Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3

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