравнению:

°С

Давление воздуха равно:

Р_возд = Р_бк - Р_п

где Р_п - давление сухого насыщенного пара (Па) при t_возд = 26,96 °С.

Р_возд = 0,305 • 9,8 • 10⁴ - 0,04 • 9,8 • 10⁴ = 2,6 • 10⁴ Па

Тогда:

м³/с (1,955 м³/мин)

Зная объёмную производительность V_возд и остаточное давление Р_бк, по ГОСТ 1867 - 57 подбираем вакуум-насос типа ВВН-3 мощностью на валу N = 6,5 кВт. [1]

5. Расчёт диаметров трубопроводов и подбор штуцеров

Штуцера подбираются по внутреннему диаметру трубопровода. Внутренний диаметр трубопровода круглого сечения рассчитывают по формуле:

(28)

где Q - расход воды, м³/с; w - скорость движения жидкости, м/с.

Для жидкости при движении самотёком значение скорости выбирается в интервале от 0,5 до 1 м/с, для того чтобы обеспечить близкий к оптимальному диаметр трубопровода. При перекачке жидкости насосами скорость во всасывающих трубопроводах: w = 0,8 - 2,0 м/с; в нагнетательных трубопроводах: w = 1,5 - 3,0 м/с. Для паров при давлении большем чем 0,1 МПа скорость равна: w = 15 - 25 м/с.

Рассчитываем диаметр трубопровода для подачи раствора из ёмкости в теплообменник-подогреватель:

м³/с

где с_н = 1071 кг/м³ - плотность раствора Na₂SO₄ при 20 °С.

м

По ОСТ 26 - 1404 - 76 (С. 175 [10]) подбираем штуцер с условным проходом D_у = 50 мм, условным давлением Р_у = 0.6 МПа, толщиной стенки S_т = и длиной штуцера H_т: 155; 215.

Рассчитываем диаметр трубопровода для подачи раствора из теплообменника-подогревателя в первый корпус выпарной установки:

м³/с

w = 0,5 м/с - при движении жидкости самотёком.

м

По ОСТ 26 - 1404 - 76 подбираем штуцер с условным проходом D_у = 100 мм, условным давлением Р_у = 0,6 МПа, толщиной стенки S_т = 5 и длиной штуцера H_т: 155; 215.

Рассчитываем диаметр трубопровода для подачи греющего пара в теплообменник-подогреватель. Расход греющего пара D = 0,83 кг/с.

м³/с

где с_п = 2,1 кг/м³ - плотность греющего пара при 143,5 °С.

м

По ОСТ 26 - 1404 - 76 подбираем штуцер с условным проходом D_у = 200 мм, условным давлением Р_у = 0,6 МПа, толщиной стенки S_т = 6 и длиной штуцера H_т: 160; 220.

Рассчитываем диаметр трубопровода для выхода конденсата из теплообменника-подогревателя:

м³/с

где с_в = 923 кг/м³ - плотность воды при 143,5 °С.

м

По ОСТ 26 - 1404 - 76 подбираем штуцер с условным проходом D_у = 50 мм, условным давлением Р_у = 0,6 МПа, толщиной стенки S_т = 3 и длиной штуцера H_т: 155; 215.

Рассчитываем диаметр трубопровода для выхода конденсата из третьего корпуса выпарной установки:

м³/с

где с_к = 1323 кг/м³ - плотность раствора Na₂SO₄ в третьем корпусе выпарной установки.

м

По ОСТ 26 - 1404 - 76 подбираем штуцер с условным проходом D_у = 40 мм, условным давлением Р_у = 0,6 МПа, толщиной стенки S_т = 3 и длиной штуцера H_т: 155; 215 [10].

6. Расчёт насоса для подачи исходной смеси

В данной установке необходимо подобрать насос для подачи исходного раствора из ёмкости в теплообменник-подогреватель. Необходимо определить необходимый напор и мощность при заданном расходе жидкости. Далее по этим характеристикам выбираем насос конкретной марки.

а) Выбор трубопровода.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 м/с. Тогда диаметр будет определяться по формуле (24):

где Q - расход Na₂SO₄, равный Q = G/с = 3,333/1071 = 0,31 • 10^-2 м³/с.

м

Выбираем стальную трубу наружным диаметром 48 мм, толщиной стенки 3 мм. Внутренний диаметр трубы d = 42 мм. Фактическая скорость раствора в трубе:

Примем, что трубопровод стальной, коррозия незначительна.

б) Определение потерь на трение и местные сопротивления.

