Расчет и подбор выпарной установки (стр. 4 из 6)

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)^½-3)/6 = 11, где n=361 – число труб.

Число труб по диагоналям шестиугольника b = 2К+1=23.

Диаметр ограничительной окружности Dо = Dн – 2(d_ст+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’=(4,35d_н+15)/(t-d_н)= (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/s_ид), где k = 0,28; D =1000мм – внутренний диаметр греющей камеры, р=0,476МПа – давление греющего пара, s_ид =136МН/м² - допускаемое напряжение на изгиб для материала решетки (8, стр. 27).

h₁= 17 мм.

Номинальная расчётная высота трубной решетки посередине:

h = kD (p/j_оs_ид), где j_о= (D-Sd)/D = (D-d_нb)/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.

Величину уноса капель характеризует объемным напряжением парового пространства Rv, представляющего отношение объемного потока вторичного пара на 1м³ парового пространства.

Rv = 4100 м³/м³ч.

Для реальных случаев выпаривания принимают предельное напряжение парового пространства Rv^пред= 0,35* Rv = 502 м³/м³ч.

Объём сепарационного пространства определяется по формуле:

Vсеп = W/Rv^предr_п, где W = 5303кг/ч – количество вторичного пара; r_п= 1,453 кг/м3 – плотность вторичного пара (2, стр.18).

Vсеп = 7,3 м³.

Пусть высота сепаратора Hсеп = 3м.

Тогда диаметр сепаратора:

Dсеп = (4Vсеп/pHсеп)^1/2 =1,76 м.

Принимаем диаметр сепаратора 1800 мм.

4.2.2. Брызгоотделитель.

Брызгоотделители располагаются в верхней части сепарационного пространства и служат для окончательного отделения капель раствора от вторичного пара. Выберем брызгоотделитель инерционно-центробежного типа.

Выбор брызгоуловителя производят исходя из диаметра сепаратора и количеству выпаренной воды (8, стр.49):

D₅=900мм; d₁*=600мм; H₅*=1250мм; H₆=1050мм; B=300мм; C=650мм; K=400мм; I₁=240мм; I₂=75мм; количество щелей n = 6.

4.3. Днища и крышки.

4.3.1. Расчёт эллиптической крышки сепаратора.

р= 0,476 МПа = 4,85 ат.

Номинальная расчётная толщина стенки рассчитывается по формуле:

d_ст’=pDвн/(2[s]j)

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* = 138 МН/м² – номинальное допускаемое напряжение при температуре 127⁰С (5, стр. 406).

[s] =hs* = 138 МН/м²

j = (Dвн-Sd)/Dвн = (1800-500)/1800 = 0,72 – коэффициент ослабления крышки отверстиями.

Где Sd = 500 мм – диаметр центрального штуцера для выхода вторичного пара.

Dвн = 1800 мм – диаметр сепаратора.

Тогда d_ст’=(0,476*10⁶*1,800)/(2*0,72*138*10⁶) = 4,3мм.

Расчётная толщина стенки равна d_ст = d_ст’+ 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 d_ст=4,3 +2 = 6,3мм.

Таким образом, толщина стенки должна быть не менее 6,3мм, принимаем d_ст =10мм (8, стр. 21).

Подбираем эллиптическую крышку (8, стр.55):

D_вн = 1800мм; h = 40мм; h_в = 450мм.

4.3.2. Подбор эллиптического днища сепаратора.

Толщина стенки 10мм.

Центральный штуцер для слива из аппарата d = 50мм.

Подбираем эллиптическое днище (8, стр.55):

D_вн = 1000мм; h = 25мм; h_в = 250мм.

4.3.3. Подбор конического днища сепаратора.

Толщина стенки 10мм.

Подбираем коническое днище (8, стр.58):

D_вн = 1800мм; h = 50мм; h = 1631мм.

4.3.4. Подбор конической крышки.

Толщина стенки 10мм.

Подбираем коническую крышку (8, стр.58):

D_вн = 1000мм; h = 50мм; h = 906мм.

4.4. Основные штуцера выпарного аппарата.

Подбор произведен по кафедральному стенду ПАХТа исходя их диаметра греющей камеры.

4.4.1. Штуцер для подачи исходного раствора.

Диаметр d1 = 80 мм.

4.4.2. Штуцер для вывода упаренного раствора.

Диаметр d2 = 80 мм.

4.4.3. Штуцер для вывода вторичного пара.

Диаметр d3 = 500 мм.

4.4.4. Штуцер для ввода греющего пара.

Диаметр d4 = 500 мм.

4.4.5. Штуцер для вывода конденсата греющего пара.

Диаметр d5 = 65 мм.

5. Узел подогрева исходного раствора.

