Конструктивный расчет выпарной установки

Реферат

 

    Приведен обзор литературы по вопросам процесса выпаривания и конструкций испарительных аппаратов. Предложенная технологическая схема выпаривания раствора NaOH. 
         Для выпаривании раствора предложена трёх корпусная выпарная 
установка. Проведенные конструктивный расчеты выпарных аппаратов. Предложенный материал для изготовления выпарных аппаратов

        Пояснительная записка на 32 с., рис.-9, табл.-4, список литературы-4 наименования. 
         Графическая часть-3 листа формата А1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание 
    Введение 
1.Литературний обзор………………………………………………………….. 5 
2 Выбор конструкционных материалов………………………………….. 
3 Конструктивный расчет выпарной установки. ……………………….

4. ………………………………………

заключение 
    список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 
             Многое, что окружает нас в быту, - это изделия химической промышленности. К продукции отрасли относятся линолеум на полу и обшивка лифта, сиденье в троллейбусе и вагонах метро, ​​различные упаковки, минеральные удобрения, средства борьбы с вредителями сельского хозяйства, полимерные пленки и трубы, детали комбайнов и тракторов. Многих из этих предметов еще не было 30-35 лет назад, что свидетельствует о быстром развитии химии. Чем это обусловлено? Прежде всего тем, что химическая промышленность наряду с машиностроением определяет научно-технический прогресс других отраслей народного хозяйства. Ни одна из них сейчас не может обойтись без химии, и эта зависимость продолжает расти. Одновременно химическая существенно отличается от большинства других отраслей - она ​​может создавать новые материалы с определенными свойствами. Такая ее особенность очень ценна, например, в космической технике и строительстве, фармацевтической, пищевой и легкой промышленности. 
              Развитие химической промышленности в том или ином районе обусловлено природными, экономическими и социальными причинами. Химическая промышленность состоит из нескольких отраслей: горная химия (добыча сырья), основная химия (производство минеральных удобрений, неорганических кислот и соды) и химия органического синтеза .Потому что  ее структура сейчас не совсем соответствует потребностям народного хозяйства нашей страны. Кроме того, в наследство от командно-административной системы страны Добрались предприятия преимущественно с устаревшим оборудованием мало эффективными очистными системами. Поэтому развитие химической промышленности Украины при рыночных отношений начинает все больше зависеть от экологических проблем. Для улучшения положения нужны средства и значительные организационные мероприятия [1].

1.Литературный  обзор

Процесс выпаривания заключается  в удалении из раствора большей части  растворителя и получении концентрированного раствора. Выпаривание следует вести  так, чтобы при заданной производительности получить сгущенный раствор требуемой  концентрации без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе  топлива. Процесс выпаривания осуществляют в аппаратах однократного действия (однокорпусный выпарной аппарат) или  многократного действия (многокорпусный выпарной аппарат). В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно  снижается.

Если температура поступающего раствора значительно ниже температуры  кипения, то целесообразно его предварительно подогреть в отдельном теплообменнике, чтобы выпарной аппарат работал  только как испаритель, а не выполнял частично роль подогревателя, так как  в последнем случае коэффициент  теплопередачи аппарата несколько  снижается. Чем выше концентрация начального раствора, тем меньше расход тепла  на его упаривание.

      В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

по расположению поверхности  нагрева — на горизонтальные, вертикальные и реже наклонные;

по роду теплоносителя  — с паровым обогревом, газовым  обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом (чаще всего применяют паровой  обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с  паровым обогревом);

по способу подвода  теплоносителя — с подачей  теплоносителя внутрь трубок (кипение  в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных  труб);

по режиму циркуляции —  с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;

по кратности циркуляции — с однократной и многократной циркуляцией;

по типу поверхности нагрева  — с паровой рубашкой, змеевиковые  и, наиболее распространенные, с трубчатой  поверхностью различной конфигурации.

К конструкции выпарных аппаратов  должны быть предъявлены следующие  требования:

- простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа  и ремонта; 

- стандартизация узлов  и деталей; 

- соблюдение требуемого  режима (температура, давление, время  пребывания раствора в аппарате), получение полупродукта или продукта  необходимого качества и требуемой  концентрации, устойчивость в работе, по возможности более длительная  работа аппарата между чистками  при минимальных отложениях осадков  на теплообменной поверхности,  удобство обслуживания, регулирования  и контроля за работой; 

- высокая интенсивность  теплопередачи, малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.

В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря  наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Для  большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют  с удлиненными трубками (3-3,5 м).

       Рис. 1Выпарной  аппарат с центральной циркуляционной  трубой

Для упаривания кристаллизующихся  растворов применяют аппараты с  коническим днищем с углом наклона  больше угла естественного откоса кристаллизующейся  массы.