Находим критерий Рейнольдса:

где с = 1071 - плотность раствора Na₂SO₄ при 20 °С; м = 0,89 • 10^-3 Па - вязкость раствора Na₂SO₄ при 20 °С.

То есть режим турбулентный. Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем Д = 2 • 10^-4 м. Тогда относительная шероховатость трубы определяется по формуле:

(29)

В турбулентном потоке различают 3 зоны, для которых коэффициент теплопроводности л рассчитывают по разным формулам. Получим:

; ;

2100 < Re < 117600 (Re = 113147)

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчёт л следует проводить по формуле:

(30)

Подставив, получим:

Вт/(мЧК)

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений отдельно для всасывающей и нагнетательной линий.

Для всасывающей линии:

1) Вход в трубу (принимаем с острыми краями): о₁ = 0,5.

2) Прямоточные вентили: для d = 0,03 м о = 0,85, для d = 0,05 м о = 0,79.

Экстраполяцией находим для d = 0,042 м о = 0,814. Так как Re < 3 • 10⁵, следовательно о умножаем на коэффициент k = 0,927, получаем о₂ = 0,75.

3) Отводы: плавный отвод круглого сечения определяют по формуле: о = А • В. Коэффициент А зависит от угла ц, на который изменяется направление потока в отводе: ц = 90 °С, следовательно А = 1. Коэффициент В зависит от отношения радиуса поворота трубы R_о к внутреннему диаметру d: Примем , так как радиус поворота равен шести диаметрам трубы, следовательно В = 0,09. о₃ = 1 • 0,09 = 0,09.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

(31)

где l и d_э - длина и эквивалентный диаметр трубопровода. Принимаем длину трубопровода на линии всасывания, равной 6 м.

м

Для нагнетательной линии:

1) Отводы под углом 120°: А = 1,17, В = 0,09, о₁ = А • В = 1,17 • 0,09 = 0,105.

2) Отводы под углом 90°: о₂ = 0,09 (см. выше).

3) Нормальные вентили: для d = 0,04 м о = 4,9, для d = 0,08 м о = 4,0. принимаем для d = 0,042 м о₃ = 4,86.

4) Выход из трубы: о₃ = 1.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

Потерянный напор в нагнетательной линии:

м

Общие потери напора:

м

в) Выбор насоса.

Находим напор насоса по формуле:

(32)

где Р₁ - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость; Р₂ - давление в аппарате, в который подаётся жидкость; Н_г - геометрическая высота подъёма жидкости; h_п - суммарные потери напора во всасывающей и нагнетательной линии. Примем Н_г = 10 м.

м вод. столба

Подобный напор при заданной производительности обеспечивается центробежными насосами. Учитывая, что центробежные насосы широко распространены в промышленности ввиду достаточно высокого к. п. д., компактности и удобства комбинирования с электродвигателями, выбираем для последующего рассмотрения именно эти насосы.

Полезная мощность насоса определяется по формуле:

(33)

где Q - расход; Н - напор насоса (в метрах столба перекачиваемой жидкости).

кВт

Мощность, которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы, находится по формуле:

(34)

где з_н и з_пер - коэффициенты полезного действия соответственно насоса и передачи от электродвигателя к насосу.

К. п. д. передачи зависит от способа передачи усилия. В центробежных насосах обычно вал электродвигателя непосредственно соединяется с валом насоса; в этих случаях з_пер ? 1. Если к. п. д. насоса неизвестен можно руководствоваться следующими примерными значениями: при малой и средней подаче з_н = 0,4 - 0,7; при большой подаче з_н = 0,7 - 0,9.

Принимая з_пер = 1 и з_н = 0,6 (для центробежного насоса средней производительности), найдем мощность на валу двигателя по формуле:

кВт

По Приложению 1 устанавливаем, что заданным подаче и напору больше всего соответствует центробежный насос марки Х 45/54, для которого в оптимальных условиях работы Q = 1,25 • 10^-2 м³/с; Н = 42 м; з_н = 0,6. Насос обеспечен электродвигателем АО2 - 62 - 2 номинальной мощностью N_н = 13 кВт, з_дв = 0,88. Частота вращения вала n = 48,3 с^-1.

г) Определение предельной высоты всасывания.

Рассчитаем запас напора на кавитацию по формуле:

 (35)

где n - частота вращения вала.

м

Устанавливая насос в технологической схеме, следует учитывать, что высота всасывания Н_вс не может быть больше следующей величины:

(36)

где Р_t - давление насыщенного пара перекачиваемой жидкости при температуре 20 °С Р_t = 0,0238 • 9,81 • 10⁴ = 2,35 • 10³ Па. Примем, что атмосферное давление равно Р₁ = 10⁵ Па, а диаметр всасывающего патрубка равен диаметру трубопровода.

