расчет выпарки уфа

80

F1, F2 – поверхности тела и окружающей среды: обычно поверхность F2>> F1 (например, при расположении аппарата в цеху), поэтому:

где CЧ = 5,7 Вт/м2К4 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного

тела;

ε1 – степень черноты поверхности изоляции.

Значения εi для различных материалов приводятся в таблице 6.

Таблица 6

Значения εI для различных материалов

В уравнениях (51 – 53) критерий Нуссельта:

Nu =α01 l / λ ,

где λ – коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре пограничного слоя, равной (θ3+tСР)/2.

Критерий Прандтля Рr для воздуха в диапазоне температур 10 ÷ 500 0С при атмосферном давлении остается практически постоянным и равным 0,722.

Gr = ql β ∆t – Критерий Грасгофа,

ν 2

где β – коэффициент объемного расширения воздуха, равный β = 1/Т = 1/(273 + tср); ν – кинематическая вязкость воздуха при температуре tcp ;

41

l – определяющий размер (высота – для вертикальных аппаратов, наружный диаметр – для горизонтальных)

Примечание: для аппаратуры, находящейся в закрытых помещениях и температуре стенки аппарата θ3 ≤ 150 °С, определение суммарного коэффициента теплоотдачи α0 рекомендуется [14] проводить по приближенной формуле

где t =θ3 −tcp .

Глава З. Сепарационное пространство

3.1. Высота и диаметр сепаратора

Паровое (сепарационное) пространство над кипящим раствором в выпарном аппаратеслужитдляпредотвращенияуносавторичнымпаромкапельупариваемого раствора, так как капли уносимого раствора попадают в межтрубное пространство следующего (по ходу вторичного пара) выпарного аппарата, увеличивают его термическое сопротивление, загрязняют конденсат пара. Унос также уменьшает выход готовогопродуктаитемсамымувеличивает егостоимость.

Величину уноса капель характеризуют объемным напряжением парового пространства Rv , представляющего отношение объемного потока вторичного пара (м3/час) на 1 м3 парового пространства. На рис. 23 представлена экспериментальная зависимость Rv от рабочего давления (р) в сепараторе выпарного аппарата. Эта зависимость получена при кипении воды. Однако большинство водных растворов солей склонно к активному вспениванию. Поэтому для реальных случаев выпаривания принимают предельное напряжение парового пространства Rvïðåä = (0.3 ÷0.4)Rv , где Rv – напряжение парового пространства для кипящей воды при соответствующем рабочем давлении (определяется по графику (рис. 23).

Объем сепарационного пространства определяется по формуле:

где W – количество вторичного пара, образующегося в выпарном аппарате (кг/час); ρn – плотность вторичного пара (кг/м3).

42

Глава 9. Основные конструкции выпарных аппаратов

9.1.Выпарные стальные трубчатые аппараты, разработанные

всоответствии с ГОСТ 11987 – 81

Таблица 18 Коэффициент запаса для электродвигателя различной мощности

Таблица 19

Техническая характеристика вакуум-насосов типа ВВН

78

Рис. 23. Зависимость предельного напряжения парового пространства Rv

от давления при кипении воды

Полученный по формуле (55) объем сепарационного пространства позволяет определить диаметр сепаратора:

где Нсеп – высота сепаратора (м), принимаемая равной: Нсеп ≤ 1,8 м– для невспенивающихся растворов; Нсеп = 2,5 – 3 м – для пенящихся растворов.

Расчетное значение Dсеп сравнивается с величиной Dсеп стандартного вы-

парного аппарата [7, 8]. В случае, если (Dсеп)расч > (Dсеп)станд при конструировании выпарного аппарата следует исходить из величины (Dсеп)расч.

Отмечается [1, 2], что свободное сепарационное пространство выпарного аппарата не устраняет полностью уноса брызг. Поэтому, вместо увеличения объема (высоты) сепаратора устанавливают брызгоотделители, встроенные в корпус сепаратора или вынесенные за его пределы.

3.2. Брызгоотделители

Брызгоотделители располагаются в верхней части сепарационного пространства и служат для окончательного отделения капель раствора от вторичного пара. Брызгоотделители разделяются на два типа: инерционные и инерционно-центробежные.

В брызгоотделителях инерционного действия отделение капель от вторичного пара происходит за счет резкого изменения движения потока пара. В

43

этом случае капля, имея большую массу, силой инерции отбрасывается на стенки конструктивных элементов брызгоотделителя, отсюда стекает в рабочую зону аппарата.

Брызгоотделители инерционного типа (рис. 24) не стандартизованы, их основные размеры принимают, исходя из конструктивных соображений. При этом исходят из того, что скорость парового потока в элементах брызгоотделителя больше в 5-7 раз скорости вторичного пара в сепарационном пространстве.

Рис. 24. Брызгоотделители инерционного типа

Следует иметь в виду, что рост числа поворотов на 180° потока вторичного пара увеличивает эффективность брызгоотделителя, но в тоже время увеличивает его гидравлическое сопротивление. Последнее приводит к росту гидравлических депрессий, т.е. снижает теплосодержание вторичного пара.

Всвязи с этим нормализованы [8] брызгоотделители инерционноцентробежного типа (рис. 25 а). В этих брызгоотделителях использованы эффекты инерционного действия (резкий поворот потока вторичного пара) и центробежного: отогнутые внутрь направляющие закручивают поток пара, созданный центробежный эффект обеспечивает достаточно полное отделение капель раствора от вторичного пара.

Втабл. 7 приведены основные геометрические размеры брызгоуловителей инерционно-центробежного типа.

Для вспенивающих растворов, а также для выпарных аппаратов с вынесенной зоной кипения (рис. 6) сепарационное пространство дополнительно оборудуют дополнительными статическими отбойниками (поз. 7 на рис. 6). Этот отбойник состоит из стальных листов, изогнутых по форме лопаток турбинных колес, что создает дополнительный центробежный эффект при разделении раствора и вторичного пара непосредственно в объеме сепаратора.

44

Рис. 43. Схемы барометрических конденсаторов

а) с концентрическими полками (изготовляются диаметром 500 и 600 мм); б) с сегментными полками (изготавливаются диаметром 800 – 2000 мм)

77

8.3.2. Расчет и подбор вакуум-насоса.

Производительностьвакуум-насосаопределяется поуравнениюсостояния:

Рв-ха υв-ха = Gв-ха Rв-ха Тпвс, где Рв-ха = Рконд – Рвп; Рконд,

Рвп – соответственно давление в конденсаторе и водяного пара при температуре паровоздушной смеси;

Тпвс = tпвс + 273,

где tпвс = t′в + 4 0С + 0,1(t″в - t′в) = 10 + 4 + 0, 1(45, 44 – 10) = 17,50С.

Этой температуре соответствует Рвп = 0,019 ата,

поэтому Рвозд = 0,106 – 0,019 = 0,087 ата.

Массовый расход конденсирующихся газов рассчитывается по эмпирической формуле:

Gв-ха = [0,025(GН2О + W2) + 10W2]·10-3 ,

Gв-ха =[0,025(42,04 + 20602) + 10 · 2,602] ·10-3 =0,0271 кг/с .

Мощность вакуум-насоса:

N= ϑВ−ХА LАД ,

ηМЕХ ηАД

где удельный расход работы на 1 м3 газа равен:

Тогда:

N = 0,0265 34,22 =1,40 кВт, 0,65

гдеηМЕХ ηАД ≈ 0,65 .

Заводы-изготовители указывают мощность насоса для пускового периода [13].

76

Улучшают отделение капель раствора от вторичного пара также сетчатые отбойные элементы или отбойники из S-элементов, характеризуемые небольшим гидравлическим сопротивлением (рисунки 25 б, в).

Окончание таблицы 5

*Размеры относятся также к сетчатым и жалюзийным брызгоотделителям.

3.3. Смотровые окна

Смотровые окна стекла (стекла) для химической аппаратуры выполняют двух типов с размерами в свету: диаметром от 50 до 150 мм (для условного давления Ру ≤ 1 Па и tс ≤ 150 0С). Смотровые стекла выпарных аппаратов устанавливают на сепараторе для контроля за уровнем кипящего раствора в аппарате и интенсивности кипения. Смотровые стекла располагают на поверхности сепаратора либо на просвет, либо вертикально (не менее двух) для подсветки внутреннего пространства сепаратора. Для очистки внутренней поверхности смотровые стекла оборудуют смывателями.

Смотровые стекла с размерами в свету d = 50 и 125 мм для аппаратов из углеродистой стали изображены на рис. 26. Материал бобышки и кольца – Ст.З. Материал прокладки выбирается в зависимости от условий выпаривания и свойств упариваемого раствора.

Рис. 26. Смотровые окна из углеродистой стали

а) диаметр окна 50 мм; б) диаметр окна 125 мм.

1 – смотровое стекло; 2 – прокладка: 3 – кольцо; 4 – бобышка; 5 – сварочное соединение

46

Таблица 16 Конструктивныеразмерыпротивоточных конденсаторовсмешения

каскадноготипа

где р0 – атмосферное давление, р0 = 103300 Па; рконд – определяется по температуре θ′ = 48,440С и составляет

рконд = 0,106 ата (0,106·105 Па);

Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений, Σξ = 1,5; прибавка 0,5 м учитывает колебания атмосферного давления.

Коэффициент гидравлического сопротивления является функцией Re:

λ = ƒ(R), Re = wdδ ρH 2O = 1,17 0,22 1000 = 257400 >104 , μH 2O 1 10−3

что соответствует турбулентному режиму, поэтому можно воспользоваться формулой:

λ= Re0,160,16 = 2574000,16 0,16 = 0,0218 .

Врезультате имеем расчетную зависимость:

принимаем Hδ = 10,2 м.

Конструктивные размеры конденсатора смешения зависят от расхода вторичного пара.

Рис. 42. Зависимость диаметра барометрического конденсатора смешения (Дбк) от расхода конденсирующегося вторичного пара (W)

74

Смотровые стекла для аппаратов из нержавеющей стали с размерами d = 50 и 125 мм представлены на рисунке 27. Материал бобышки выбирается такой же как и для аппарата; материал кольца Ст.З. Материал прокладки должен соответствовать температурным условиям и удовлетворять условиям коррозионной устойчивости.

По данным [16] смотровые окна для аппаратов, работающих при Ру ≤ 0,6Па и t ≤ 150 0C, изготавливают из углеродистой стали (тип I – У и III – У) и высоколегированной стали (тип I – К и II – К). Конструкции смотровых окон показаны на рисунке 28; их основные размеры приведены в табл. 8.

Условное обозначение смотрового окна типа I с D = 50 мм для аппаратов из углеродистой стали «Окно смотровое I 50 MX 60 – 56».

Условное обозначение смотрового окна типа II из легированной стали

«Окно смотровое II К 50 MX 60 – 56».

Рис. 27. Смотровые окна из легированной стали

а) диаметр окна 50 мм; б) диаметр окна 125 мм

Таблица 8

Окна смотровые для аппаратов из углеродистой и кислотостойкой стали (z – число болтов)

Глава 4. Днища и крышки

Выпарные аппараты обычно оборудуются эллиптическими крышками и эллиптическими или коническими днищами (рис. 1 – 6).

Использование эллиптических днищ и крышек объясняется прежде всего тем, что распределение на них давления является наиболее оптимальным. Применение конических днищ удобно при удалении выпавших кристаллов, при чистке аппаратов. В этих условиях рекомендуется для вязких жидкостей и

суспензий принимать угол конусности α = 600 .

Днища крышки для удобства сварки их с корпусом встык изготовляются с отбортовкой. Это удобно также при фланцевом соединении крышек и днищ с другими частями аппарата.

Номинальную расчетную толщину эллиптической крышки (днища) (рис. 29) рассчитывают по формуле:

где Dвн – внутренний диаметр днища; р – давление на крышку (днище);

σд – допускаемое напряжение на растяжение для материала крышки(днища); ϕ – коэффициент ослабления крышки (днища) отверстиями, причем:

Рис. 41. Барометрический конденсатор смешения

принимаем dδ = 220 мм.

Тогда скорость движения воды в трубе равна:

w = 4(GH2O +W2 ) = 4(42,04 + 2,602) =1,17 м/с. 1000 dδ2π 1000(0,22)2 3,14

Высота барометрической трубы рассчитывается по формуле:

73

8.2.11. Расчет поверхностей выпаривания

Расчет поверхностей выпаривания проводился без учета снижения коэффициентов теплопередачи за счет термических сопротивлений теплопереносу и загрязнения кипятильных труб. Из практики известно, что действительная поверхностьвыпарныхаппаратовпринимаетсясзапасом(10-20%).

Для рассматриваемого примера принимаем поверхность корпусов F = 100 м2, при этом коэффициент запаса составляет 1,176.

8.2.12. Проверочные расчеты

Согласно учебно-методическому пособию, сделав выбор стандартного аппарата, студент (по заданию преподавателя) проводит проверочные расчеты греющей камеры, сепарационного пространства, основных штуцеров и т.д. (см. разделы 2 – 6) .

8.3. Расчет барометрического конденсатора смешения

Использование вакуум-насосов для создания вакуума в последнем корпусе установки экономически невыгодно, т.к. приходится удалять большие потоки вторичного пара и, следовательно, затрачивать значительное количество энергии.

Экономически целесообразно использовать барометрический конденсатор смешения, в котором создание вакуума происходит за счет контакта горячего вторичного пара и холодной воды. В этом случае имеет место конденсация паров и создание необходимого разряжения.

Поддерживают созданный вакуум высотой столба воды в барометрической трубе и откачкой небольшого количества несконденсировавшейся паровоздушной смеси (с помощью небольшого вакуум-насоса).

На рис. 41 представлена схема работы барометрического конденсатора смешения.

Объем барометрического ящика определяется по формуле:

Vящ = (4 ÷5) π 4dБ2 НБ м3.

72

где Σdi – суммарный диаметр отверстий в крышке (днище). Отметим, что при наличии нескольких отверстий в крышке (днище), работающем под внутренним давлением, эти технологические отверстия рекомендуется укреплять специальными кольцами.

Необходимо отметить, что при расчете толщины днища по формуле (57) следует учитывать не только рабочее давление в аппарате, но и гидростатическое давление столба упариваемого раствора.

Расчетная толщина стенки крышки (днища) с учетом условий процесса (коррозия, агрессивность среды и т. д.) определяется аналогично толщине стенки греющей камеры (см. раздел 2.2, расчетная формула 10).

а) б)

Рис. 29. Эллиптическая крышка (днище) (а) и коническое днище (б)

Условное обозначение эллиптической крышки (днище) с Dвн = 600мм,

δст =10мм изсталимарки16ГС«Крышка(днище) 600 x 10–16 ГСГОСТ6533 – 78».

Условное обозначение конического днища с α = 600 с Dвн = 600мм,

δст =10мм из стали марки 16 ГС «Днище 600 x 10 – 16 ГС ГОСТ 12619 – 78». При α = 900 ГОСТ 12619 – 78, для неотбортованных днищ α = 1200 ГОСТ

12620 – 78, α = 1400 ГОСТ 12621 – 78.

Расчетная толщина стенки δст (10) стандартизуется по номограмме (рис. 30); при этом по значениям Dвн и δст определяется высота отбортовки h [10].

49

Рис. 30. Номограмма для определения толщины стенки и высоты отбортовки эллиптических крышек (днищ)

Расчет номинальной толщины конических днищ (рис. 30) проводят по формуле:

где ϕ0 – коэффициент ослабления днища сварным швом (ϕ0 ~ 0,95); при дополнительном ослаблении днища технологическими отверстиями можно

За расчетную толщину днища принимают величину δст.

В номограмме на рис. 31 приведены размеры конических стандартных отбортованных днищ с углом конусности α = 60° [10].

50

При расчете количества вторичного пара из I корпуса (W1), а также тепловых нагрузок корпусов Q1 и Q2 величины теплосодержаний паров и температур кипения растворов берутся из таблицы первого приближения.

Тогда количество выпариваемой воды:

W1 = 5,017(2590 − 4,19 68,34) + 5,56 4,071(68,34 −119,42) = 2,415кг/с , (2710 − 4,19 117,92) + 2590 − 4,19 68,34 −119,42

W2 = W – W1 = 5,017 – 2,415 = 2,602 кг/с.

Тепловые балансы корпусов:

Q1 = W1(i1 – Cкондt1) + SнСн(t1 - tн),

Q1 = 2,415 (2710 – 4,19·119,42) + 5,56·4,071·(119,42 – 100) = 5776,5 кВт , Q2 = W1(i1 - Cкондθ1) = 2,415(2710 – 4,19·117,92) = 6050,5 кВт .

Таким образом, суммарная тепловая нагрузка установки составляет:

QΣ = Q1 + Q2 = 5776,5 + 6050,5 = 11827кВт,

разбаланс в количестве суммарного расхода тепла составляет:

Учитывая, что разбаланс η не превышает ± 5%, можно принять достаточную сходимость тепловых балансов и отказаться от дальнейших приближений.

8.2.9. Расход греющего пара (с учетом потерь в окружающую среду)

Дгп = 1,05Q1 =1,05 5776,5 = 2,833 кг/с. rгп 2141

Удельный расход греющего пара:

d = ДWгп = 5,0172,833 = 0,564 кг пара/кг воды.

8.2.10. Коэффициенты теплопередачи по корпусам установки

Достаточно резкое падение коэффициентов теплопередачи по корпусам установки объясняется низкой концентрацией раствора на выходе I корпуса: