Реферат: Расчет и подбор выпарной установки

--PAGE_BREAK--3.7.2. Во – коэффициенты отражающие свойства кипящего раствора и зависящие от давлений а, следовательно, и температур кипения в корпусах:
B0i = B0iB*j3,33, где B0iB = 46р0,57,
j — относительный коэффициент теплоотдачи для водных растворов неорганических веществ. j при пузырьковом кипении (NH4)2SO4 при атмосферном давлении найдем из графика зависимости j-а. График 1 строим на основании данных таблицы (1, стр. 40):
при а=10% j = 0,84
а=20% j = 0,68
На основании данных графика, заполняем таблицу:
а, %
14,29
18,18
25,00
Р, Бар
2,1
0,6
0,1
B0iB
70,2
34,4
12,4

0,77
0,72
0,60
B0i
29,4
11,5
2,26
3.8. Выбор конструкционного материала для выпарного аппарата.
Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора хлорида натрия в интервале изменения концентраций от 10 до 25%(5, стр. 309). В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х18Н10Т. Скорость коррозии её менее 0,1мм/год (точечная коррозия). Коэффициент теплопроводности l = 16,4 Вт/м*К (5, стр. 101).
3.9. Расчёт поверхности теплообмена.
3.9.1. Расчёт комплексов для нахождения поверхности нагрева корпусов.
В случае равенства поверхностей обмена отдельных корпусов основное расчетное уравнение имеет вид:
Dс=1/F4/3S(Qi/Ai)4/3 + 1/FS(Qidст/lст) + 1/F0,3S(Qi/B0i)0,3,
где dст =2мм=0,002м — толщина стенки трубок. Заполним вспомогательную таблицу:
№
(Qi/Ai)4/3
Qidст/lст
(Qi/B0i)0,3
1
3160,3
464,8
33,9
2
9324,1
180,7
33,8
3
15680,6
242,8
60,2

28165,1
888,2
127,8
3.9.2 Расчёт поверхности теплообмена.
Ведем в таблице:
F
1/F4/3S(Qi/Ai)4/3
1/FS(Qidст/lст)
1/FS(Qidст/lст)
Dс
60
119,91
14,80
32,66
167,4
70
97,63
12,68
31,02
141,3
80
81,71
11,10
29,67
122,5
90
69,83
9,87
28,53
108,2
100
60,68
8,88
27,54
97,1
110
53,44
8,07
26,68
88,2
120
47,58
7,40
25,92
80,9
130
42,77
6,83
25,24
74,8
140
38,74
6,34
24,62
69,7
 
На основании табличных данных строим график зависимости Dс от F, по которому определяем по известной Dс=96,40С истинную F: F = 100,7м2.
Тогда D1 = 18,60С
D2 = 29,00С
D3 = 44,80С
Тогда Dс=D1+D2+D3= 96,40С.

3.10. Заполнение окончательного варианта таблицы.
Давления и энтальпии были взяты из (2, стр. 17).
Таблица сошлась.
3.11. Уточнение значений W1, W2, W3.
Уточнение значений W1, W2, W3 на основе величин, содержащихся в окончательном варианте таблицы (см.3.5.).
Пусть
 X1 = h1 – ck1T1 = 2076,9 кДж/кг
X2 = h2 – ck2T2 = 2186,5 кДж/кг
X3 = h3 – ck3T3 = 2278,1 кДж/кг
Y1 = t1 – t0= 29,9 0С
Y2 = t2 – t1 = -33,4 0С
Y3 = t3 – t2 = -54,6 0С
Z1 = i1 – cpt1 = 2172,3 кДж/кг
Z2 = i2 – cpt2 =2258,6 кДж/кг
Z3 = i3 – cpt3 = 2390,9 кДж/кг,
где Со – теплоёмкость исходного раствора (10 % NaCl при температуре кипения t0 = 101,5 0С): Со=3,65 кДж/кгК (4, стр.59).