м

Таким образом, насос может быть установлен на высоте 4,5 м над уровнем жидкости в ёмкости. [1]

7. Расчёт теплообменника-подогревателя

Необходимо рассчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого испарителя с получением G₂ = 0,83 кг/с паров водного раствора Na₂SO_4w, кипящего при небольшом избыточном давлении и температуре t₂ = 125,26 °С. Na₂SO₄ имеет следующие физико-химические характеристики:

с₂ = 1071 кг/м³;

с_п = 1,243 кг/м³;

м₂ = 0,26 • 10^-3 Па • с;

л₂ = 0,342 Вт/(м • К);

у₂ = 0,0766 Н/м;

с₂ = 3855 Дж/(кг • К);

r₂ = 2198 • 10³ Дж/кг

В качестве теплоносителя будет использован насыщенный водяной пар давлением 0,4 МПа. Удельная теплота конденсации r₁ = 2135 • 10³ Дж/кг, t₁ = 143,5 °С. Физико-химические характеристики конденсата при температуре конденсации: с₁ = 923 кг/м³; м₁ = 0,192 • 10^-3 Па • с; л₁ = 0,685 Вт/(м • К).

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, используем формулу:

(37)

где для вертикальных поверхностей а = 1,21 м, l = Н м.



Коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости определим по формуле:

Для определения поверхности теплопередачи и выбора конкретного варианта конструкции теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи. Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:

Подставляя сюда выражения для б₁ и б₂ можно получить одно уравнение относительно неизвестного удельного теплового потока:

(38)

Решив это уравнение относительно q каким-либо численным или графическим методом, можно определить требуемую поверхность .

1) Определение тепловой нагрузки аппарата:

Q = G • r (39)

Уравнение справедливо при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата и при кипении.

Q = 0,83 2198 10³ = 1824340 Вт

2) Определение расхода греющего пара из уравнения теплового баланса:

кг/с

3) Средняя разность температур:

Дt_ср = 143,5 - 125,26 = 18,24 °С

4) В соответствии с Приложением 2 примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор = 800 Вт/(м² • К). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

м²

В соответствии с Приложением 3, поверхность, близкую к ориентировочной могут иметь теплообменники с высотой труб Н = 4,0 м и диаметром кожуха D = 800 мм (F = 127 м²) или с высотой труб Н = 6,0 м и диаметром кожуха D = 600 мм (F = 126 м²).

5) Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи.

Примем в качестве первого варианта теплообменник с высотой труб Н = 4,0 м, диаметром кожуха D = 1000 мм и поверхностью теплопередачи F = 127 м². Выполним его уточнённый расчёт, решив уравнение (34).

В качестве первого приближения примем ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки:

Вт/м²

Для определения f(q₁) необходимо рассчитать коэффициенты А и В:

Толщина труб 2,0 мм, материал - нержавеющая сталь; л_ст = 17,5 Вт/(м • К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений (термическим сопротивлением со стороны греющего пара можно пренебречь) равна:

м² • К/Вт

Тогда

Примем второе значение q₂ = 20000 Вт/м² получим:

Третье, уточнённое значение q₃, определим в точке пересечения с осью абсцисс хорды, проведённой из точки 1 в точку 2 на графике зависимости f(q) от q:

(40)

Получим

Вт/м²

Такую точность определения корня уравнения (34) можно считать достаточной, и q = 20235,4 Вт/м² можно считать истинной удельной тепловой нагрузкой. Тогда требуемая поверхность составит:

м²

В выбранном теплообменнике запас поверхности составит:

%

Масса аппарата: М₁ = 3950 кг (см. Приложение 4).

Вариант 2. рассчитаем также теплообменник с высотой труб 6,0 м, диаметром кожуха 600 мм и номинальной поверхностью 126 м².

Для этого уточним значение коэффициента В:

Пусть Вт/м².

Тогда

Пусть q₂ = 25000 Вт/м².

Тогда

Получим

Вт/м²

Требуемая поверхность: м²

В выбранном теплообменнике запас поверхности составляет:

%

Масса аппарата: М₂ = 3130 кг (см. Приложение 4).

У последнего аппарата масса значительно меньше, поэтому выбираем его.