 

Некоторое распространение  имеют пленочные аппараты с однократной  циркуляцией раствора. Основная особенность  этой конструкции заключается в  возможности снижения потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. Подаваемый в нижнюю часть  трубок аппарата раствор вскипает; при этом образуется много паровых  пузырьков, увлекающих за собой раствор. Парожидкостная эмульсия, выходящая  из трубок, ударяется о поверхность  сепаратора с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение и отбрасывается  центробежной силой к периферии, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Таким  образом, выпаривание происходит в  тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной  трубки (более 5 м) возможны разрыв и  высыхание пленки жидкости в верхней  части трубки с понижением при  этом коэффициента теплоотдачи.

Проведенные специальные  заводские опыты показали, что  пленочные аппараты не характеризуются  большой интенсивностью теплоотдачи  при кипении. Некоторым преимуществом  пленочного аппарата является однократная  циркуляция с быстрым прохождением раствора через трубы, что предохраняет растворы, чувствительные к высокой  температуре, от порчи. Недостатки этих аппаратов: значительная длина трубок, затрудняющая ремонт, малая аккумулирующая способность, не обеспечивающая постоянную производительность и затрудняющая получение раствора равномерной  концентрации. Труба, отводящая упаренный  раствор на следующий корпус, должна иметь гидравлический затвор соответствующей  высоты для предотвращения возможного прорыва пара в трубное пространство следующего корпуса. Эти аппараты дороже обычных вертикальных аппаратов.  

 

   Рис.2Аппарат с однократной циркуляцией раствора  

  

Выпарной аппарат с  выносной поверхностью нагрева целесообразно  применять для пенящихся растворов, так как в основном в нем  происходит самоиспарение перегретой в трубах жидкости при поступлении  ее в сепаратор. При этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при  достаточных размерах сепаратора не происходит уноса капелек жидкости и пены со вторичным паром.

 Рис.3Выпарной аппарат  с выносной поверхностью нагрева  

 В некоторых случаях  применяют аппараты с принудительной  циркуляцией. В этих аппаратах  жидкость движется по трубкам  с большой скоростью (2—3 м/с)  под давлением; зона кипения  находится у верхнего конца  трубок. Благодаря значительной  скорости движения раствора в  трубках отложения на поверхности  теплообмена меньше, чем в обычных  вертикальных аппаратах. Аппараты  с принудительной циркуляцией  целесообразно применять в определенном  интервале тепловых нагрузок  и, главным образом, при упаривании  вязких жидкостей, когда естественная  циркуляция затруднена. В этих  условиях достигается более высокий  коэффициент теплоотдачи к кипящей  жидкости, чем в обычных аппаратах,  что позволяет соответствующим  образом уменьшить поверхность  нагрева аппарата по сравнению  с вертикальным аппаратом с  естественной циркуляцией раствора. С другой стороны, на привод  циркуляционного насоса требуются  довольно значительные затраты  мощности, поэтому целесообразность  применения подобных аппаратов  следует обосновать соответствующим  технико-экономическим расчетом.

  Рис.4 Аппарат с принудительной циркуляцией  

  Выше указано, что в ряде случаев целесообразно проводить упаривание растворов в тонкой пленке в роторных аппаратах; особенно это касается вязких и термолабильных растворов. Раствор подается дозировочным насосом в верхнюю часть аппарата, откуда он стекает в виде тонкой пленки по внутренней стенке цилиндрического корпуса. Теплоноситель (вода, пар, дифенильная смесь) подается в рубашку аппарата. При отекании по стенке аппарата раствор захватывается лопатками и приводится в движение; при этом образуется пленка, отталкиваемая центробежной силой к внутренней стенке аппарата. Полученную на стенках пасту лопасти снимают и направляют на дно; затем паста удаляется через патрубок и секторный затвор. Окружная скорость ротора 2—3,5 м/с. Аппарат характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи. Незначительное время пребывания раствора в аппарате (10—15с) обеспечивает высокое качество продукта, что особенно важно для термолабильных растворов. Расход мощности на привод ротора при диаметре аппарата 600 мм составляет 3,0 кВт. Наряду с положительными качествами аппарат имеет некоторые недостатки — небольшую  поверхность нагрева, а потому и сравнительно малую   производительность. Наличие вращающегося ротора усложняет и удорожает аппарат. Кроме того, трудно обеспечить малые и одинаковые зазоры между лопастями и корпусом аппарата.  

 

Рис. 5 Выпарной аппарат с  горизонтальной выносной нагревательной камерой

 

В отличии от аппаратов  с естественной циркуляцией, кипение  раствора здесь происходит в горизонтальных трубах, присоединенных к корпусу 1 нагревательной камеры 2. В межтрубном пространстве камеры движется греющий  пар. Вторичный пар удаляется  сверху корпуса аппарата, пройдя брызгоуловитель 3, а упаренный раствор – через  штуцер в нижней части конического  днища корпуса аппарата. Если выпаривание  проводится одновременно с кристаллизацией, то из конического днища удаляются  кристаллы и аппарат соединяется  со сборником или фильтром.