По (3, стр.535) находим:
ck1 = 1,005 ккал/кгК = 4,21 кДж/кгК (при 150,0 0С)
ck2 = 1,002 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 118,8 0С)
ck3 = 1,000 ккал/кгК = 4,19 кДж/кгК (при 83,6 0С)
cp=4,18 кДж/кгК
Т.о., W1 = X2E2/(X2+cpY2) + Soc0Y2/(X2+cpY2)+ +Z2W2/(X2+cpY2) = 1,1033 W2 +2014,7
W2 = Y3S0c0/(X3+cpY3+Z3) + Z3W/(X3+cpY3+Z3)-(cpY3+Z3) * W1/(X3+cpY3+Z3) = -0,4870 W1 +5563,0
Решая систему уравнений, получим:
W1 = 5303 кг/ч
W2 = 2980 кг/ч
W3 = 3717 кг/ч.
3.12. Расчёт окончательных значений тепловых потоков:
Q1 = S0c0(t1-t0)+W1(i1-cpt1) = =20000*3,65*29,9+5303*2172,3=13,7*106 кДж/ч
Q2=(W1-E1)(h2-ck2T2)=(5303-3000)*2186,5=5,05*106 кДж/ч
Q3=W2(h3-ck3T3)=2980,4*2 278,1=6,79*106 кДж/ч.
3.13. Оценка погрешности определения.
Для Q1: |(Q1 — Q1ут)/ Q1ут|=|(13,3-13,7)/13,7|=2,9%
Q2: |(Q2 — Q2ут)/ Q2ут|=| (5,17-5,05)/5,05|= 2,4%
Q3: |(Q3 — Q3ут)/ Q3ут|=|(6,95-6,79)/6,79|=2,4%
Погрешность менее 5%, следовательно, считаем, что приближения сошлись.
3.14.    Расход греющего пара в первом корпусе.
D1 = Q1/(h1-ck1T1) = 13699720/2076,9= =13699720/2076,9 6596 кг/ч
3.15.    Выбор стандартного выпарного аппарата.
Fраб = F/y,
Где y = 0,75 — коэффициент использования.
Fраб = 100,7/0,75= =100,7/0,75 134,3 м2.
Выбор стандартного выпарного аппарата (кафедральный стенд ПАХТа):
¨                  Номинальная поверхность теплообмена 160 м2
¨                  Действительная поверхность теплообмена при диаметре трубок 38*2 и L = 4000мм: 154 м2
¨                  Количество труб 361
¨                  Диаметр греющей камеры D1=1000мм
¨                  Диаметр сепаратора D2=1400мм
¨                  Высота до брызгоотделителя H1=1600мм
¨                  Диаметр циркуляционной трубы D3=700мм
¨                  Диаметр и высота трубы вскипания D4=700мм и H4=2000мм
¨                  Расстояние между осями 1600мм
¨                  Расстояние между болтами на опорах B1= 1540мм
¨                  Расстояние между болтами на опорах B2=1390мм
¨                  Высота аппарата H=10550мм
¨                  Избыточное расчётное давление: в греющей камере 3; 6; в сепараторе–0,92; 1; 3;6.
¨                  Завод изготовитель УзХимМаш.
3.16. Расчёт тепловой изоляции аппарата.
Тепловая изоляция аппарата применяется для уменьшения потерь тепла в окружающую среду и расхода греющего пара.
Расчёт толщины тепловой изоляции рассматривается при установившемся тепловом потоке ql=const, где ql– тепловой поток, отнесённый к единице высоты греющей камеры. При расчёте принимают, что потери в окружающую среду равны не более Q0 = (0,03-0,05)Q1.
Тогда ql= 0,05Q1/l, где l = 4м – высота кипятильных труб, Q1 = 13,7*106 кДж/ч = 3,81*106Дж/с.
 ql= 0,05*3,81*106/4 = 4,76*104Дж/(с*м).
Перенос теплоты из межтрубного пространства греющей камеры в окружающую среду – многостадийный процесс.
3.16.1. Теплоперенос при конденсации греющего пара.
В межтрубном пространстве имеет место конденсация греющего пара, поэтому
ql= aконд*pDвн(tгп -q1) = А(tгп — q1)3/4*pDвн
aконд = 2,035А’(rгп/l)1/4*(tгп — q1)-1/4;
А = 2,035А’(rгп/l)1/4,
 А’= (lконд3rконд2/mконд)1/4, где lконд, rконд, mконд – физические параметры конденсата греющего пара, причём А’ – табулирован (8, стр.40), выбираем А’=196 при температуре 1500С.
 rгп = 2120 кДж/кг — теплота парообразования греющего пара при температуре 1500С.
