Реферат
Ключевые слова: Установка, Выпаривание, Технологии,Расчет, Оптимизация, Карбамид, Раствор, Выпарной аппарат.
В общей части обсуждены современные методы концентрированияжидких смесей. Принята выпарная установка с сосной греющей камерой дляконцентрирования раствора карбамида (/>) с 95% до 99,8% (масс.). Выбраныосновные технологические параметры процесса упаривания. Принята конструкциявыпарного аппарата.
В технологическом расчете определены материальные и тепловыепотоки.
В конструктивном расчете определены основные конструктивныеразмеры выпарного аппарата, обеспечивающего заданную производительность.Проведена оптимизация требуемой площади поверхности теплообмена по минимумузатрат.
В прочностном расчете определены требуемые толщины стенокаппарата, крышки и днища. Также произведен расчет и выбор опор и фланцев.
Содержание
1. Введение
2. Общаячасть
2.1 Общиесведения о процессе
2.2 Выборвыпарного аппарата
3. Технологическийрасчет
3.1 Материальныйбаланс
3.2 Определениетепловых нагрузок
3.3 Тепловойбаланс
3.4 Выборконструкционного материала
3.5 Расчеткоэффициента теплопередачи
4. Конструктивныйрасчет
4.1 Расчетповерхности теплопередачи
4.2 Определениетолщины тепловой изоляции
4.3 Выборштуцеров
5. Гидравлическийрасчет
6. Прочностнойрасчет
6.1 Расчеттолщины стенок
6.1.1 Расчеттолщины стенки сепаратора
6.1.2 Расчеттолщины стенки греющей камеры
6.2 Расчеткрышек и днищ выпарного аппарата
6.2.1 Расчеткрышек и днища сепаратора
6.2.2 Расчеткрышки и днища греющей камеры
6.3 Расчетфланцев и болтовых соединений
6.4 Расчетопор
7. Литература
1. Введение
Карбамид (мочевина) СО(NH2)2 представляет собой амидкарбаминовой кислоты.
/>
Карбамид выпускается в виде гранул или кристаллов. Вданном производстве карбамид выпускается в виде гранул. По внешнему виду гранулыкарбамида белые или слабо окрашенные. Чистый карбамид СО(NH2)2 содержит 46,6 % азотав амидной форме. Раствор карбамида в воде обладает слабощелочными свойствами.Физико-химические свойства карбамида:
Таблица 1.1.Относительная молекулярная масса 60,056 Плотность (при 25 °С), кг/м3 1330 Насыпная плотность гранулированного карбамида влажности 0,5 — 0,17 %, кг/м3 687-736 Температура плавления при атмосферном давлении, оС 132,7 Удельная теплоемкость при 20 оС, кДж. 1,34 Теплота плавления, кДж/кг 242 Теплота образования из простых веществ при 25 оС, кДж/моль 333,27 Теплота растворения, кДж/кг 242 Теплопроводность плава при 35 оС, Вт/(м к) 0,42 Динамическая вязкость при 132,7 оС, МПа× с 2,58 Угол естественного откоса гранулированного продукта, град 35
С некоторыми солями карбамид образует комплексныесоединения. При смешении в определенных соотношениях с аммиачной селитройкарбамид образует комплексные соединения, более растворимые, нежели каждая сольв отдельности.
Комплексные соединения карбамид образует с нормальнымиуглеводородами и их производными. Реагируя с формальдегидом при нагревании вприсутствии щелочи, карбамид образует различные высокомолекулярные продукты,которые применяются в промышленности для изготовления пластических масс. Продукт,полученный путем конденсации карбамида с формальдегидом в кислой средепредставляет собой карбамидо-формальдегидное удобрение, содержащее до 40 % азота,большая часть которого находится в труднорастворимой, но полностью усвояемойрастениями форме.
В воде карбамид растворяется хорошо. При повышениитемпературы его растворимость увеличивается.
