расчет выпарки уфа

Уравнения (44) и (45) позволяют методом итераций или графическим решением однозначно определить неизвестный диаметр изоляции Dцз, отсюда толщина изоляции:

Если DH < (dкр)из , то применение выбранного изоляционного материала

увеличивает поток тепла в окружающую среду с ростом толщины изоляции. В этом случае необходимо использовать изоляционный материал с меньшим значением λиз для выполнения условия DH < (dкр)из .

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции за счет излучения (α′′0) определяется по уравнению [3 – 6, 13 – 14]:

где температура окружающей среды (tср) при размещении установки в закрытом производственном помещении принимается равной 15 – 20 °С; при расположении установки на открытой площадке tср равна средней температуре самого холодного зимнего месяца в данном районе [14].

Температура наружной поверхности изоляции θ3 принимается, исходя из условий безопасности обслуживания, равной 35 – 40 °С.

Константа излучения С, зависящая от рода материала и состояния поверхности излучения приводится в справочниках [13, 14]. Некоторые значения констант С приводятся ниже. При этом:

где С1 = ε1 Сч – коэффициент лучеиспускания тела; С2 = ε2 Сч – коэффициент лучеиспускания среды;

40

Федеральное агентство по образованию

Государственноеобразовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования

Ухтинский государственный технический университет

Т.Д. Ланина, Б.Г. Варфоломеев, О.А. Карманова

РАСЧЕТ И КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК

Учебное пособие

Ухта 2009

УДК 66.048.5-945.3(075.8) Л 22

Ланина Т.Д.

Расчет и конструктивное оформление выпарных установок [Текст] : учеб. пособие / Т.Д. Ланина, Б.Г. Варфоломеев, О.А. Карманова. – Ухта : УГТУ, 2009. – 118 с.: ил.

ISBN 978-5-88179-541-2

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения по специальностям «Водоснабжение и водоотведение», «Теплогазоснабжение и вентиляция», изучающих дисциплины: «Водоснабжение промпредприятий», «Водоотведение и очистка сточных вод промпредприятий», «Тепломассообмен», «Теплоснабжение».

В учебном пособии изложены справочные, расчетные материалы, типовые конструкции выпарных аппаратов, методика расчета выпарной установки.

Учебное пособие рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Ухтинского государственного технического университета

Рецензенты: Юдин В.М., заместитель начальника Управления геологоразведки, лицензирования и недропользования Департамента по добыче газа, газового конденсата, нефти ОАО «Газпром», доктор технических наук, Долгушин Н.В., заведующий отделом комплексных исследований газоконденсатных и нефтяных месторождений института «ВНИИПРОМГАЗ» ОАО «Газпром промгаз», доктор технических наук.

©Ухтинский государственный технический университет, 2009

©Ланина Т.Д., Варфоломеев Б.Г., Карманова О.А., 2009

ISBN 978-5-88179-541-2

Dвн, Dн, Dиз – внутренний и наружный диаметр стенок греющей камеры и наружный диаметр изоляции.

Наконец, теплоперенос от наружной поверхности изоляции в окружающую среду равен:

где tср – температура окружающей среды, α0 – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде, который слагается из

коэффициентов теплоотдачи за счет естественной конвекции (α′0) и за счет излучения, (α′′0) т.е.:

Величину αконд представляют для вертикального расположения греющей камеры как:

Стационарный теплоперенос теплопроводностью через стенку греющей камеры и слой изоляционного материала представляется как:

Здесь θ1, θ2, θ3 – температуры стенок; λст, λиз – теплопроводность [11] стенки греющей камеры и изоляционного материала (см. табл. 5).

Таблица 5 Теплопроводность некоторых сталей и изоляционных материалов

4

где I – высота кипятильных труб.

Перенос теплоты из межтрубного пространства греющей камеры в окружающую среду – многостадийный процесс (рис. 22).

Рис. 22. Стадии теплопереноса в греющей камере (от греющего пар в окружающую среду, кроме выпарного аппарата с подвесной греющей камерой)

В межтрубном пространстве имеет место конденсация греющего пара, поэтому:

α – коэффициент теплоотдачи от греющего пара к внутренней стенке; λконд, ρконд, μконд – физические параметры конденсата греющего пара; rгп – теплота парообразования греющего пара, Дж/кг;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

37

На рис. 21 показана разрядка труб при одностороннем (а) подводе пара в греющую камеру и при двустороннем (б).

Рис. 21. Устройство каналов в межтрубном пространстве греющей камеры

а) односторонний подвод пара; б) двусторонний подвод пара

Нормальная работа греющей камеры возможна только при непрерывном и полном удалении образующегося конденсата и отводе неконденсирующихся газов. Штуцер для вывода конденсата из греющей камеры необходимо располагать как можно ближе к нижней трубной решетке.