Т.о., А=10,8*103
Dвн=1м – внутренний диаметр стенок греющей камеры.
3.16.2. Теплоперенос через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала.
Стационарный теплоперенос теплопроводностью через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала представляется как
ql= p(q -q2)/((1/2lстln(Dн/Dвн),
ql= p(q2-q3)/((1/2lизln(Dиз/Dн),
где q1, q2, q3 — температуры внутренней стенки, стенки между изоляционным материалом и стенкой, наружной поверхности изоляционного материала;
q3= 400С – выбирается исходя из условий безопасности обслуживания установки.
lст, lиз — теплопроводность стенки греющей камеры и изоляционного материала:
lст=16,4 Вт/мК
lиз = 0,0098 Вт/мК — теплопроводность для совелита – 85% магнезии и 15% асбеста (8, стр.44).
Dн =1,020 м– наружный диаметр стенок греющей камеры
Dиз – наружный диаметр изоляции.
3.16.3. Теплоперенос от наружной поверхности изоляции в окружающую среду.
ql= aî(q3-tср)pDиз
где tср = 20,30С — температура окружающей среды,
aо — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде, который слагается из коэффициентов теплоотдачи за счёт естественной конвекции (aо,) и за счёт излучения (aо,,).
aо = aо, + aо,,,
где aо,, = с(((273+q3)/100)4 – ((273+ tср)/100)4)/ (q3-tср)
 с =eСч — константа излучения, зависящая от рода материала и состояния поверхности излучения:
 e=0,96степень чёрноты поверхности изоляции 8, стр.43);
Сч =5,7 Вт/м2К4 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела,
с = 0,96*5,7 = 5,5 Вт/м2К4
Тогда aо,, =5,5(96,0 — 74,0)/19,7 = 6,1 Вт/м2К.
 aо, = N*((q3-tср)/Dизmn
Найдём произведение критериев Прандтля и Грасгофа Gr*Pr:
 Критерий Прандля для воздуха в диапазане температур 10-5000С при атмосферном давлении остаётся практически постоянным и равным 0,722.
 Критерий Грасгофа Gr = gDиз3bDt/n2где b= 1/(273+30,2)=0,0033 – коэффициент объёмного расширения воздуха, n = m/r =0,014*10-3м2/с  кинематическая вязкости воздуха при температуре 30,20С,m = 0,018*10-3Н*с/м2динамическая вязкость воздуха при температуре 30,20С (9, стр. 107);r =1,2928 кг/м3плотность воздуха при тех же условиях (9, стр.33), l = 4 м.
Для определения величины критерия Грасгофа необходимо располагать значением Dиз, который, собственно, является искомым в проводимом расчёте. Однако для рачёта не требуется точного значения произведения Gr*Pr и достаточно лишь располагать порядком этой величины. В связи с этим в выражения для критерия Грасгофа вместо Dиз можно подставить значение наружного диаметра корпуса аппарата Dн = 1,020 м.
Тогда критерий Грасгофа Gr = 9,81*(1,020)3*0,0033*(40-20,3)/0,014*10-3)2=3,4*1010.
Произведение критериев Прандтля и Грасгофа Gr*Pr = 2,4*109.
Т.к. произведение критериев Прандтля и Грасгофа (Gr*Pr)>2*107, то n = 1/3; m=0; N=1,450 (1, стр.20).
Тогда aо, = 1,450*(40-20,3)0,33= 3,9 Вт/м2К.
Следовательно, aо = aо, + aо,, = 3,9 + 6,1 = 10 Вт/м2К.
3.16.4. Расчёт толщины изоляции.
Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:
aо(q3-tср) = (lиз/dиз)(q2-q3
Причём q2 – температура наружной поверхности аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции  принимают равной температуре греющего пара 1500С.
Тогда dиз = lиз(q2 -q3)/aо(q3-tср) = 0,098*(150-40)/10(40-20,3) = 0,055м = 55мм
Принимаем толщину тепловой изоляции 0,055м и для других корпусов.

4. Механический расчёт аппаратов выпарных установок.
Механический расчёт выполняется для первого корпуса (корпус, представленный в графической части проекта).
4.1. Греющая камера.
4.1.1. Расчёт толщины стенки греющей камеры.
