Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3

Определение температур кипения растворов

Давления греющих паров в корпусах:

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

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:

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:

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

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:

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:

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.

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:

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:

2.4 Расчет барометрического конденсатора

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

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