Критическую удельную тепловую нагрузку, при которой пузырьковое кипение переходит в плёночное, а коэффициент теплоотдачи принимает максимальное значение, можно оценить по формуле, справедливой для кипения в большом объёме:

 (41)

кВт/м²

Следовательно, в рассчитанных аппаратах режим кипения будет пузырьковым. Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи в выбранном варианте соответственно равны:

Вт/(м² • К)

Вт/(м² • К)

Вт/(м² • К)

Таким образом, был выбран теплообменник-испаритель со следующими характеристиками [1]:

Таблица 18 Характеристики теплообменника-испарителя

Диаметр кожуха, мм	Диаметр труб, мм	Общее число труб, шт	Поверхность теплообмена (в м3) при длине труб 6,0 м	Масса, кг
600	25Ч2	334	126	3130

8. Расчёт вспомогательного оборудования выпарной установки

8.1 Расчёт конденсатоотводчиков

Для отвода конденсата, образующегося при работе теплообменных аппаратов, в зависимости от давления пара, применяют различные виды устройств. При давлении на выходе не менее 0,1 МПа и противодавлении не более 50 % давления на выходе устойчиво работают термодинамические конденсатоотводчики. При начальном давлении не менее 0,06 Мпа рекомендуется устанавливать конденсатоотводчики поплавковые муфтовые, которые надёжно работают при перепаде давления более 0,05 МПа при постоянном и переменных режимах расходования пара. При ?Р от 0,03 до 1,3 МПа для автоматического удаления конденсата из различных пароприемников пригодны конденсационные горшки с открытым поплавком. При давлении пара до 0,03 МПа для отвода конденсата могут применяться гидравлические затворы (петли).

8.1.1 Расчёт конденсатоотводчиков для первого корпуса выпарной установки

Из условия видно, что Р_г = 0,4 МПа, значит, применим термодинамические конденсатоотводчики.

1) Расчётное количество конденсата после выпарного аппарата:

G = 1,2 • G_г = 1,2 • 0,83 = 0,996 кг/с или 3,59 т/ч.

2) Давление пара перед конденсатоотводчиком.

P = 0,95 • P_г = 0,95 • 0,4 = 0,38 МПа или 3,87 атм.

3) Давление пара после конденсатоотводчика.

P' = 0,01 МПа или 0,1 атм, т.к. у нас свободный слив конденсата.

4) Условная пропускная способность K•V_y.

 (42)

?P = P - P' = 0,38 - 0,01 = 0,379 МПа или 3,77 атм.

Тогда:

т/ч

Подходящей условной пропускной способностью конденсатоотводчика 45ч12нж является 0,9 т/ч, поэтому установим 4 конденсатоотводчика с такой пропускной способностью.

Размеры данного конденсатоотводчика: D_y = 25 мм, L = 100 мм, L₁ = 12 мм, H_max = 53 мм, Н₁ = 30 мм, S = 40мм, S₁ = 21 мм, D₀ = 60 мм.

8.1.2 Расчёт конденсатоотводчиков для второго корпуса выпарной установки

Давление греющего пара во втором корпусе - 0,277 МПа, значит, используем термодинамические конденсатоотводчики.

1) Расчётное количество конденсата после выпарного аппарата:

G = 1,2 • G_г = 1,2 • 0,63 = 0,756 кг/с или 2,72 т/ч.

2) Давление пара перед конденсатоотводчиком.

P = 0,95 • P_г = 0,95 • 0,277 = 0,263 МПа или 2,682 атм.

3) Давление пара после конденсатоотводчика.

P' = 0,01 МПа или 0,1 атм, т.к. у нас свободный слив конденсата.

4) Условная пропускная способность K•V_y.

?P = P - P' = 0,263 - 0,01 = 0,253 МПа или 2,582 атм.

Тогда: т/ч

Подходящей условной пропускной способностью конденсатоотводчика 45ч12нж является 0,9 т/ч, поэтому установим 4 конденсатоотводчика с такой пропускной способностью.

8.1.3 Расчёт конденсатоотводчиков для третьего корпуса выпарной установки

Давление греющего пара во втором корпусе - 0,094 МПа, значит используем поплавковый муфтовый конденсатоотводчик.

1) Расчётное количество конденсата после выпарного аппарата.

G = 1,2 • G_г = 1,2 • 0,43 = 0,52 кг/с или 1,86 т/ч.

2) Давление пара перед конденсатоотводчиком.

P = 0,95 • P_г = 0,95 • 0,153 = 0,145 МПа или 1,48 атм.

3) Давление пара после конденсатоотводчика.

P' = 0,01 МПа или 0,1 атм, т.к. у нас свободный слив конденсата.

4) Перепад давления на конденсатоотводчике.

?P = P - P' = 0,153 - 0,01 = 0,143 МПа или 1,38 атм.

5)Условная пропускная способность K•V_y.

