расчет выпарки уфа

В тех случаях, когда в межтрубном пространстве греющей камеры используется коррозионно неагрессивная среда (теплоноситель – водяной насыщенный пар), а упариваемый раствор требует применения легированных (нержавеющих) сталей, то в целях экономии дорогостоящего металла, кожух греющей камеры изготовляют из углеродистой стали. Конструкция такого фланцевого соединения при сочетании элементов из углеродистой и легированной сталей показана на рис. 15.

Рис. 15. Соединение трубной решетки из легированной стали с плоским фланцем из углеродистой стали

Крепление трубной решетки к корпусу аппарата без фланцев выполняется, как это показано на рис. 16. Приварка трубной решетки по рис. 16 б производится в тех случаях, когда невозможно осуществить приварку с внутренней стороны (рис. 16 а). В некоторых случаях, например, в аппаратах с подвесной греющей камерой, приварка трубной решетки к кожуху производится так, как показано на рис. 17.

а) б)

Рис. 16. Крепление безболтовой трубной решетки к корпусу аппарата

а) трубная решетка приварена с внутренней стороны аппарата; 6) трубная решетка приварена снаружи

30

Рис. 3. Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением раствора в трубках

1 – греющая камера; 2 – циркуляционная труба; 3 – сепаратор; 4 – брызгоотделитель; 5 – спускная циркуляционная труба; 6 – нижняя камера; 7, 8 – штуцера для ввода исходного раствора; 9 – кипятильные трубы; 10 – штуцер для отвода упаренного раствора; 11 – штуцер для отвода вторичного пара; 12 – трубка для отвода уловленного раствора; 13 – штуцер для подачи греющего пара; 14 – штуцер для отвода конденсата; 15 – воздухоотводчик;

16 – смотровые окна; 17 – люк

11

Рис. 4. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения и выносной греющей камерой

1 – греющая камера; 2 – подъемно-циркуляционная труба; 3 – сепаратор; 4 – брызгоуловитель; 5 – циркуляционная труба; 6 – нижняя камера; 7, 8 – штуцера для ввода исходного раствора; 9 – кипятильные трубы; 10 – штуцер для вывода упаренного раствора; 11 – штуцер для отвода вторичного пара; 12 – штуцер для подачи греющего пара;

13 – штуцер для отвода конденсата; 14 – воздухоотводчик; 15 – люки; 16 – трубки для отвода уловленного раствора; 17 – смотровые окна

12

Крепление трубной решетки к корпусу греющей камеры в исполнении «а» (рис. 14) применяют при:

ру ≤ 0,6 Па и диаметре греющей камеры 400 – 2000 мм; 0,1 Па ≤ ру ≤ 0,6 Паи диаметре 400 – 1600 мм.

Рис. 13. Фланцевое соединение жесткого типа

а) облегченный вариант крепления; б) усиленный вариант крепления

Крепление трубной решетки в исполнении «б» (рис. 14) применяют при

ру ≤1,0 Па и D = 800 ÷ 1600 мм, а также при ру ≤ 1,6 Па и D = 600 ÷ 1000 мм.

Рис. 14. Крепление трубной решетки к корпусу греющей камеры

а) 0,1 Па ≤ ру ≤ 0,6 Па; б) 0,6 Па ≤ ру ≤ 1,0 Па

Отметим, что выступающий край трубной решетки служит фланцем для присоединения последующих частей выпарного аппарата. Поэтому наружный диаметр трубной решетки устанавливается по наружному диаметру фланца, который стандартизируетсяподиаметругреющейкамерыиусловномудавлению[10].

29

Номинальную расчетную высоту трубной решетки посередине (высота h на рис. 10) для типов I и II следует определять по формуле:

где D – внутренний диаметр греющей камеры; коэффициент k = 0,47;

р = ргп и ϕo – коэффициент ослабления трубной решетки отверстиями под кипятильные трубки равный:

где Σd = dH b; b – число труб по диагонали (см. рис. 7).