Воздухоотводчик – штуцер для удаления неконденсирующихся газов (воздуха) располагается в верхней части греющей камеры, ближе к верхней трубной решетке. Воздухоотводчик работает периодически: при запуске аппарата на рабочий режим и во время процесса выпаривания (периодически удаляется воздух из межтрубного пространства греющей камеры).

2.8. Расчет толщины изоляции

Расчет толщины тепловой изоляции рассматривается при установившемся тепловом потоке ql = const, где ql – тепловой поток, отнесенный к единице высоты греющей камеры. При расчете принимают, что потери тепла в окружающую среду равны не более Q0 = (0,03 ÷0,05) Q1 ,

где Q1 (Дж/ с) – тепловая нагрузка корпуса выпарной установки.

36

ВВЕДЕНИЕ

Вкурсовой проект по дисциплине «Водоснабжение промпредприятий» по теме: «Обессоливание» входят следующие основные разделы: разработка принципиальной технологической схемы, расчет материальных и тепловых потоков, определение поверхности аппаратов, выбор оборудования и расчет основных узлов его конструкции.

При изучении теоретических курсов по гидравлике и тепломассообмену

впроцессах подготовки и очистки воды студенты знакомятся с физическими основами процесса выпаривания, основными технологическими схемами этого процесса, выполняют на практических занятиях и самостоятельно элементы технологического расчета выпарной установки для обессоливания воды и концентрирования растворов. В то же время конструирование конкретного выпарного аппарата не рассматривается, подход к выбору стандартных элементов конструкции и их расчету в курсе «Прикладной механики» не может быть привязан к особенностям конкретного тепло-массообменного процесса.

Всвязи с вышеизложенным, цели данного учебного пособия следующие:

−предоставить студенту необходимую информацию по подбору стандартных выпарных аппаратов, принципам их работы, элементам конструкции;

−обеспечить методическими указаниями для выбора и расчета основных конструктивных элементов выпарного аппарата, базирующегося на основном элементе конструкции – греющей камере;

−подчеркнуть при курсовом проектировании взаимосвязь общеинженерных дисциплин (инженерной графики, прикладной механики);

−привить студенту навыки работы со справочной литературой, подготовить его к выбору не только нормализованной аппаратуры, но и к конструированию и расчету основных узлов нестандартных аппаратов;

−методическое обеспечение выполнения чертежа выпарного аппарата. Чертеж конструкции выпарного аппарата выполняется на стандартном

листе размером А1. На лист выносятся техническая характеристика и технические требования для выпарного аппарата и таблица основных штуцеров.

Втехническую характеристику входят следующие параметры:

1.Тип выпарного аппарата, поверхность выпаривания.

2.Упариваемый раствор, его количество (производительность), начальная и конечная концентрации.

3.Температура кипения раствора.

4.Рабочее давление в аппарате.

5

5.Давление и температура греющего пара.

Втехнические требования вносят:

1.Давление гидравлических испытаний.

2.Материал стенки кипятильных труб.

3.Материал стенки греющей камеры.

4.Основные геометрические характеристики:

−диаметр и высота греющей камеры;

−число кипятильных труб, их диаметр и толщина стенки трубки;

−диаметр и высота сепарационного пространства;

−тип брызгоотбойника;

−тип опоры;

−тип люка;

−общая высота выпарного аппарата;

−общий вес выпарного аппарата.

Примечание: по согласованию с руководителем курсового проекта спецификацию можно выносить на чертеж.

В спецификацию вносят основные элементы конструкции выпарного аппарата: днище, трубные решетки, фланцы, крышка, кипятильные трубки, сепаратор, смотровые стекла, люк, опора и т.д.

6

Размеры отбойного щитка определяются из конструктивных соображений, но их высота и ширина должны быть больше диаметра штуцера ввода греющего пара.

Рис. 19. Ввод греющего пара с использованием отбойного элемента

При полностью заполненном сечении греющей камеры кипятильными трубками применяют расширение кожуха греющей камеры (рис. 20). Расширение на рисунке 20а может быть оборудовано отбойным щитком, подобно конструкции на рисунке 19. На рисунке 20 б роль отбойного щитка выполняет обечайка греющей камеры.

Рис. 20. Ввод греющего пара с использованием расширения корпуса греющей камеры

а) расширение греющей камеры с отбойным щитком; б) расширение греющей камеры, в качестве отбойного щитка используется обечайка

Для подачи пара в глубь греющей камеры целесообразно устройство каналов в межтрубном пространстве путем разрядки труб в местах подачи греющего пара. Некоторое уменьшение поверхности выпаривания, вызванное разрядкой труб, компенсируется интенсификацией процесса конденсации греющего пара.