=> (43)

с = 1323 кг/м³ или 1,323 г/см³.

т/ч

Выбираем конденсатоотводчик типа 45ч12нж с KV = 0,9 т/ч - 4 шт.

Размеры данного конденсатоотводчика: D_y = 25 мм, L = 100 мм, L₁ = 12 мм, H_max = 53 мм, Н₁ = 30 мм, S = 40мм, S₁ = 21 мм, D₀ = 60 мм.

8.2 Расчёт ёмкостей

Необходимо рассчитать две ёмкости: для начального и упаренного раствора.

Вычислим объём ёмкости для исходного (начального) раствора.

(44)

где ф - время, ф = 4 часа; с - начальная плотность Na₂SO₄ при 20 °С, с = 1071 кг/м³.

м³

По ГОСТ 9931 - 79 (С. 334 [10]) выбираем ёмкость ГЭЭ, исполнение 2 - горизонтальная с эллиптическим днищем и крышкой. V = 63 м³, D_в = 3000 мм; l = 7920 мм; F_в = 94,1 м².

Рассчитаем ёмкость для упаренного раствора:

(45)

кг/ч

м³

По ГОСТ 9931 - 79 выбираем ёмкость ГЭЭ, исполнение 2 - горизонтальная с эллиптическим днищем и крышкой. V = 12,5 м³, D_в = 1800 мм; l = 4315 мм; F_в = 31,4 м².

Ёмкости выбираются из расчёта 4 часа непрерывной работы при отсутствии поступления раствора + 20 % - запас на переполнение ёмкости.

9. Механические расчёты основных узлов и деталей выпарного аппарата

Одним из определяющих параметров при расчётах на прочность узлов и деталей химических аппаратов, работающих под избыточным давлением, является давление среды в аппарате. Расчёт аппарата на прочность производится для рабочего давления при нормальном протекании технологического процесса.

Другим важным параметром при расчёте на прочность узлов и деталей является их температура. При температуре среды в аппарате ниже 250 °С расчётная температура стенки и деталей принимается равной максимально возможной при эксплуатации температуре среды.

Расчёту на прочность предшествует выбор конструкционного материала в зависимости от необходимой химической стойкости, требуемой прочности, дефицитности и стоимости материала и других факторов. Прочностные характеристики конструкционного материала при расчётной температуре определяются допускаемыми напряжениями в узлах и деталях.

Разрушающее действие среды на материал учитывается введением прибавки С_к к номинальной толщине детали:

С_к = П • ф_а = 10 • 0,1 = 1 мм (46)

где ф_а - амортизационный срок службы аппарата (можно принять ф_а = 10 лет); П - коррозионная проницаемость, мм/год. При отсутствии данных о проницаемости принимают П = 0,1 мм/год.

9.1 Расчёт толщины обечаек

Главным составным элементом корпуса выпарного аппарата является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью. Цилиндрические обечайки из стали, сплавов из основы цветных металлов и других пластичных материалов при избыточном давлении среды в аппарате до 10 МПа изготовляют вальцовкой листов с последующей сваркой стыков.

Необходимо определить толщину стенки сварной цилиндрической обечайки корпуса выпарного аппарата, работающего под внутренним избыточным давлением Р = 0,6 МПа, при следующих данных: материал обечайки - сталь марки Х18Н10Т, проницаемость П ? 0,1 мм/год, запас на коррозию С_к = 1 мм; среда - насыщенный водяной пар при абсолютном давлении 0,4 МПа и температуре 143,5 °С. Внутренний диаметр обечайки D_в = 1,8 м, отверстия в обечайке укреплённые, сварной шов стыковой двухсторонний (ц_ш = 0,95). Допускаемое напряжение для стали марки 12Х18Н9Т при 150 °С определим по графику: у_д = 236 МН/м².

Толщина обечайки с учётом запаса на коррозию и округлением рассчитывается по формуле:

(47)

где D - наружный или внутренний диаметр обечайки, м; у_д - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м². Коэффициент ц учитывает ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукреплённых отверстий. При отсутствии неукреплённых отверстий ц = ц_ш, причём для стальных обечаек принимают ц_ш =0,7 - 1,0, в зависимости от типа сварного шва. Прибавка толщины с учётом коррозии С_к определяется формулой (41), а полученное суммарное значение толщины округляется до ближайшего нормализованного значения добавлением С_окр.

 м (48)

Границей применимости формулы (42) является условие:

(49)

То есть условие выполняется.

Допускаемое избыточное давление в обечайке можно определить из формулы (42):

МПа [1].