Значительно труднее растворяется карбамид в метиловом,этиловом и др. спиртах. В эфире он мало растворим и нерастворим в хлорбензоле.
Карбамид легко растворяется в жидком аммиаке, образуя соединениеСО(NH2)2NH3 с массовой долей 71,9 % карбамида и 22,1 % вес аммиака и существующеетолько в растворах. С повышением температуры растворимость карбамида в аммиакезначительно возрастает.
Твердый карбамид, нагретый под вакуумом до 120-130 оС возгоняетсябез разложения. Нагревание сухого карбамида при атмосферном давлении вышетемпературы плавления 132,7 оС приводит к образованию биурета, а при 180-190 оС- циануровой кислоты: амелида и др.
Карбамид выпускается по ГОСТ 2081-92Е, которыйсоответствует требованиям к карбамиду, изготовляемому для нужд сельскогохозяйства и для поставки на экспорт:
Таблица 1.2.№ п/п Наименование показателей Норма марки Б Высший сорт 1-й сорт 2-й сорт 1 Массовая доля азота в пересчете на сухое вещество, %, не менее 46,2 46,2 46,2 2 Массовая доля биурета, %, не более 1,4 1,4 1,4 3 Массовая доля воды, %, не более: метод высушивания 0,3 0,3 0,3 метод Фишера 0,5 0,5 0,6 4 Рассыпчатость, %. 100 100 100 5 Гранулометрический состав, %. массовая доля гранул размером, мм: От 1 до 4 мм, не менее 94 94 94 От 2 до 4 мм, не менее 70 50 - Менее 1 мм, не более 3 5 5 Остаток на сите 6 мм, не более Отсутствие 6 Статическая прочность гранул, кгс/гранулу, не менее 0,7 0,5 0,3
Карбамид находит широкое применение как в сельскомхозяйстве, так и в промышленности. В сельском хозяйстве он используется как азотноеудобрение и кормовое средство.
Исходя из повышенных требований сельского хозяйства ккачеству карбамида (грансоставу и прочности гранул), обусловленных переходом набестарное хранение и отгрузку карбамида, возникла необходимость обработкикарбамида карбамидоформальдегидной смолой, в результате чего карбамидприобретает свойство текучести.
Это свойство дает гарантию рассыпчатости продукта, крометого обработанный карбамид, внесенный в почву более полно усваиваетсясельскохозяйственными культурами.
В промышленности карбамид применяют в производстве пластическихмасс, синтетических клеев. Широко применяется в фармацевтическойпромышленности, расходуется на изготовление ряда лекарственных препаратов.
В больших количествах используется в производствекарбамидоформальдегидных полимеров (КФП) получаемых путем конденсации карбамидас формальдегидом.
В связи с этим важное значение приобретает кооперированиепроизводства карбамида и формальдегида.
2.Общая часть
2.1 Общие сведения о процессе
Раствор карбамида с массовой долей карбамида 65-75 %,температурой 80-100 °С.
TI 2332 подается насосом поз. Р-303А(В) из сборника поз.V-302 в испаритель 1-ой ступени выпарки поз. Е-401. Испарители 1-ой ступени иII-й ступени выпаривания представляют собой кожухотрубные теплообменники, совмещенныев верхней части с сепаратором. Объемная подача раствора на выпарку (не менее 25м3\ч) регулируется клапаном регулятора расхода FIRC 2012.
На I-ой ступени выпарки раствор карбамида упаривается притемпературе 125-130 °С (ТIC 2341),абсолютном давлении 25-49 кПа (PIRC 2117). Температура раствора на выходе из1-ой ступени регулируется регулятором давления пара PIC 2137 с коррекцией поTIC 2341. Пар 0,2?0,45 МПа подаетсяв межтрубное пространство подогревателя поз. Е-401.
Парожидкостная смесь из подогревателя поз. Е-401 поступаетв сепаратор поз. S-401, где соковые пары отделяются от раствора карбамида.Раствор карбамида из сепаратора поз. S-401 по барометрической трубе поступает виспаритель II-ой ступени поз. Е-402.