Корпус греющей камеры выпарного аппарата представляет собой вертикальную обечайку, работающую для первого корпуса выпарной установки под внутренним, избыточным давлением, равном давлению греющего пара р= 0,476 МПа = 4,85 ат.
Номинальная расчётная толщина стенки рассчитывается по формуле:
dст’= pD/(2[s]jp)
Допускаемое напряжение [s]=hs, где h =1,0 – поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата (5, стр. 408); s* — нормативное допускаемое напряжение для выбранного материала — сталь марки Х18Н10Т.
 s* = 130 МН/м2 – номинальное допускаемое напряжение при температуре1500С (5, стр. 406).
[s] =hs* = 130 МН/м2
j = 1,0 – коэффициент прочности сварного шва – сварной шов стыковой двухсторонний (8, стр.20).
D = 1000мм – диаметр греющей камеры.
Тогда dст’=(0,476*106*1)/(2137*106*1 0,476*106) = 2мм.
Расчётная толщина стенки равна dст = dст’+ Ск + Сэ + Сд + Со, где Сэ – прибавка на эрозию или другой вид механического воздействия рабочей среды на материал, Сд – дополнительная прибавка по технологическим, монтажным и другим соображениям, величинами Сд и Сэ пренебрегаем.
Ск = 1мм, т.к. проницаемость данного материала не более 0,1 мм/год (5, стр. 409).
Со = 1 — прибавка на округление размера.
Тогда dст=2+1 = 3мм.
Таким образом, толщина стенки должна быть не менее 3мм, принимаем dст = 10мм (8, стр. 21).
4.1.2.  Расположение труб в греющей камере.
При размещении кипятильных труб стремятся к равномерному их распределению по сечению греющей камеры. Трубы расположены в шахматном порядке – по сторонам равносторонних шестиугольников.
При расположении труб по периметру равносторонних шестиугольников греющая камера получается наиболее компактной по сравнению с другими способами расположения труб.
Число шестиугольников для расположения труб:
К = ((12n-3)Ѕ-3)/6 = 11, где n=361 – число труб.
Число труб по диагоналям шестиугольника b = 2К+1=23.
Диаметр ограничительной окружности Dо = Dн – 2(dст+15)=970мм, где Dн = 1020мм – наружный диаметр греющей камеры.
Расстояние между осями соседних труб – шаг t=48мм (8, стр. 17).
4.1.3.  Крепление кипятильных труб в трубной решетке.
Наиболее распространённым способом закрепления труб в трубных решетках является развальцовка. Развальцовка труб заключается в холодной раздаче (раскатки) их в отверстиях трубной решетки. Крепление труб в трубных решетках гладкой развальцовкой.
В случае развальцовки диаметр отверстий в трубной решетке под кипятильные трубы для оптимальной величины зазора равен: d=38,9мм (8, стр. 21).
Расчёт закрепления труб в трубной решетке выпарного аппарата заключается в определении расчётной минимальной высоты трубной решетки, обеспечивающей крепление в ней труб при вальцовке:
 h’=(4,35dн+15)/(t-dн)= (4,35*38+15)/(48-38)=18мм.
Примем h’= 20 мм.
4.1.4. Расчёт толщины трубной решетки.
Трубная решетка — Тип 1.
Номинальная расчетная высота трубной решетки снаружи:
 h1= kD(p/sид), где k = 0,28; D =1000мм – внутренний диаметр греющей камеры, р=0,476МПа – давление греющего пара, sид =136МН/м2 — допускаемое напряжение на изгиб для материала решетки (8, стр. 27).
h1= 17 мм.
Номинальная расчётная высота трубной решетки посередине:
 h = kD (p/jоsид), где jо= (D-Sd)/D = (D-dнb)/D = 0,13 – коэффициент ослабления трубной решетки отверстиями под кипятильные трубки; к=0,47.
h = 78 мм.
4.2.          Сепаратор.
4.2.1.  Высота и диаметр сепаратора.
Сепарационное пространство в выпарном аппарате служит для предотвращения уноса вторичным паром капель упариваемого раствора, так как капли уносимого раствора попадают в межтрубное пространство следующего выпарного аппарата, увеличивают его термическое сопротивление, загрязняют конденсат пара. Унос также уменьшает выход готового продукта.
    продолжение
--PAGE_BREAK--