Много корпусные  выпарные установки.

В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. В однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание  можно значительно снизить, если проводить процессы в многокорпусной выпарной yстановке. Принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Рис .6 Много корпусная  прямоточная вакуум-выпарная установка

 
Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном  движении греющего пара и раствора, показана на рис. 6.

       Рис. 7 Барботажный  выпарной аппарат типа Хемико 
       

Типичный барботажный  аппарат для концентрирования серной кислоты (рис 7) состоит из выносной топки и горизонтального цилиндрического  корпуса 2        Часть объема аппарата заполняется слабым раствором кислоты, подаваемой по трубе 3 Топочные газы поступают по трубам 4, концы которых погружены в раствор кислоты При перемешивании раствора и теплоносителя происходит интенсивное испарение растворителя и частично кислоты. Из камеры III (третьей по ходу кислоты) газы поступают по барботажной трубе 5 в камеру II. Для повышения температуры парогазовой смеси в эту камеру по барботажной трубе б подается дополнительно некоторое количество свежих топочных газов. Из камеры II газы вместе с парами кислоты и воды по барботажной трубе 7 направляются в камеру I, где отдают тепло на подогрев исходного слабого раствора кислоты. Упаренная кислота удаляется по трубе 8 из камеры III

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор конструкционных материалов

 
           В химическом машиностроении применяются  главным образом черные металлы, а в некоторых случаях цветные  металлы и сплавы. Имеют также  широкое применение детали и изделия  из пластических масс. Аппаратура должна быть изготовлена ​​из материала, который должен отвечать определенным требованиям: быть стойким к воздействию среды, легко поддаваться обработке и по возможности, быть недорогим. Поскольку совместить все эти требования в одном материале невозможно, то выходят из этого, как ответственная эта деталь или нет, легко ли ее заменять, можно использовать доступные способы защиты и тому,подобное. 
Для оценки устойчивости материалов к воздействию агрессивной среды используют десятибалльную шкалу устойчивости - табл. 5.1.

Таблица 5.1. 
Десятибалльная шкала оценки коррозионной стойкости металлов

Группа стойкости	П, мм / год	Бал устойчивости
І. Вполне устойчивые	Меньше за 0,001	1
ІІ. Весьма устойчивы	0,001 - 0,005 0,005 - 0,01	2 3
ІІІ. Устойчивые	0,01 - 0,05 0,05 – 0,10	4 5
ІV. Пониженной устойчивости	0,10 - 0,50 0,5 – 1,0	6 7
V. Малоустойчивы	1,0 – 5,0 5,0 – 10,0	8 9
VІ. Неустойчивые	Более за 10,0	10

 

Углеродистая сталь обыкновенного  качества подразделяется на две группы и одну подгруппу. В группу А относится  сталь, поставляемая только по механическим свойствам, в группу Б - сталь поставляемая только по химическому составу, к  подгруппе В - сталь поставляемая по механическим свойствам и с  дополнительными требованиями по химическому  составу.

Выбираем конструкционный  материал, стойкий в среде кипящего раствора NaOH в интервале изменения концентраций от 4 до 10%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17, имеющая скорость коррозии мене 0,1 мм в год, коэффициент теплопроводности ƛст=25,1 Вт/м·К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            

 

3.Конструктивный расчет выпарной установки

3.1  Расчет обечайки греющей части аппарата.

Исходные данные по расчету:

Диаметр корпуса, м	0,96
Длина корпуса, м	6,1
Рабочее расчетное давление, МПа	0,5
Температура стенки, °С	150
Материал аппарата	Х17
Срок службы аппарата, лет	15
Допустимые напряжения, МПа	196,15
Модуль продольной упругости, МПа	2×105

 

Определяем, давление на которое  необходимо рассчитать аппарат :

р_R=р × rgh         (1)

р_R =0,5 × 10⁶ + 1000 × 9,81 × 6,1=1,06 × 10⁶ Па = 0,56 МПа.

Определяем расчетную толщину стенки :

                                                         (2)

Определим прибавку к расчетной  толщине стенки :

с=с₁+с₂+с₃  ,                                                   (3)

где    с₁= П × Т = 0,01 × 15 =1,4 мм=0,0015 м;

         с₂= ±0,8 мм = 0,0008 м ;

         с₃= 3 мм = 0,003 м.

Получим полную толщину стенки греющей камеры:

Определим максимально допустимое давление :

                                                                        (4)

Поскольку р_р < [р] то толщина обечайки рассчитана правильно.

