Расход греющего пара в корпусе, производительность корпуса по выпариваемой воде и тепловую нагрузку корпуса определим путем совместного решения уравнений :

(3.3)

где 1.03-коэффициент учитывающий 3% потери тепла в окружающую среду; сн - теплоемкость раствора карбамида кДж/кгК; tнач- начальная температура кипения исходного раствора С0; tкон - температура кипения раствора в корпусе С0 (Ткон=Тк=132С0); I2 ,I1 -энтальпии сухого насыщенного греющего пара и энтальпия конденсата, кДж/кг; Iвт.п. - энтальпия воды при температере tк; - расход греющего пара.

(3.4)

где cc - теплоемкость 100% раствора карбамида, Дж/кгС0,; х - массовая доля карбамида в растворе; 4.190 - теплоемкость воды кДж/кгС0.

Пар в теплообменник поступает под давлением 0,4МПа, что соответствует температуре 143С0,.Температуре греющего пара равной 143С0 соответствуют следующие энтальпии сухого насыщенного греющего пара и энтальпии 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 и расход тепла. Тепло в аппарат приходит с исходным раствором и греющим паром, а уходит с упаренным раствором, вторичным паром, паровым конденсатом и потерями тепла 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 раствора соответственно; с1 – удельная теплоемкость парового конденсата; t - температура конденсата.

Приход тепла:

;

Расход тепла:

;

Таблица 3.2

Тепловой баланс

Приход 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 среде кипящего раствора карбамида-CO(NH2)2 в интервале изменения концентраций от 95 до 98,8%. В этих условиях стойкой является сталь марки Х28. Скорость коррозии ее не менее 0,1мм/год, коэффициент теплопроводности lст=16,747 Вт/мК,.

3.5 Расчет коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для корпуса выпарного аппарата определяют 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 от стенки к кипящему раствору, Вт/(м2К).

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому 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 к стенке 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 пленки tпл=tг.п.- Dt1 – разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет a1 ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем Dt1=2,0 град. Тогда получим:

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

(3.9)

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; Dtст - перепад температур на стенке, град; Dt2 - разность между температурой стенки со стороны 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 для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции раствора равен,:

(3.11)

Подставив численные значения получим:

Физические свойства кипящего раствора карбамида и его паров приведены ниже:

Таблица 3.3

Параметр	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 равенству удельных тепловых нагрузок:

Как видим .

Для второго приближения примем Dt1=2,48 град.

Пренебрегая изменением физических свойств конденсата при изменении 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 -количество передаваемой теплоты, Дж; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Dtп - полезная разность температур, К.

Исходя из поверхности теплообмена выбираем аппарат со следующими характеристиками,:

Таблица 4.1

F, 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 dн находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

, (4.1)

где aв=9,3+0,058tст2 – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2*К).

tcт2 – температура изоляции со стороны окружающей среды; для аппаратов работающих на открытом воздухе tcт2=10С0; tcт1 – температура изоляции 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 выберем совелит (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 нормальных условиях.

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 4.2

Dy	dT	ST	HT
80	89	4	155
125	133	6	155
32	38	3	155

5. Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатых теплообменников для трубного пространства без поперечных перегородок рассчитывается по формуле

, (5.1)

где l - Коэффициент трения; d – диаметр трубы, м; L – длинна одного хода, м; z – число ходов по трубам; rтр – плотность раствора 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<2300, тогда коэффициент трения будет рассчитываться по формуле,:

(5.3)

Скорость жидкости в трубном пространстве рассчитываем по формуле:

, (5.4)

rтр- плотность вещества в трубном пространстве кг/м3.

Подставив значения получим:

Скорость жидкости в штуцерах рассчитываем по формуле:

(5.5)

Подставив все значения в уравнение для расчета гидравлического 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 для выбранного 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 на коррозию:

, (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:

Определим толщину стенки греющей камеры с учетом поправки на коррозию:

где С – поправка на коррозию, мм. С = 2мм. Окончательно принимаем

6.2 Расчет крышек и днищ выпарного аппарата

6.2.1 Расчет крышек и днища сепаратора

Расчет крышек делается в соответствии с ГОСТ 14249-80 по формуле:

(6.3)

- давление вторичного пара, МПа; R – радиус кривизны крышки, мм.

Радиус кривизны крышки рассчитывается по формуле:

, (6.4)

где - диаметр аппарата, мм; - высота крышки, мм.

Высота крышки рассчитывается по формуле:

, (6.5)

Получим

Определим толщину стенки крышки с учетом поправки на коррозию:

где С – поправка на коррозию, мм. С = 2мм.

Окончательно принимаем

В связи с ослаблением крышки сепаратора конструктивно примем

Таблица 6.1

D, мм	Sд, мм	Hд, мм	Hц, мм	Fд, м2	Vд, м3
1200	6-8	300	25	1,65	0,2534

6.2.2 Расчет крышки и днища греющей камеры

Определим толщину днища греющей камеры

;

Получим:

Определим толщину стенки крышки с учетом поправки на коррозию:

где С – поправка на коррозию, мм. С = 2мм.

Окончательно принимаем

Таблица 6.2

D, мм	Sд, мм	Hд, мм	Hд, мм	Fд, м2	Vд, м3
800	4-12	200	25	0,59	0,0543

6.3 Расчет фланцев и болтовых соединений

Выберем фланец по ОСТ 26-426-79 Соответствующий диаметру греющей камеры и давлению Ру = 0,4МПа.

Тип фланца стальной плоский приварной с гладкой уплотнительной поверхностью

Выбираем материал фланца по ГОСТ 5520-79,:

Таблица 6.3

Деталь	Рабочие условия		Марка стали	Технические требования
	Р, МПа	t, C0
Фланец		От -20 до +300	20К	ГОСТ 5520-79

В зависимости от Ру, и t выбираем материал прокладки по ОСТ 26-373-78, :

Таблица 6.4

Конструкция прокладки	Материал	Р, МПа	t, C0
Плоская неметаллическая	Асбестовый картон		До 550

В зависимости от Dу выбираем ширину уплотнительной прокладки по ОСТ 26-373-78, :

Таблица 6.5

Конструкция и материал прокладки	D, мм	, мм
Плоская неметаллическая		12-15

Принимаем =14 мм.

Определим эффективную ширину прокладки:

(6.6)

Выпишем основные размеры фланца по ОСТ 26-426-79, :

Таблица 6.6

D, мм	Pу, МПа	Dф, мм	Dб, мм	D1, мм	h, мм	d, мм	Z
800	0,6	975	920	980	27	30	24

Определим внешний диаметр прокладки:

, (6.7)

где е – коэффициент, мм.

Принимаем значение е = 30 мм.

Тогда:

Определим средний диаметр прокладки:

(6.8)

В зависимости от типа фланцевого соединения и прокладки выбираем константу жесткости фланцевого соединения:

a = 1,3

Выбираем расчетный параметр m:

m = 2.5

Расчетная нагрузка Q под действием внутреннего давления определим:

(6.9)

Определим реакцию прокладки Rп в рабочих условиях:

(6.10)

Рассчитаем нагрузку на болтовое соединение в условиях монтажа:

(6.11)

Рассчитаем нагрузку на болтовое соединение:

, (6.12)

Выбираем диаметры болтов в соответствии с диаметрами отверстий во фланце по ОСТ 26-373-78:

dб = М27; .

Определяем напряжение которое возникает в болтах при :

, (6.13)

Определяем напряжение которое возникает в разрезе болтов:

, (6.14)

Выбираем материал болтов при условии:

, (6.15)

где - напряжение материала при температуре 20С0; - напряжение при температуре 143С0:

Условие выполняется для стали ВСт5. Выбираем сталь марки ВСт5.

6.4 Расчет опор

Опоры выбираю по стандартам в соответствии с величиной нагрузки на 1 опору Qр, которая определяется:

, (6.16)

где Р – вес всего аппарата (включает также и вес жидкости); z – количество опор, шт.

Суммарная нагрузка

, (6.17)

где Gап – вес аппарата, Н; Gжид – вес жидкости внутри аппарата, Н.

Определим вес аппарата:

, (6.18)

где Мап – масса аппарата, кг; 9,8 – ускорение свободного падения, м/с2.

Вес жидкости аппарата определим как:

, (6.19)

где Vап – общий объем аппарата, м3; rжид – плотность жидкости кг/м3.

Общий объем равен:

, (6.20)

где - объем греющей камеры, м3; Vc – объем сепаратора, м3.

Находим объем греющей камеры:

, (6.21)

где R – радиус греющей камеры, м; - высота греющей камеры, м.

Тогда:

Находим объем сепаратора:

где R – радиус сепаратора, м; - высота сепаратора, м.

Подставив получим:

Принимаем плотность жидкости равной плотности воды. Находим Gжид:

Определим Р:

Определим нагрузку на одну опору:

Выбор опор делаем при условии: <,

где QT – табличное значение нагрузки на одну опору, кН.

Выписываем основные размеры опор по ОСТ 26-665-79, :

Таблица 6.7

Q,кН	Тип	a	a1	a2	b	b1	b2	с	с1	h	h1	S1	k	k1	d	dб	fmax
25.0	2	125	155	100	255	120	115	45	90	310	16	8	25	65	24	M20	140

7. Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1976. 552с.

2. Справочник химика. М.-Л.: Химия, Т. III, 1006с. Т. V, 1966. 974с.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973, 750с.

4. Основные процессы и аппараты под редакцией Дытнерского Ю.И. М.: Химия, 1991, 496с.

5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1970, 752с.

6. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Л.: Машиностроение, 1981, 382с.

7. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975, 816с.

8. Постоянный технологический регламент №71 по производству гранулированного карбамида цеха карбамид-2.

9. Справочник азотчика. М.: Химия, Т. II, 390с.

Страницы: 1, 2