9.2 Расчёт толщины днищ

Составными элементами корпусов выпарных аппаратов являются днища, которые обычно изготовляются из того же материала, что и обечайки, и привариваются к ней. Днище неразъёмно ограничивает корпус вертикального аппарата снизу и сверху. Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Эллиптические днища изготовляются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа толщину стандартных эллиптических днищ, работающих под внутренним избыточным давлением Р, рассчитывают по формуле (42), которая справедлива при условии:

 (50)

Необходимо определить толщину стенки верхнего стандартного отбортованного эллиптического днища для обечайки выпарного аппарата, рассчитанной выше. Днище сварное (ц_ш = 0,95); в нём имеется центрально расположенное неукреплённое отверстие d_о = 0,2 м. Коэффициент ослабления днища отверстием определяется по формуле:

(51)

Поскольку ц_о < ц_ш, примем ц = ц_о = 0,889.

Толщина днища равна:

м

То есть условие выполняется.

Конические днища применяют в тех случаях, когда это обусловлено технологическим процессом, исключающим применение эллиптических или плоских днищ, например, при необходимости непрерывного или периодического удаления вязких жидкостей, суспензий, сыпучих или кусковых материалов через нижний штуцер. Угол конуса при вершине в днищах обычно принимают равным 60° или 90°.

Расчёт нижнего конического днища с торроидальным переходом (отбортовкой), нагруженных внутренним избыточным давлением, рассчитывают по формуле:

 (52)

Угол б = 45° - половина угла при вершине конуса cosб = 0,71.

м

Эта формула справедлива при условии:

(53)

, , следовательно условие выполняется.

Допускаемое избыточное давление для конических днищ определяется из формулы (46):

МПа [1].

9.3 Определение фланцевых соединений и крышек

Среди разъёмных неподвижных соединений в химическом аппаратостроении наибольшее распространение получили фланцевые соединения. При конструирования аппаратов следует применять стандартные и нормализованные фланцы, например, по ГОСТ 12815 - 67 - ГОСТ 12839 - 67, ГОСТ 1233 - 67 - ГОСТ 1235 - 67. Конструкция фланцевого соединения принимается в зависимости от рабочих параметров аппарата: при давлении Р ? 2,5 МПа, температуре t ? 300 °С и числе циклов нагружения за время эксплуатации до 2000 применяются плоские приварные фланцы. Во фланцевых соединениях при Р ? 2,5 МПа, t ? 300 °С применяются болты.

Таблица 19 Основные размеры фланцевого соединения [10]

D, мм	Ру, Мпа	Размеры, мм	Число отверстий z
		Dц	DБ	D1	D2	D3	h	a	a1	s	d
1800	0,6	1930	1890	1848	1860	1845	60	17,5	14	10	23	68

Болты подбираются по ГОСТ 7798 - 70 из стали 12Х18Н10Т [10].

9.4 Расчет аппарата на ветровую нагрузку

Расчетом проверяется прочность и устойчивость аппарата, устанавливаемого на открытой площадке при действии на него ветра. В частности, определяются размеры наиболее ответственного узла аппарата - опоры и фундаментных болтов, которыми крепится опора к фундаменту.

При отношении высоты аппарата к его диаметру H/D >5 (H/D=6,4) аппараты оснащают цилиндрическими или коническими юбочными опорами.

Аппарат по высоте условно разбивается на участки -- произвольно, но не более чем через 10 м. Сила тяжести каждого участка принимается сосредоточенной в середине участка. Ветровая нагрузка, равномерно распределенная по высоте аппарата, заменяется сосредоточенными силами, приложенными в тех же точках, что и сила тяжести участков.

Рис. 12 Схема разбивки аппарата на участки при расчете его на ветровуюнагрузку.

Нормативный скоростной напор ветра q₀ на высоте от поверхности земли до x=10 м для разных географических районов России различен, он принимается по таблице 7, наш город находиться в районе 2.

Для высот более 10 м нормативный скоростной напор принимается с поправочным коэффициентом и, величина которого определяется по графику на рис. 7.

Рис.7 График для определения поправочного коэффициента на увеличение скоростного напора ветра для высот более 10.

Таблица 20 Нормативный скоростной напор ветра q₀ на высоте от поверхности земли до 10 м для разных географических районов Росси по ОН 26-01 -13- 65/Н1039-65

Географический район России	1	2	3	4	5	6	7
q, Па	230	300	380	480	600	790	850

Т.к. высота аппарата 13 м , то разбиваем её на 4 равных уровня по 3,25 м и определяем скоростной напор на каждом из них по формуле:

q= и· q₀·К (54)

где К - аэродинамический коэффициент (для цилиндрического корпуса К=0,6).

при x₁=3,25 м => ₁q= и₁· q₀·К =1·300•0,6=180 Па;

при x₂=6,5 м => q₂= и₂· q₀·К =300·0,6=180 Па;

при x₃=9,75 м => q₃=и₃·q₀·К =1·300·0,6=180 Па;

при x₄=13 м => q₄=и₄· q₀·К =1,1·300 ·0,6=198 Па.

Кроме учета изменения нормативного скоростного напора ветра в зависимости от высоты аппарата при расчете на ветровую нагрузку, учитываются также динамическое воздействие на аппарат возможных порывов ветра, колебания аппарата и явления резонанса, возникающего в том случае, когда при определенных скоростях ветра частота порывов его совпадает с частотой собственных колебаний аппарата. Для этого при определении расчетной нагрузки от ветра вводится коэффициент увеличения скоростного напора:

(55)

где - коэффициент динамичности, определяемый по графику на рис.8, - коэффициент пульсации скоростного напора ветра, определяемый по графику на рис. 9.

Рис. 8. График для определения коэффициента динамичности

Период собственных колебаний аппарата Т в секундах определяется по формуле:

, (56)

где Н - высота аппарат, м; Е^t - модуль нормальной упругости материала корпуса аппарата при рабочей температуре, МПа; Е^t=2,00·10⁵ МПа; J - момент инерции верхнего поперечного сечения корпуса аппарата относительно центральной оси, м⁴; g - ускорение силы тяжести, м/с²; G - сила тяжести всего аппарата, МН.

Рис. 9. График для определения коэффициента пульсации скоростного напора ветра.

(57)

где плотность материала стали с_Х18Н10Т = 7880 кг/м³.

Подставляем найденные значения:

Тогда =1,5 по графику.

Далее находим:

;

;

;

.

Далее определяем силу, действующую на i-й участок аппарата от ветрового напора:

(58)

;

;

;

.

Далее определяем изгибающий момент от ветровой нагрузки относительно основания аппарата:

Изгибающий момент от действия ветровой нагрузки на одну площадку, расположенную на высоте х_i - от основания аппарата, М_вni определяется по формуле

(59)

где x_ni - расстояние от низа i-ou площадки до основания аппарата в м; - сумма проекции всех элементов площадки, расположенных вне зоны аэродинамической тени на вертикальную плоскость в м²:

;

;

где n - число площадок.

Общий изгибающий момент от ветровой нагрузки найдем по формуле:

9.5 Расчёт опор аппарата

Расчет опор [9, 10], предназначенных для цилиндрических колонных аппаратов производят исходя из ветровой и сейсмической нагрузок. В таких опорах расчётом определяются: размеры рёбер, сварные или паянные швы и местные напряжения в цилиндрических стенках аппарата в местах присоединения к ним опор.

Отношение вылета к высоте ребра l/h рекомендуется принимать равным 0,5.

Расчётная толщина ребра определяется по формуле:

(48)

где G - максимальный вес аппарата, МН (обычно бывает во время испытания, когда аппарат заполнен водой); n - число лап (не менее двух); z- число рёбер в одной лапе (1 или 2); у_с.д - допускаемое напряжение на сжатие (можно принять равным 100 МН/м²); l - вылет опоры, м. Значение коэффициента k рекомендуется предварительно принять k = 0,6. Если при этом д получится не менее l/13, то расчётная величина д является окончательной. В противном случае значение коэффициента k необходимо уменьшить с пересчётом толщины д и последующей проверкой l/д по графику.

Определим основные размеры опоры (лапы) для вертикального цилиндрического аппарата, подвешенного на четырёх лапах по следующим данным: максимальный вес аппарата G = 0,085 МН, число лап n = 4; конструкция лап - двухрёберная, z = 2; вылет лапы l = 0,2 м; С_к = 1 мм; диаметр корпуса D_в = 1,8 м.

Пренебрегаем отношением вылета лапы к высоте ребра l/h = 0,5.

Тогда м.

Толщину ребра определим по формуле (48):

м

Отношение > д = 0,004, поэтому уменьшаем значение k до 0,27, при котором по графику .

Пересчитываем д:

м > м.

Принимаем толщину ребра д = 10 мм.

Общая длина сварного шва определяется по формуле:

 м (49)

Прочность сварного шва проверим по формуле:

(50)

где L_ш - общая длина сварных швов, м; h_ш - катет сварного шва, h_ш = 0,008 м; ф_ш.с. - допускаемое напряжение материала на срез, ф_ш.с. = 80 МН/м².

То есть прочность обеспечена.

Определим опоры аппарата. При определении нагрузки на подвесную опорную лапу все действующие на аппарат нагрузки приводят к осевой силе Р, определяемой максимальным весом аппарата при эксплуатации или при гидравлических испытаниях, и моменту М, зависящему от конструкции аппарата, и т. д. При учебных расчётах момент М можно принять равным нулю. Нагрузку на одну опору рассчитывают по соотношению:

(51)

Если М = 0, следовательно , значит ,

где л₁ - коэффициент, зависящий от числа опор z. Примем z = 4, значит л₁ = 2.

Рассчитаем осевую силу Р = m • g. Масса аппарата при гидравлических испытаниях равна:

m = m_ап + m_воды (52)

m_ап = 8500 кг; m_воды = V • с, где V = УV_сост.ч..

Зная технические характеристики аппарата найдём:

м³

м³

V = 3,14 + 20,57 + 2,88 = 26,59 м³

m_воды = V • с = 26,59 • 1000 = 26590 кг

m = 13000 + 26590 = 39590 кг

Р = m • g = 39590 • 9,81 = 388378 Н

кН

По ОСТ 26 - 665 - 79 [10] выбираем опору (тип 2) со следующими характеристиками:

Q, kH	а	а1	а2	в	в1	в2	с	с1	h	h1	s1	k	k1	d	dб
250	360	540	300	800	360	350	65	240	940	40	24	75	220	42	-

Заключение

Целью данного курсового проекта являлся расчет выпарной установки непрерывного действия для выпаривания растворяя сульфата натрия от начальной концентрации соли 6 % (масс.) до конечной концентрации 30% (масс.).

В ходе проектирования произведены следующие расчеты: составление и описание технологической схемы выпарной установки, расчет основного аппарата, подбор вспомогательного оборудования (теплообменной и насосной аппаратуры), а также был произведен расчет на прочность.

Маркировку выбранного оборудования сведем в таблицу 21.

Таблица 21 Маркировка оборудования

№	Наименование	Марка
1	Насос центробежный	Х 45/54
2	Вакуум-насос	ВВН-3
3	Теплообменник	600 ТНВ-8-М1 О/20-6-4 гр. Б
4	Конденсатоотводчик	45ч12нж
5	Ёмкость начального раствора	ГЭЭ1-1-63-0,6
6	Ёмкость упаренного раствора	ГЭЭ1-1-12,5-0,6
7	Обечайка	Х 18Н10Т
8	Барометрический конденсатор	КБ-2-600
9	Опора	2-1800-25-125-800

Произведенный анализ работы показал, что основной процесс теплопередачи сосредоточен в греющей камере выпарного аппарата. Интенсивность теплопередачи повышается в аппаратах с вынесенной циркуляционной трубой, т. к. раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. В них, по сравнению с аппаратами с центральной циркуляционной трубой, кратность циркуляции и коэффициент теплоотдачи выше. Еще большей эффективности можно добиться, используя аппараты с вынесенной греющей камерой. В них вследствие увеличенного гидростатического столба жидкости раствор кипит не в греющих трубах, а в трубе вскипания из-за перехода в зону пониженного гидростатического давления. Таким образом, уменьшается отложение накипи на теплообменной поверхности греющих труб и увеличивается коэффициент теплопередачи.

В итоге был получен следующий результат: выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой общей высотой 13 м, диаметром сепаратора 1,8 м и диаметром греющей камеры 1 м.

Библиографический список

1. Дытнерский, Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию [текст] / Ю. И. Дытнерский, - М.: Химия, 1983, 270 с.

2. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии [текст] / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков, - М.: Химия, 1970, 624 с.

3. Справочник химика, т III, М.: Химия, 1964, 1008 с.

4. Справочник химика, т V, М.: Химия, 1968, 976 с.

5. Воробьёва, Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств [текст] / Г. Я. Воробьёва, М.: Химия, 1975, 816 с.

6. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [текст] / А. Г. Касаткин, М.: Химия, 1973, 750 с.

7. Викторов, М. М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчёты [текст] / М. М. Викторов, Л.: Химия, 1977, 360 с.

8. Каталог УКРНИИХИММАШа. Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979, 38 с.

9. Лащинский, А. А. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры [текст] / А. А. Лащинский, А. Р. Толчинский, Л.: Машиностроение, 1970, 752 с.

10. Лащинский, А. А. Конструирование сварочных химических аппаратов [текст] / А. А. Лащинский, Л.: Машиностроение, 1981, 382 с.

Приложения

Приложение 1

Основные характеристики центробежных насосов, используемых в химической промышленности