С учетом прибавок на коррозию, на округление размеров, а также из конструктивных соображений (учитывая величину h1 из условий надежности развальцовки труб) принимаются окончательные значения толщин решетки h1 и h для выбранного типа I или II.

Обозначение на чертеже, например, трубной решетки типа II диаметром D = 1200 мм, толщинами h1 = 40 мм и h = 65 мм при числе труб п = 257: трубная

решетка D = 1200 мм, h1=40 мм, h = 65 мм, п = 257 по ОН26 −01−13 −65 , ма- Н1039 −65

териал – сталь 1Х18Н10Т.

2.5. Фланцевые соединения трубных решеток

Конструктивное оформление фланцевых соединений греющих камер выпарных аппаратов чрезвычайно разнообразно, оно зависит, в основном, от условий коррозионного воздействия среды (от материала составляющих соединения), от давления и температуры процесса.

Один из распространенных вариантов фланцевого соединения с приварными неподвижными трубными решетками показан на рис. 13 – фланцевое соединение жесткого типа.

Фланцевые соединения этого типа применяются при разности температур между средами в межтрубном и трубном пространствах, не превышающей 500 С, а при больших значениях необходима установка линзового компенсатора, обеспечивающего разгрузку температурных напряжений.

Крепление приварной трубной решетки выполняется в двух вариантах: облегченное (рис. 13 а) и усиленное (рис. 13 б).

28

Взависимости от температуры исходного раствора последний подается в аппаратлибочерезштуцер7, либочерезштуцер8.

Более низкое расположение греющей камеры по отношению к сепаратору

ивысокой (порядка 2,6 м) подъемной циркуляционной трубы создает большее гидростатическое давление в кипятильных трубках 9, вследствие чего раствор в них перегревается и вскипает только в зоне тангенциального ввода подъемной циркуляционной трубы в сепаратор. Это препятствует инкрустации внутренней поверхности кипятильных труб выпаренной солью.

Всепараторе происходит разделение упаренного раствора от вторичного пара. Часть упаренного раствора отводится через штуцер 10, остальная часть возвращается в циркуляционный контур через спускную циркуляционную трубу. Вторичный пар отводится через штуцер 11.

Греющий пар поступает в межтрубное пространство через штуцер 12, его конденсат отводится через штуцер 13; предусмотрена воздушка 14, для отвода воздуха. Для осмотра, очистки и ремонта аппарат оборудован люками 15. Контроль процесса осуществляется через смотровые окна 17.

1.2.Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией используются для упаривания достаточно концентрированных растворов, характеризующихся относительно высокой вязкостью. Принудительная циркуляция раствора необходима для увеличения коэффициентов теплопередачи, осуществляется с помощью пропеллерного или центробежного насосов, обеспечивающих скорость движения раствора в кипятильных трубках равную 2 – 3,5 м/с.

Принудительная циркуляция также препятствует инкрустации солями внутренней поверхности кипятильных труб.

1.2.1. Аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

Исходный раствор, в зависимости от его температуры, подается в спускную циркуляционную трубу 1 либо через штуцер 2, либо через штуцер 3 и циркуляционным насосом 4 подается в трубное пространство греющей камеры 5 (рис. 5). Раствор, поднимаясь по трубкам, перегревается за счет гидростатического давления столба жидкости и вскипает в трубе вскипания 6. За счет тангенциального вводатрубы6 всепараторе7 происходитразделениевторичногопараиупаренногораствора.

13

Рис. 5. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

1 – циркуляционная труба; 2, 3 – штуцеры для ввода исходного раствора; 4 – циркуляционный раствор; 5 – греющая камера; 6 – трубка вскипания; 7 – сепаратор;

8 – штуцер для отводаупаренногораствора; 9 – брызгоотделитель; 10 – штуцердляотвода вторичногопара; 11 – трубка для отвода уловленного раствора; 12 – штуцер для подачи греющего пара; 13 – штуцер для отвода конденсата; 14 – воздухоотводчик; 15 –люки; 16 – смотровые окна

14

В формуле (18) Мп – изгибающий момент от действия внешних нагрузок на фланцевое соединение с трубной решеткой при размещении на фланцах дополнительных устройств (аппаратов), приводящих к появлению ветровой нагрузки. В подавляющем большинстве случаев для греющих камер выпарных аппаратов Мп = 0.

Величины σид – допускаемое напряжение на изгиб (Па) при растяжении в зависимости от температуры и марки стали (приведены на рис. 12).

Рис. 12. Зависимость допустимого напряжения на изгиб (σпд) от температуры для различных марок сталей

1 – ОХ18Н10Т, ОХ18Н12Т; 2 – Ст. 10; 3 – Ст. 3; 4 – Х5М, Х18Н10Т, Х17Н13М3Т; 5 – 20, 20К

27

Рис. 11. Значение коэффициента К1 в формуле (17)

Для круглого наружного фланцевого соединения при р < 10Па (тип II на рис. 10) расчетное растягивающее усилие в болтах равно:

где Pc – расчетная сила давления среды которая определяется по формуле:

где р – давление греющего пара; α – константа жесткости соединения (при плоской резиновой и других неметаллических прокладках α = 0,8); Рп – расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей, определяемая как:

где b – ширина прокладки; q – удельная нагрузка прокладочных материа-

лов.

Согласно [10], величина удельной нагрузки для:

−резиновых прокладок q = 1,5 Па;

−асбокартона, паронита, фторопласта, пластиката величина q = 20 Па;

−фибры и полиэтилена q = 30 Па;

−плоских и гофрированных прокладок с оболочкой из алюминия q = 33 Па;

−из монеля q = 56 Па;

−из стали 05 КП q = 53 Па;

−из стали ОХ13 или Х18Н10Т q = 63 Па.

При этом рекомендуемые [10] границы применения прокладочных мате-

риалов (обтюрации) следующие:

26

Последний возвращается на циркуляцию через трубу 1, часть упаренного раствора отводится через штуцер 8.

Вторичный пар отделяется от капель раствора в брызгоотделителе циклонного типа 9 и отводится через штуцер 10. Капли раствора возвращаются в рабочий объем аппарата по трубке 11.

Греющий пар подается в межтрубное пространство греющей камеры через штуцер 12, его конденсат отводится через штуцер 13. Через воздушку 14 отводятся несконденсированные газы. Аппарат оборудован люками 15 и смотровыми окнами 16.

Примечание: конструкции выпарных аппаратов с солеотделением, а также пленочных выпарных аппаратов (с восходящей и падающей пленкой, роторные) подробно изложены в литературе [2 – 7].

1.2.2. Аппарат с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения

Исходный раствор (в зависимости от начальной температуры) поступает в аппарат либо через штуцер 1, либо через штуцер 2. Циркуляция раствора осуществляется циркуляционным насосом 3, который направляет исходный раствор в трубки 4 греющей камеры 5. В трубках 4 раствор перегревается за счет гидростатического давления столба жидкости и вскипает в вынесенной зоне вскипания (труба 6). Парожидкостная смесь направляется на статический отбойник 7, который придает потоку парожидкостной смеси вращательнопоступательное движение, обеспечивая центробежное разделение вторичного пара и упаренного раствора (рис. 6).

Упаренный раствор через спускную циркуляционную трубу 8 поступает на смешение с исходным раствором. Полученная смесь подается в греющую камеру циркуляционным насосом. Конечный продукт (упаренный раствор) отводится из аппарата через штуцер 9.

Вторичный пар отделяется от капель раствора в брызгоотделителе циклонного типа 10 и отводится через штуцер 11. Уловленные капли раствора стекают через трубку 12.

Греющий пар подается в межтрубное пространство греющей камеры через штуцер 13, его конденсат отводится через штуцер 14. На кожухе греющей камеры предусмотрена воздушка 15.

Аппарат оборудован люками 16 и смотровыми окнами 17.

15

Рис. 6. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения

1, 2 – штуцеры для ввода исходного раствора; 3 – циркуляционный насос; 4 – кипятильные трубки; 5 – греющая камера; 6 – труба вскипания; 7 – отбойник; 8 – циркуляционная труба; 9 – штуцер для отвода упаренного раствора; 10 – брызгоотделитель; 11 – штуцер для отвода вторичного пара; 12 – трубка для отвода уловленного раствора; 13 – штуцер для отвода греющего пара; 14 – штуцер для отвода конденсата; 15 – воздухоотводчик; 16 – люк; 17 – смотровые окна

2.4. Расчет толщины трубной решетки

На рис. 10 приведены основные типы трубных решеток, используемых в греющих камерах выпарных аппаратов.

Рис. 10. Типы трубных решеток греющих камер выпарных аппаратов

Номинальную расчетную высоту трубной решетки снаружи (высота h1) рекомендуется [10] определять для решетки типа I (рис. 10) по формуле:

где коэффициент k = 0,28; D – внутренний диаметр греющей камеры, м; р – давление греющего пара, Па.

Номинальную расчетную высоту трубной решетки снаружи (высота h1) для решетки типа II (рис. 10) определяют по формуле:

где Рб – расчетное усилие в болтах на растяжение; коэффициент k1 является функцией отношения (Dб/Dn) (рис. 11); Dб – диаметр болтовых отверстий; Dп – внешний диаметр уплотнения, равный:

где D – внешний диаметр корпуса греющей камеры.

где q – допускаемая нагрузка, приходящаяся на единицу условной поверхности развальцовки.

а) б) в)

Рис. 9. Крепление труб в трубных решетках развальцовкой

а) гладкая вальцовка; б) вальцовка в каналах; в) вальцовка колокольчиком (венчиком)

При развальцовке стальных труб методом гладкого вальцевания q = 15 Па, при развальцовке в канавках q = 30 Па, при развальцовке колокольчиком q = 40 Па [10]. Расчетная осевая сила Р, действующая в месте крепления трубы в решетке, для греющих камер выпарных аппаратов принимается равной:

где D – внутренний диаметр греющей камеры, м; dH – наружный диаметр кипятильных труб, м; n – число труб; ргп – давление греющего пара в межтрубном пространстве, Па.

а = 1,5 S (не менее 5 мм и не более 10 мм); в = S + 1 мм;

при dH = 20 – 40 мм, d = (1,02 – 1,016)dH и d1= d + 0,2 S + 0,5 мм; при dH = 40 – 100 мм, d = (1,016 – 1,01)dH и d1 = d + 0,2 S + 0,8 мм;

S – толщина трубки.

Развальцовка производится на глубину не менее 1,5 dH.

Крометого, длястали, рекомендуетсяупрощенная формуладлярасчетаh/:

где t – шаг между трубами, мм.

За расчетное принимается большее из значений h/, полученное по форму-

лам (13) и (15).

24

Глава 2. Греющая камера

2.1. Расположение труб, диаметр греющей камеры

При размещении кипятильных труб надо стремиться к равномерному их распределению по сечению греющей камеры [8, 9]. Трубы чаще всего располагают по сторонам равносторонних шестиугольников (шахматное расположение, рис. 7а), реже – по концентрическим окружностям (рис. 7б) и вершинам квадрата

(рис. 7в).

При расположении труб по периметру равносторонних шестиугольников греющая камера получается наиболее компактной по сравнению с другими способами расположения труб. Общее количество труб n при К-шестиугольниках

6

причем число труб по диагоналям шестиугольника b = 2 К +1

При больших размерах греющей камеры (К > 6) и при шахматном расположении число труб может быть увеличено за счет заполнения шести сегментов.

Центры крайних труб должны отстоять от внутренней стенки кожуха греющей камеры на расстоянии равном

(1,0÷1,5)dн,

где dн – наружный диаметр кипятильных труб.

Диаметр ограничительной окружности Do (рис. 7) может быть также рассчитан, как:

где δст – толщина стенки греющей камеры; DH – наружный диаметр греющей камеры.

Расстояние между осями соседних труб – шаг t, (рис. 7) выбирается возможно меньшим с целью увеличения скорости теплоносителя (греющего пара) в межтрубном пространстве. Уменьшение шага t ведет также к уменьшению размера греющей камеры.

17

Рис. 7. Расположение труб по сечению греющей камеры

а) шахматное; б) по окружности; в) по вершинам квадрата

Минимальное значение t определяется способом крепления труб в трубной решетке. Так, при закреплении концов труб в трубной решетке развальцовкой минимальный шаг равен примерно 1,3 dн, где dн – наружный диаметр кипятильных труб. Рекомендуются [2, 10] следующие значения t:

Диаметр греющей камеры зависит от числа трубок, шага трубок и способа размещения труб в трубной решетке. Так, при шахматном размещении труб

где e = (1,0 −1,5) dH e = (1,0 – 1,5)dH.

Греющая камера выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой (рис. 8) для размещения n кипятильных трубок должна иметь больший диаметр по сравнению с греющей камерой без циркуляционной трубы, так как последняя устраняет некоторое количество трубок n1.

18

2.3. Крепление кипятильных труб в трубной решетке

Наиболее распространенным способом закрепления труб в трубных решетках является развальцовка. Развальцовка труб заключается в холодной раздаче (раскатке) их в отверстиях трубной решетки. Развальцовка труб осуществляется специальным инструментом – вальцовкой. В результате вальцовки металл трубы деформируется, происходит уменьшение толщины стенки трубы, причем металл «течет» и заполняет все промежутки между трубкой и трубной решеткой, чем обеспечивается необходимая прочность соединения.

В случае развальцовки диаметр отверстий d в трубной решетке под кипятильные трубки для оптимальной величины зазора равен:

На рис. 9 показаны примеры крепления развальцовкой труб в трубных решетках.

Расчет закрепления труб в трубной решетке выпарного аппарата заключается в определении расчетной минимальной высоты трубной решетки, обеспечивающей надежное крепление в ней труб при вальцовке:

Рис. 8. Расположение труб в греющей камере с центральной циркуляционной трубой

В этом случае число труб по диагонали (b) выбирается по таблице 1 для суммарного числа труб (n + n1), где:

при D > 1000 мм и D < 600 мм принимают, что отношение сечений кипятильных труб и центральной циркуляционной трубы равно:

Dц = d (0,35 ÷0,40)n ≈ 0,61 n.

В этом случае необходимое число кипятильных труб размещается в кольцевом сечении (рис. 8), ограниченном окружностями диаметром Do (расчет по формуле (4)) и do:

где δц – толщина стенки циркуляционной трубы.

19

Примечания:

1.Настоящий ряд диаметров распространяется на металлические обечайки, изготавливаемые из листов. При этом для цветных металлов и сплавов действительны диаметры только до 3800 мм.

2.Для стальных обечаек диаметры, заключенные в скобки, следует применять только для обогреваемых или охлаждаемых рубашек аппаратов.

3.Диаметры, заключенные в прямоугольные скобки, действительны только для обечаек из цветных металлов и сплавов.

4.Настоящий ряд диаметров до 2000 мм рекомендуется применять при конструировании литых и кованых металлических корпусов аппаратов, а также любых корпусов и обечаек – из неметаллических материалов.

2.2.Расчет толщины стенки греющей камеры

Корпус греющей камеры выпарного аппарата представляет собой вертикальную обечайку, работающую для 1-го корпуса выпарной установки под внутренним, избыточным давлением равном давлению греющего пара.

При базовом внутреннем диаметре корпуса греющей камеры (D) номи-

где р – расчетное давление.

Расчетное давление р связано с давлением пробного гидравлического давления рг. На давление рг испытывается аппарат на прочность при его изготовлении и периодически – при эксплуатации.

Величина пробного гидравлического давления рг и его связь с расчетным давлением р представлена ниже:

Здесь σд – допускаемые напряжения материала (стали) стенки при температурах t = 20°С и греющего пара (tгп);

ϕ – коэффициент прочности сварного шва обечайки.

Для сталей при D > 500 мм ϕ = 1,0 (стыковой двусторонний сварной

шов);

21