 

3.2.1  Расчет обечайки сепаратора.

Исходные данные по расчету:

Диаметр корпуса, м	1,6
Длина корпуса, м	4,3
Рабочее расчетное давление, МПа	0,5
Температура стенки, °С	150
Материал аппарата	Х17
Срок службы аппарата, лет	15
Допустимые напряжения, МПа	196,15
Модуль продольной упругости, МПа	2×105

 

Определяем, давление на которое  необходимо рассчитать аппарат :

р_R=0,5 МПА

Определяем расчетную толщину стенки :

                                                     (5)

Определим прибавку к расчетной  толщине стенки :

с=с₁+с₂+с₃  ,

где    с₁= П × Т = 0,01 × 15 =1,4 мм=0,0015 м;

         с₂= ±0,8 мм = 0,0008 м ;

         с₃= 3 мм = 0,003 м.

Получим полную толщину стенки греющей камеры:

Определим максимально допустимое давление :

                                                                            (6)

Поскольку р_р < [р] то толщина обечайки рассчитана правильно.

3.3  Расчет фланцевого соединения.

3.3.1  Конструктивные размеры фланца.

Внутренний диаметр фланца D: 1600 мм.

Толщина обечайки S: 10 мм.

Толщина втулки принята S₀=11 мм, что удовлетворяет условию :

S<S₀<S×1,3     10<11<13

и

 S₀-S<5           11-10=1<5

Толщина S₁ втулки по формуле :

(7)

где

 

.

Тогда толщина втулки из ():

Высота втулки по формуле 

(8)

Отсюда 

Принимаем h_b=0,60 м.

Эквивалентная толщина втулки фланца :

(9)

Подставим и получим:

Диаметр окружности по формуле :

Dб>D + 2(S1+dб+U),

(10)

где

d_б=20 мм;

  U=6 мм - нормативный зазор между гайкой [2], т.1.40.

 D_б> 1600+2(48+20+6)=1748 мм.

Принимаем D_б=1760 мм =1,76 м.

Наружный диаметр фланца :

DH=Dб+а

(11)

где

а=40 мм - для шестигранных гаек М20 ([], т.1.41).

DH= 1760+40=1800 мм,

Принимаем D=1800 мм=1,8 м.

Наружный диаметр прокладки :

Dн.п.=Dб-e,

(12)

где

е=30 мм - для плоских прокладок  при d_б=20 мм.

Подставим значения и получим:

Dн.п.= 1760-30=1730 мм.

Средний диаметр прокладки  определяется по формуле:

Dc.п.=Dн.п.-в=1730-20=1710 мм.

(13)

где

в = 20 мм -  ширина  плоской  неметаллической прокладки для  диаметра аппарата

                           D=1600 мм.

Отсюда

Dc.п.= 1730-20=1710 мм.

Количество болтов по формуле :

(14)

Где

 t_m=5d_b=5×20=100 мм - шаг расположения болтов при р=0,1 МПа ([], т. 1.43)

Тогда

Принимаем n_b=56, кратное четырем.

Высота (толщина) фланца :

(15)

Где

 l=0,22 для р=0,1 МПа и приварных фланцев.

 Принимаем h_ф=50 мм.

Расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью типа шип-паз (ориентировочно) :

Lб.о.»2(hф+hп)

(16)

Где

 h_п=2 - высота стенки прокладки.

Отсюда

L_б.о.=2(50+2)=104 мм = 0,104 м,

3.3.2  Нагрузка действующая на фланец.

Равнодействующая внутреннего  давления определяется по формуле:

(17)

Тогда равнодействующая внутреннего  давления имеет значение:

Реакция прокладки по формуле :

(18)

Где

 к_пр=2,5 для паронита ;

      b₀ - эффективная ширина прокладки :

     

Тогда

Усилие возникающее от температурных деформаций :

(19)

где

a -  коэффициенты  линейного расширения  материала фланца (Х17)  и материала болта (35Х).

t_p=0,96t=96°С - расчетная температура легированных фланцев;

t_б=0,95 × 100=95°С - расчетная температура болтов;

Е_б=1,9 × 10⁵ МПа для болтов из стали 35Х;

f_б=2,35 × 10^-4 м² - дл болтов диаметром М20;

n_б=56 - количество болтов;

у - податливости болтов, фланцев  и прокладки, определяемые по формулам:

	(20)
	(21)
	(22)

где

Тогда подставим значения и получим:

Окончательно получаем по формуле (42):

 

Коэффициент жесткости фланцевого соединения находим по формуле:

(23)

Отсюда

 

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления :

(24)

где р_пр=20 МПа - допустимое давление паронитовой прокладки.

Тогда

Болтовая нагрузка в рабочих  условиях :

F_б2 =  F_б1 + (1-К_ж)F_Д + F_t ,