На II-ой ступени выпарки раствор упаривается при абсолютномдавлении не более 5,0 кПа и температуре 135-140 °С(TIC 2342) до массовой доли карбамида в плаве не менее 99,7 %. Температура плавана выходе из II-ой ступени выпарки поддерживается регулятором PIC 2128 скоррекцией по TIC 2342. Пар давлением 0,4-0,8 МПа подается в межтрубноепространство испарителя поз. Е-402.
В сепараторе II-ой ступени поз. S-402 соковые парыотделяются от плава карбамида.
Плав карбамида из сепаратора поз. S-402 поступает на всаснасосов плава поз.
Р-401А,(В) и далее на грануляцию. Для предотвращениякристаллизации плава в “рубашку” плавопровода подается пар 0,25-0,38 МПа.
Во время пуска узла выпаривания до выхода на нормальныйтехнологический режим, плав карбамида через трехходовой клапан НСАОС 2613 циркулируетот насоса поз. Р-401А(В) в сборник поз. V-302.
По окончании вывода узла выпаривания на НТР плав подаетсяна грануляторы, линия циркуляции плава промывается конденсатом от насоса поз.Р-901А(В) через клапан HIC 2614.
В качестве кондиционирующей добавки в линию всаса насосовпоз. Р-401А(В), в плав карбамида из напорного бака поз. V-666 дозируетсякарбамидоформальдегидная смола.
Объемная подача раствора КФС, дозируется в плавкарбамида, регулируется клапаном регулятора FIRC 1751. На входе КФС в линиюплава установлен отсекатель НСА 1751, который закрывается при переводе узлавыпаривания на циркуляцию. Положение клапана-отсекателя сигнализируется на ЦПУ.Для поддержания температуры раствора КФС на уровне 20-30 °С TI 1723 (3) в “рубашку” напорного бакапоз. V-666 подается конденсат. Трубопроводы раствора КФС снабжены конденсатными“рубашками”.
Соковый пар из сепаратора поз.S-401 конденсируется в конденсаторепоз. Е-702. Не сконденсировавшиеся пары и инерты эжектором поз. I-702 подаютсяв концевой конденсатор поз. Е-705. Остаточное давление на I-ой ступени выпаркирегулируется клапаном регулятора PIRC 2117. Соковый пар из сепаратора поз.S-402 эжектором поз.I-703 подается в конденсатор поз.Е-703.Несконденсировавшиеся пары и инерты в поз. Е-703 эжектором поз. I-704транспортируются через второй конденсатор II-й ступени выпарки поз. Е-704 вконцевой конденсатор поз. Е-705.
Не сконденсировавшиеся в концевом конденсаторе поз. Е-705пары и инерты отводятся для окончательной очистки в колонну абгазов поз. С-751.Колонна поз. С-751 орошается охлажденной сточной водой. Объемная подача наорошение охлажденной сточной воды регулируются клапаном регулятора FIC 2023.(Не менее 0,5 м3/ч). Инерты из абсорбера поз. С-751 через “свечу” поз. Х-701выбрасываются в атмосферу. Конденсат соковых паров из конденсаторов поз. Е-702,Е-703, Е-704, Е-705 самотеком отводится в сборник ам. воды поз. V-703.
Все конденсаторы выпарки охлаждаются оборотной водой.
Для предотвращения кристаллизации карбамида на стенкахсепараторов поз. S-401 и поз. S-402, а также в газоходе соковых паров отсепаратора поз. S-402, предусмотрена постоянная промывка ам. водой от насосапоз. Р-703А(В).
В эжекторах I-ой и II-ой ступени выпарки используется пар0,32-0,45 МПа (PIC 2139).
2.2 Выбор выпарного аппарата
Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемыхв промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровыерубашки, змеевики, трубчатки различных видов) и по ее расположению впространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной иногда наклонной греющейкамерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературныетеплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того,движется теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры.
Различают выпарные аппараты с неорганизованной, илисвободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией раствора.
Выпарные аппараты делятся также на аппараты прямоточные,в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат безциркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.
В зависимости от организации процесса различаютпериодические и непрерывно действующие аппараты.
Аппараты со свободной циркуляцией раствора
Простейшими типами являются периодически действующиеоткрытые выпарные чаши с паровыми рубашками и змеевиковые. В выпарных аппаратахс рубашками происходит мало интенсивная неупорядоченная циркуляциявыпариваемого раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менеенагретых веществ. Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этихаппаратов очень невелики.
Применяют при выпаривании сильноагрессивных и вязких,выделяющих твердые осадки, растворов.
Значительно большей поверхностью теплообмена в единицеобъема обладают змеевиковые выпарные аппараты. Аппараты более компактные, чемаппараты с рубашками, и отличаются несколько большей интенсивностьютеплопередачи. В этих аппаратах также производят выпаривание небольшихколичеств химически агрессивных сред.
В вертикальных аппаратах с направленной естественнойциркуляцией выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляциираствора.
В аппаратах с внутренней нагревательной камерой ицентральной циркуляционной трубой обеспечивается естественная циркуляция,улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхноститеплообмена. Недостатком является жесткое крепление кипятильных труб, недопускающее значительной разности тепловых удлинении труб и корпуса аппарата.
В аппаратах с подвесной нагревательной камерой благодарясвободному подвесу нагревательной камеры устраняется опасность нарушенияплотности соединения кипятильных труб с трубными решетками вследствие разноститепловых удлинении труб и корпуса аппарата. Интенсивность циркуляции ваппаратах с подвесной нагревательной камерой недостаточна для эффективноговыпаривания высоковязких и особенно кристаллизирующихся растворов.
В аппаратах с выносными циркуляционными трубамидостигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход метала на 1м2 поверхностинагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой илицентральной циркуляционной трубой.
В аппаратах с выносной нагревательной камерой скоростьциркуляции может достигать 1,5м/с, что позволяет выпаривать в нихконцентрированные и кристаллизирующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрогозагрязнения поверхности теплообмена.
Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применятсядля выпаривания кристаллизирующихся растворов умеренной вязкости. Коэффициентытеплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 Вт/(м2град).
В отличии от аппаратов с естественной циркуляцией впрямоточных аппаратах выпаривание происходит при однократном прохождениевыпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким образом,выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. Различают аппараты свосходящей пленкой (упаривание кипящих растворов) и со стекающей пленкой(упаривание вязких и термоноестойких растворов).
Для того чтобы устранить отложение накипи в трубах,особенно при выпаривании кристаллизирующихся растворов, необходима скоростьциркуляции не менее 2-2,5 м/с. Такие условия можно создать в аппаратах спринудительной циркуляцией. Скорость циркуляции определяетсяпроизводительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровняжидкости в трубах, и также от интенсивности парообразования.
По технологическим причинам использование многокорпусныхвыпарных аппаратов иногда может оказаться неприемлемым. Так, например,приходится отказываться от многокорпусного выпаривания тех чувствительных квысоким температурам растворов, для которых температура кипения в первыхкорпусах многокорпусных установок слишком высоки и могут вызвать порчупродукта.
Проанализировав физические свойства выпариваемогораствора выбираем выпарной трубчатый аппарат с естественной циркуляцией исоосной греющей камерой.
3. Технологический расчет
Поверхность теплопередачи корпуса выпарного аппаратаопределяется по основному уравнению теплопередачи:
/> (3.1)
где F- площадь теплообменника, м2; Q -количествопередаваемой теплоты, Дж; k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Dtп — полезная разность температур, К.
Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентовтеплопередачи k, и полезной разности температур Dtп,необходимо знать количество упаренной воды, концентрацию раствора и еетемпературу кипения в корпусе.