35

ной трубе. Последние подбирают по условиям расчета линзового компенсатора греющей камеры, но на диаметр циркуляционной трубы.

В таблице 4 приведены некоторые данные по температурным коэффициентам линейного расширения сталей αt104(1/0С) [11].

Таблица 4 Зависимость коэффициентов линейного расширения некоторых

сталей αt104(1/0С) от температуры

Примечание: В обозначении марки стали первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы за цифрами обозначают: Н – никель, М – молибден, X – хром, Т – титан, В – вольфрам, А – азот. Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах.

2.7. Ввод греющего пара и отвод конденсата

Ввод греющего пара в межтрубное пространство греющей трубы должен обеспечивать равномерную подачу пара по сечению греющей камеры и предотвращать местные перегревы кипятильных труб и их эрозию.

Способы защиты кипятильных труб от прямого удара струи пара приведены ниже.

В случае неполного заполнения трубами сегментов сечения греющей камеры (рис. 19) в месте ввода греющего пара устанавливается отбойный щиток.

34

Глава 1. Основные типы выпарных аппаратов

Выпарные аппараты [1] предназначены для концентрирования растворов за счет удаления части растворителя при их кипении. Выпарные аппараты – аппараты идеального смешения: в них устанавливается конечная концентрация, соответствующая количеству удаленного растворителя (вторичного пара).

По режиму движения кипящей жидкости по циркуляционному контуру выпарные аппараты подразделяются на аппараты с естественной и принудительной циркуляцией.

1.1.Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора

1.1.1.Аппарат с центральной циркуляционной трубой

Аппарат (рис. 1) состоит из греющей камеры 1 с пучком вертикальных

труб 2, в центре которой расположена циркуляционная труба 3. Греющий пар поступает в межтрубное пространство греющей камеры по штуцеру 4, а его конденсат отводится через штуцер 5. Удаление несконденсировавшихся газов (воздуха) производится через воздушку 6. Кипятильные трубы 2 крепятся в трубных решетках 7.

Исходный раствор поступает в аппарат по штуцеру 8, а упаренный (сконцентрированный) раствор отводится из аппарата через штуцер 9.

Вгреющей камере происходит циркуляция раствора (за счет разности плотностей парожидкостной эмульсии – в кипятильных трубках и раствора – в центральной циркуляционной трубе). Циркуляционный контур показан на рисунке 1 стрелками.

Всепарационном пространстве 10 происходит отделение вторичного пара от раствора. Отделение вторичного пара от капель раствора происходит в брызгоотделителе, представляющем конусную направляющую 11, отбойник 12. Вторичный пар отводится из сепаратора через штуцер 13.

Контроль за процессом выпаривания осуществляют через смотровые стекла 14.

1.1.2. Аппарат с подвесной греющей камерой

Аппарат (рис. 2) состоит из внутренней подвесной греющей камеры 1 с пучком вертикальных кипятильных труб 2. В центр греющей камеры через подводящую трубу 3 подается греющий пар.

7

Рис. 1. Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой

1 – греющая камера; 2 – вертикальные кипятильные трубы; 3 – циркуляционная труба; 4 – штуцер для подачи греющего пара; 5 – штуцер отвода конденсата; 6 – воздухоотвод; 7 – трубная решетка; 8 – штуцер для подачи исходного раствора; 9 – штуцер для отвода упаренного раствора; 10 – сепаратор; 11 – брызгоотделитель; 12 – отстойник; 13 – штуцер для отвода вторичного пара; 14 – смотровые окна

8

По формулам (27) и (28) определяется необходимость установки на корпусе греющей камеры линзового компенсатора. Так при:

необходимость установки компенсаторов отсутствует.

Здесь σдt –допускаемое напряжение материала корпуса (к) и труб (тр)

при соответствующих температурах; (σTt )k – предел текучести материала

греющей камеры. Установка линзовых компенсаторов необходима при выполнении условий (29).

В этом случае проводится расчет разности ( ) линейных температурных удлинений материалов корпуса и труб исходя из их разнонаправленного действия.

Для греющей камеры выпарного аппарата:

где t= (tгп - tкип); l – расстояние между трубными решетками (принимается равным длине кипятильных труб), м.

Расчетное число линз в компенсаторе равно:

где Л – компенсирующая способность одной линзы, которая определяется по [10]. Там же приведены геометрические размеры линз в зависимости от диаметра греющей камеры, условного давления и силы давления.

Условное обозначение полулинзы для компенсатора на Ру = 0,25 Па, dу = 250 мм. «Полулинза 2,5-250 МН 2896-62».

Условное обозначение линзы dу = 800 мм, Ру = 1,6 Па из углеродистой стали. «Линза 800 – 1,6 У ОН 2601–79–68» (для легированной стали использовать индекс К).

На рис. 18 показано крепление линзовых компенсаторов к корпусу греющей камеры. Следует отметить, что в выпарных аппаратах с вынесенными греющими камерами или выносной циркуляционной трубой линзовые компенсаторы устанавливают как на корпусе греющей камеры, так и на циркуляцион-

33

Сила взаимодействия между жестко соединенными частями греющей камеры (между корпусом и трубками) за счет температурных напряжений определяется как:

tгп) и кипятильных труб (при tкип), 1/ 0С;

Екt, Етрt – модули упругости для материала корпуса (при tгп) и кипятильных труб (при tкип);

Fк, Fтр – площади поперечного сечения корпуса и труб (м2), причем:

где δ /ст, δ //ст – соответственно толщина стенки корпуса греющей камеры и кипятильной трубки, м; п – число кипятильных труб; Dвн – внутренний диаметр корпуса греющей камеры, м; dн – наружный диаметр трубки, м.

Кроме силы Рt на жестко соединенные части аппарата действует сила

где D – диаметр трубной решетки, м; dвн – внутренний диаметр трубок, м; ргп, ртр – давление среды в межтрубном и трубном пространствах греющей камеры, Па.

При температуре корпуса большей, чем температура труб (в выпаривании

tгп > tкип):

расчетный предел прочности материала корпуса греющей камеры σk

равен:

расчетный предел прочности материала кипятильных труб σmp равен:

32

Рис. 2. Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой

1 – греющая камера; 2 – кипятильные трубы; 3 – труба подвода греющего пара; 4 – штуцер отвода конденсата; 5 – воздухоотводчик; 6 – штуцер для подачи исходного раствора; 7 – штуцер для отвода упаренного раствора; 8 – брызгоотделитель; 9 – штуцер для удаления вторичного пара; 10 – труба для возврата уловленного раствора; 11 – люки

9

Греющая камера устанавливается на опорах таким образом, чтобы между корпусом аппарата и корпусом греющей камеры имелось свободное кольцевое пространство ( ~ 40% от площади сечения кипятильных труб). Наличие кольцевого пространства обеспечивает естественную циркуляцию раствора, как показано на рисунке 2. Конденсат греющего пара отводится из межтрубного пространства греющей камеры через штуцер 4, несконденсировавшийся воздух через штуцер 6, упаренный раствор отводится через штуцер 7.

Вторичный пар из сепаратора, пройдя брызгоуловитель инерционного типа 8, отводится через штуцер 9. Уловленные капли раствора возвращаются в зону кипения по трубке 10.

Для обслуживания конструкции аппарата (монтаж – демонтаж подвесной греющей камеры) предусмотрены люки 11. Для контроля за процессом выпаривания сепаратор оборудуют смотровыми стеклами.

1.1.3. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

1.1.3.1. Аппарат с кипением раствора в трубках

Аппарат (рис. 3) состоит из греющей камеры 1, подъемной циркуляционной трубы 2, сепаратора 3, брызгоотделителя циклонного типа 4, спускной циркуляционной трубы 5 и нижней камеры 6.

Исходный раствор поступает в аппарат, в зависимости от его температуры, через штуцер 7 или штуцер 8. По мере его движения по кипятильным трубам 9 раствор нагревается и вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь тангенциально поступает в сепаратор, где разделяется на упаренный раствор и вторичный пар. Упаренный раствор выводится из аппарата через штуцер 10, а вторичный пар – через штуцер 11. Отвод капель раствора из брызгоотделителя производится через отводную трубку 12. Греющий пар подается в межтрубное пространство греющей камеры через штуцер 13, вывод конденсата осуществляется через штуцер 14. Греющая камера оборудована воздушкой 15. Для наблюдения за процессом выпаривания установлены смотровые стекла 16. Для осмотрааппаратаипроведениямонтажно-ремонтныхработпредусмотренылюк17.

1.1.3.2. Аппарат с вынесенной зоной кипения

Аппарат (рис. 4) состоит из греющей камеры 1, подъемной циркуляционной трубы 2, сепаратора 3, брызгоуловителя циклонного типа 4, спускной циркуляционнойтрубы5 инижнейкамеры6.

10

а) б)

Рис. 17. Приварка трубной решетки в торец кожуха греющей камеры

а) неотбортованная трубная решетка; б) отбортованная трубная решетка

2.6.Линзовые (волновые) компенсаторы

Вгреющих камерах выпарных аппаратов за счет высоких значений разности температур t возникают в жестких конструкциях (например, корпус –

Для предотвращения этого явления используют компенсаторы, простейшие из которых – линзовые (волновые) компенсаторы (рис. 18).

Рис. 18. Типовые конструкции круглых металлических линзовых компенсаторов (приварка встык)

а) сварной из двух штампованных полулинз; б) сварной из нескольких линз

31