Назначение рассчитываемого теплообменника – подогрев исходного раствора, подаваемого при температуре окружающей среды t_н = 20,3⁰С (г. Стерлитамак, средне июльская температура (3, стр. 513)) до температуры кипения.

«Горячий поток» - экстра-пар, то есть вторичный пар , отводимый из первого корпуса при температуре Т= 128,5-1,5 = 127⁰С. Причем поток меняет агрегатное состояние, следовательно, его температура постоянна.

«Холодный поток» - исходная смесь 10% хлористого натрия, подаваемого при температуре 20,3⁰С.

5.1. Тепловая нагрузка аппарата.

Тепловая нагрузка аппарата определяется исходя из условий нагрева исходного раствора от начальной температуры t_н = 20,3⁰С до конечной t₀ = 101,5⁰С (Со=3,731 кДж/кг (2, стр. 21)) по следующей формуле:

Q =G_праr_пар= S₀c₀(t₀-t_н) = 20000*3,731*(101,5-20,3) =6,06*10⁶кДж/ч.

5.2. Движущая сила процесса.

Разности температур теплоносителей на концах теплообменника:

D1= Тt_н = 12720 = 107⁰С

D2= Тt_к= 127101,5 = 25,5⁰С

Движущая сила процесса:

D_ср= (D1-D2)/ln(D1/D2) =

=(107-25,5ln(107/25,5) = 56,8⁰C

5.3. Расход греющего пара.

G_пар =Q/r_пар,

где r_пар = 521,4 ккал/кг = 2184,7 кДж/кг - удельная теплота парообразования при Т=127⁰С (2, стр. 18).

Т.о., G_пар =6,06*10⁶/2116,0 = 2774 кг/ч.

5.4. Выбор конструкционного материала теплообменника.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора хлорида натрия при концентрации 10 (5, стр. 309). В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х28. Скорость коррозии её менее 1мм/год. Коэффициент теплопроводности l = 16,8 Вт/м*К (5, стр. 101).

5.5. Ориентировочный выбор теплообменника.

В качестве парожидкостных подогревателей наиболее рациональными являются многоходовые кожухотрубчатые теплообменники жесткой конструкции – тип ТН. Аппараты типа ТН выполняются с неподвижными трубными решетками. Расположение аппарата вертикальное. Для нормальной работы теплообменника в межтрубное пространство необходимо направить конденсирующийся пар, а в трубное пространство – исходный раствор.

Геометрические размеры трубок рекомендуется выбирать путём ориентировочной оценки требуемой поверхности теплообмена:

Fор = Q/KорDср.

Для оценки зададимся ожидаемым значением коэффициента теплопередачи Кор, ориентировочные пределы которого в промышленных теплообменных аппаратах указаны (7, стр.47) - Кор = 300 – 2500Вт/м²К. Пусть Кор = 1800Вт/м²К.

Fор = 6,06*10⁶/1800*56,8 = 59м².

Подбираем по (7, стр.51) теплообменник:

· Поверхность теплообмена 61 м²;

· Длина труб 4м;

· Диаметр труб d = 25*2;

· Число ходов z = 6;

· Общее число труб 196;

· Трубное пространство (3,14*(0,025-0,004)²)*206=0,271м². Т о., на один ход 0,271/6=0,045 м²

5.6. Расчёт коэффициента теплопередачи К.

К = {(К^1/3D_ср^1/3/А^4/3) + (d_стl_стa2}^-1

5.6.1. Расчёт коэффициента теплоотдачи от поверхности трубки к раствору a2.

Расчёт a2 производят по критериальным уравнениям.

Скорость течения раствора равна:

W = So*z/f_трr= 20000*6/3600*0,045*1072=0,711 м/с,

Где r = 1027 кг/м³ –плотность 10% хлористого натрия при температуре кипения (4, стр. 56);

n =0,339*10^-6м²/с - вязкость 10% хлористого натрия при температуре кипения (4, стр. 58).

При этой скорости имеем:

Re = Wd/n = 0,711*0,021/0,339*10^-6 = 4,4*10⁴

Т. о., попадаем в развитую турбулентную область.

Nu2=0,021Re^0,8 Pr^-0,43 (Pr / Pr _ст)^0,25e_l

Критерий Прандтля – характеризует отношение вязкостных и температуропроводных свойств теплоносителя – конденсирующегося водяного пара Pr = n/а = 0,339*10^-6 / 16,9*10^-8=2,01 при температуре кипения 10% хлористого натрия (3, стр. 537), где а – коэффициент теплопроводности (4, стр. 64).

Для нагревающихся жидкостей можно принимать (Pr / Pr _ст)^0,25=1, допуская небольшую погрешность в сторону уменьшения коэффициента теплоотдачи, т. е. в сторону запаса.