Производительность установки по выпариваемой водеопределяют из уравнения материального баланса:
/> (3.2)
где W — производительность установки по упариваемой воде,кг/с; xн — начальная концентрация, xк — конечная концентрация, Gн — производительность установки (кг/с).
/>
/>
Температура кипения раствора в корпусе />:
tk=132C0
3.1 Материальный баланс
На выпаривание поступает /> кг/с исходного раствора сконцентрацией xн и удаляется Gк кг/с упаренного раствора с концентрацией xк.Если в аппарате выпаривается W кг/с растворителя, то общий материальный балансвыражается уравнением:
/>
Производительность аппарата по упаренному раствору:
/>
/>
Производительность установки по выпариваемой воде:
/>
В аппарат входит поток № 401 со следующим составом:
— карбамид — 95%;
— вода — 5%.
С аппарата выходят потоки № 402 и 709 со следующимсоставом:№ 402 № 709 — карбамид — 99,8%; — карбамид — 12,02%; — вода — 0,3%. — СО2 — 6,29%; — NH3 — 0,44%; — вода — 70,55%; — инерты — 0,45%; — O2 — 0,15%.
Расчет статьи прихода:
/>;
/>.
Расчет статьи расхода:
Поток № 402
/>;
/>.
Поток № 709
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>
Таблица 3.1
Материальный балансПриход массы Расход массы № п/п Статья прихода М, кг/ч % № п/п Статья расхода М, кг/ч % Раствор карбамида Раствор карбамида в том числе: в том числе: 1 (NH2)2CO 26655,48 95 1 (NH2)2CO 26654,98 99.7 2 H2O 1402,92 5 2 H2O 53,42 0.3 Соковый пар в том числе: 3 (NH2)2CO 162,27 12.02 4 СО2 84,92 6.29 5 NH3 140,94 10.44 6 H2O 954,425 70.55 7 Инерты 6,075 0.45 8 O2 2,025 0.15 Итого 28058,4 100 Итого 28058,4 100
3.2 Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в корпусе, производительностькорпуса по выпариваемой воде и тепловую нагрузку корпуса определим путемсовместного решения уравнений />:
/> (3.3)
где 1.03-коэффициент учитывающий 3% потери тепла вокружающую среду; сн — теплоемкость раствора карбамида кДж/кгК; tнач- начальнаятемпература кипения исходного раствора С0; tкон — температура кипения растворав корпусе С0 (Ткон=Тк=132С0); I2 ,I1 -энтальпии сухого насыщенного греющегопара и энтальпия конденсата, кДж/кг; Iвт.п. — энтальпия воды при температереtк; — расход греющего пара.
/> (3.4)
/>
где cc — теплоемкость 100% раствора карбамида, Дж/кгС0,/>; х — массоваядоля карбамида в растворе; 4.190 — теплоемкость воды кДж/кгС0.
Пар в теплообменник поступает под давлением 0,4МПа, чтосоответствует температуре 143С0,/>.Температуре греющего пара равной143С0 соответствуют следующие энтальпии сухого насыщенного греющего пара иэнтальпии конденсата,/>:tг.п.,C0 I1, кДж/к I2, кДж/кг 143 596 2774
/>
Расход греющего пара будет:
/>
3.3 Тепловой баланс
Для составления теплового баланса определим приход ирасход тепла. Тепло в аппарат приходит с исходным раствором и греющим паром, ауходит с упаренным раствором, вторичным паром, паровым конденсатом и потерямитепла в окружающую среду.
Уравнение теплового баланса имеет вид:
/>, (3.5)
Где Gг.п. – расход греющего пара; I, Iг, iн, iк –энтальпии вторичного и греющего пара, исходного и упаренного растворасоответственно; с1 – удельная теплоемкость парового конденсата; t — температура конденсата.
Приход тепла:
/>;
/>.
Расход тепла:
/>;
/>.
Таблица 3.2
Тепловой балансПриход тепла Расход тепла № п/п Статья прихода Вт № п/п Статья расхода Вт 1 С исходным раствором 1513497,4 1 С упаренным раствором 1316190 2 С греющим паром 1190046 2 С вторичным паром 1023750 3 С паровым конденсатом 257044 4 Потери тепла в окружающую среду 106559,4 Итого 2703543,4 Итого 2703543,4
3.4 Выбор конструкционного материала
Выбираем конструкционный материал стойкий к средекипящего раствора карбамида-CO(NH2)2 в интервале изменения концентраций от 95до 98,8%. В этих условиях стойкой является сталь марки Х28. Скорость коррозииее не менее 0,1мм/год, коэффициент теплопроводности lст=16,747 Вт/мК,/>.
3.5 Расчет коэффициента теплопередачи
Коэффициент теплопередачи для корпуса выпарного аппаратаопределяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
/> (3.6)
где a1-коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке, Вт/(м2К); Sd/l — Суммарное термическое сопротивление,м2К/Вт; a2- коэффициент теплоотдачи отстенки к кипящему раствору, Вт/(м2К).
Примем, что суммарное термическое сопротивление равнотермическому сопротивлению стенки dст/lст и накипи dн/lн (/lн=2Вт/мК).Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.
/> (3.7)
/>
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара кстенке рассчитывается по формуле:
/> (3.8)
где r1 — теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; rж, lж,mж -соответственно плотность (кг/м3),теплопроводность Вт/м*К, вязкость (Па*с) конденсата /> при средней температуре пленкиtпл=tг.п.- Dt1 – разность температурконденсации пара и стенки, град.
Расчет a1 ведутметодом последовательных приближений. В первом приближении примем Dt1=2,0 град. Тогда получим:
/>
Для установившегося процесса передачи тепла справедливоуравнение:
/> (3.9)
где q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; Dtст — перепад температур на стенке, град; Dt2 — разность между температурой стенки состороны раствора и температурой кипения раствора, град.
Полезная разность температур в аппарате Dtп рассчитывается по формуле:
/> (3.10)
Отсюда:
/>
/>
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору дляпузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условииестественной циркуляции раствора равен,/>:
/> (3.11)
Подставив численные значения получим:
/>
Физические свойства кипящего раствора карбамида и егопаров приведены ниже:
Таблица 3.3Параметр Значение Литература Теплопроводность раствора l, Вт/м*К 0,421
/> Плотность раствора r, кг/м3 1220
/> Теплоемкость раствора с, Дж/кг*К 1344
/> Вязкость раствора m, Па*с 2,58*10-3
/> Поверхностное натяжение s, Н/м 0,036
/> Теплота парообразования rв, Дж/кг 2170
/> Плотность пара rп, кг/м3 2,2
/>
Проверим правильность первого приближения по равенствуудельных тепловых нагрузок:
/>
/>
Как видим />.
Для второго приближения примем Dt1=2,48 град.
Пренебрегая изменением физических свойств конденсата приизменении температуры на 0,48 град, рассчитываем a1:
/>
Получим:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Как видим, />.
Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 5%,поэтому расчет коэффициентов a1 и a2 на этом заканчиваем.
Находим теперь коэффициент теплопередачи:
/>
4.Конструктивный расчет
4.1 Расчет поверхности теплопередачи
Рассчитаем поверхность теплопередачи выпарного аппарата:
/>
где F- площадь теплообменника, м2; Q -количествопередаваемой теплоты, Дж; k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Dtп — полезная разность температур, К.
/>
Исходя из поверхности теплообмена выбираем аппарат соследующими характеристиками,/>:
Таблица 4.1F, м2 D, мм D1, мм D2, мм H, мм M, кг L=3000мм 40 800 1200 500 11000 3000
Диаметр трубочек d =38´2мм
Номинальная поверхность теплообмена 40м2
Высота труб 3000мм
Диаметр греющей камеры 800мм
Диаметр сепаратора 1200мм
Общая масса аппарата 3000кг
Общая высота аппарата 11000мм
4.2 Определение толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции dннаходят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции отповерхности изоляции в окружающую среду:
/>, (4.1)
где aв=9,3+0,058tст2– коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала вокружающую среду, Вт/(м2*К).
tcт2 – температура изоляции со стороны окружающей среды;для аппаратов работающих на открытом воздухе tcт2=10С0; tcт1 – температураизоляции со стороны аппарата tcт1= tг.п.; tв – температура окружающей среды.
aв=9,3+0,058*10=9,88Вт/м2*К
В качестве материала для тепловой изоляции выберемсовелит (85% магнезит + 15% асбеста) имеющего коэффициент теплопроводности /> lн=0,09Вт/м2*К.
Получим
/>
Принимаем толщину тепловой изоляции 0,121м.
4.3 Выбор штуцеров
Диаметр штуцеров определим из уравнения расхода
/>, (4.2)
где V — секундный расход жидкости или пара, м3/с; w — скорость жидкости или пара в штуцерах, м3/с, принимаем по практическим данным,/>:Для пара 15-25м/с Для жидкости 0,5-3м/с
Диаметр штуцера входа и выхода раствора:
/> (4.3)
/>
Примем D=80мм.
Диаметр штуцера входа и выхода паров:
/>, (4.4)
где t0, P0 – температура и давление при нормальныхусловиях.
Р=Р0, Mr – молекулярная масса раствора.
Mr=0,998*60+(1-0,998)*18=59,916
/>
Подставив, получим:
/>
Принимаем диаметр равный 125мм.
Диаметр штуцера выхода конденсата
/>
Примем диаметр равный 32мм.
Таблица штуцеров,/>.
Таблица 4.2Dy dT ST HT 80 89 4 155 125 133 6 155 32 38 3 155
5. Гидравлический расчет
Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатых теплообменниковдля трубного пространства без поперечных перегородок рассчитывается по формуле
/>, (5.1)
где l — Коэффициент трения; d – диаметр трубы, м; L – длинна одного хода, м; z – числоходов по трубам; rтр – плотностьраствора карбамида в трубном пространстве; wтр – скорость раствора в трубах;wтр.ш. – скорость раствора в штуцерах; n – количество труб шт.
rтр=1220кг/м3;d=0,034м; z=1; L=3.
Определим число Рейнольца по формуле:
/>, (5.2)
где mр-ра — вязкость (Па*с) раствора при температуре tк, z – число ходов по трубам,
n – количество труб шт., d- внутренний диаметр трубочек,мм.
/>
Как видим число Рейнольдца меньше 2300, Re:
/> (5.3)
Скорость жидкости в трубном пространстве рассчитываем поформуле:
/>, (5.4)
rтр- плотностьвещества в трубном пространстве кг/м3.
Подставив значения получим:
/>
Скорость жидкости в штуцерах рассчитываем по формуле:
/> (5.5)
/>
Подставив все значения в уравнение для расчетагидравлического сопротивления в трубном пространстве получим:
/>
6. Прочностной расчет
6.1 Расчет толщины стенок
6.1.1 Расчет толщины стенки сепаратора
В соответствии с ГОСТ 14249-80 расчет толщины сепаратора,нагруженного внутренним давлением определим по формуле:
/>, (6.1)
где Рр – расчетное давление в аппарате, МПа; D –внутренний диаметр аппарата, м; /> - допустимое напряжение длявыбранного материала аппарата /> при соответствующей температуре,МПа; j — коэффициент сварного шва,/>. j = 0,9; /> = 139МПа; Рр = 0,0049МПа.
Тогда
/>
Определим толщину стенки сепаратора с учетом поправки накоррозию:
/>, (6.2)
где С – поправка на коррозию, мм. С = 2мм. />. Окончательно принимаем/>
6.1.2 Расчет толщины стенки греющей камеры
Давление равно давлению греющего пара Р=Рг=0,4МПа.
Толщина стенки рассчитывается по формуле: