Расчет контактного аппарата по производству серной кислоты

Выпаривание — процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т. е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Этот процесс подучил широкое распространение в химической промышленности, в связи с тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др. получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых очень разнообразны, что значительно усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

— кипятильник (греющая камера) в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

— сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

— выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

— выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

— выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

— пленочные выпарные: аппараты.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.

Раствор, находящийся в кипятильных трубках закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

Существует несколько типов аппаратов с естественной циркуляцией: с центральной; циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т. д.

Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение из-за простоты конструкции и легкости очистки и ремонта. В тоже время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

1. Выбор конструкции аппарата

Так как при упаривании раствора (NH4)₂SO₄ возможно выделение незначительного осадка, удаляемого механическим путем, то выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой — тип 1 исполнение 2 ГОСТ 11 987– — 81 [3 c. 182].

Рис. 1. Схема аппарата (тип 1, исполнение 2): 1-греющая камера; 2 — сепаратор; 3 — циркуляционная труба.

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор (NH₄)₂SO₄ при температуре кипения является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, которая является стойкой в сильноагрессивных средах до температуры 600С.

3. Технологическая схема

Рис. 2. Технологическая схема двухкорпусной выпарной установки

Исходный раствор центробежным насосом Н подается в кожухотрубный теплообменник Т, где нагревается до температуры кипения и поступает в первый корпус выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой АВ1. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в линию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упаренный раствор из 1-го корпуса поступает во второй корпус АВ2 выпарного аппарата. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар из первого корпуса подается во второй в качестве греющего пара, а вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор КБ, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.

4. Материальный расчет

Производительность установки по выпариваемой воде:

W = Gн (1 — х_н/х_к) = 2,78 (1 -18/39,1) = 1,5 кг/с,

где G_н = 10 000/3600 = 2,78 кг/с — массовый расход исходного раствора.

Производительность установки по упаренному раствору:

G_к = G_н - W = 2,78 — 1,5 = 1,28 кг/с.

Распределение количества выпариваемой воды по корпусам

Принимаем, что w₁:w₂ = 1: 1,1, тогда

w₁ = 1W/(1+1,1) = 11,5/2,1 = 0,714 кг/с.

w₂ = 1,1W/(1+1,1) = 1,11,5/2,1 = 0,786 кг/с.

Концентрация раствора по корпусам

x₁ = G_нх_н/(G_н — w₁) = 2,780,18/(2,78 — 0,714) = 0,242 = 24,2%.

x₂ = G_нх_н/(G_н — w₁ — w₂) = 2,7870,18/(2,78 — 0,714 — 0,786) = 0,391 = 39,1%.

Концентрация раствора в последнем корпусе х₂ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_к.

5. Температура кипения раствора

Перепад давлений

Общий перепад давлений в установке:

Р_об = Р_г1 — Р_вп2 = 0,3 — 0,08 = 0,22 МПа

Принимаем, что перепад давлений между корпусами распределен как 1:1, тогда Р_г1 = 0,3 МПа t_г1 = 132,9 С, Р_г2 = 0,3 — 0,221/2 = 0,19 МПа t_г2 = 118 С, Р_бк2 = 0,08 МПа t_бк = 93 С,

Гидродинамическая депрессия

Принимаем гидростатическую депрессию ^, = 1С, тогда температура и давление вторичного пара:

t_вп1 = t_гп2 + ^, = 118 + 1 = 119 С Р_вп1 = 0,195 МПа,

t_вп2 = t_бк2 +^, = 93+1 = 94 С Р_вп1 = 0,081 МПа,

Гидростатическая депрессия

Оптимальная высота раствора в трубках:

h_опт = Н [0,26+0,0014 (- _в)];

где Н = 4 м — высота кипятильных трубок;

₁ = 1138 кг/м³ — плотность раствора [2 c. 539];

₂ = 1228 кг/м³;

h_опт1 = 4 [0,26+0,0014 (1138−1000)] = 1,8 м.

h_опт2 = 4 [0,26+0,0014 (1228−1000)] = 2,31 м.

Давление в среднем слое раствора:

Р_ср= Р_вп + 0,5h_оптg

Р_ср1= 0,19 510⁶ + 0,51,811 389,8 = 0,205 МПа, Р_ср2= 0,8 110⁶ + 0,52,3 112 289,8 = 0,095 МПа, Этим давлениям соответствуют следующие температуры и теплоты испарения [1 c. 550]:

P_cp1 = 0,205 МПа t_cp1 = 122 C, r_вп1 = 2208 кДж/кг,

P_cp2 = 0,095 МПа t_cp2 = 97,6 C, r_вп2 = 2267 кДж/кг.

Гидростатическая депрессия:

= t_cp1 — t_вп1 = 122 — 119 = 3 С.

= t_cp2 — t_вп2 = 97,6 - 94 = 3,6С.

= 3+3,6 =6,6С.

Температурная депрессия

где - температурная депрессия при атмосферном давлении,

= 2 С, =7 С [1 c. 535],

= 16,2 (273+122)²2/2 208 000 = 2,3 C.

= 16,2 (273+ 97,6)²7/2 267 000 =6,9 C.

= 2,3+6,9 = 9,2 С.

Температура кипения растворов

t_к1 = t_г2+ ++= 118+1+3+21,3=124,3 C

t_к2 = t_вп2++ = 94+3,6+6,9=104,5 C.

Полезная разность температур

t_п1 = t_гп1 — t_к1 = 132,9 — 124,3 = 8,6 С,

t_п2 = t_гп2 — t_к2 = 118 — 104,5 = 13,5 С,

t_п = t_п1 + t_п2 = 8,6+13,5 = 22,1 С.

Проверяем полезную разность температур

t_п = t_г1 - t_бк — (+ +) =

132,9 — 93 — (9,2+6,6+2) = 22,1 С.

6. Тепловые нагрузки корпусов

Для упрощения приближенного расчета составляем тепловые балансы без учета тепловых потерь и принимаем, что из каждого корпуса в последующий раствор поступает при средней температуре кипения.

По условию раствор попадает на выпарку подогретым до температуры кипения в 1 корпусе.

Тогда расход теплоты в 1 корпусе:

Q₁ =W₁ r₁ = 0,714 2171 = 1577 кВт

Q₂ =W₂ r₂ = 0,786 2270 = 1784 кВт

7. Поверхность теплообмена

Тепловое сопротивление стенки. Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи. термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим: _ст=46,5 Вт/мК — теплопроводность стали [1 c. 529]; (/) = 0,002/46,5 + 0,0005/2= 3,110 ^-4 мК / Вт.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (первый корпус)

где ₁ = 0,21 010^-3 Пас — вязкость конденсата [1 c. 537];

₁ = 0,686 Вт/мК — теплопроводность конденсата;

₁ = 935 кг/м³ — плотность конденсата;

t₁ — разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем t₁ = 1 C;

₁ = 2,04 (0,686³935²2 171 000/0,21 010^-314)^0,25 =10 614 Вт/м²К.

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение для удельного теплового потока:

тогда

t_ст = =1 061 413,110^-4 = 3,3 С,

t₂ = t_п - t₁ — t_ст = 8,6 — 3,3 — 1 = 4,3 С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору

₂ = Aq^0,6

Теплофизические свойства кипящих растворов (NH₄)₂SO₄

A=7800,610^1,31138^0,51,618^0,06/[0,082^0,52 171 000^0,60,579^0,663680^0,3(0,5210^-3)^0,3] = 9,3

₂ = A (₁t₁)^0,6 = 9,3 (106 141)^0,6 = 2421 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ =106 141 = 10 614 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 24 214,3 = 10 410 Вт/м².

Условие q₁ q₂ выполняется.

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса

К₁ = 1/(1/10 614+ 3,110^-4 + 1/2421) = 1224 Вт/м²К.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (второй корпус)

Принимаем предварительно t₁ = 2 С.

₁=2,04 (0,688³953²2 208 000/0,20 610^-324)^0,25=8626 Вт/м²К.

t_ст = ₁t₁(_cт/_ст) = 862 623,110^-4 = 5,3 С,

t₂ = t_п - t₁ — t_ст = 13,5 — 5,3 — 2 = 6,2 С.

Коэффициент теплопередачи от стенки к раствору

A = 7800,620^1,31228^0,50,470^0,06/

[0,095^0,52 208 000^0,60,579^0,663600^0,3(1,1810^-3)^0,3] = 7,6

₂ = A (₁t₁)^0,6 = 7,6 (86 262)^0,6 = 2891 Вт/м²К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q₁ = ₁t₁ = 86 262 = 17 252 Вт/м²,

q₂ = ₂t₂ = 28 916,2 =17 924 Вт/м².

Условие q₁ q₂ выполняется.

Коэффициент теплопередачи для второго корпуса

К₂ = 1/(1/8626 + 3,110^-4 + 1/2891) = 1288 Вт/м²К.

Распределение полезной разности температур

Принимаем, что разность температур распределяется по условию равенства поверхности теплообмена корпусов, тогда

t_п = t_п(Q₁/K₁)/[(Q₁/K₁) + (Q₂/K₂)]

t_п1 = 22,1 (1577/1224)/[(1577/1224) + (1784/1288)] = 10,7 С

t_п2 = 22,1 (1784/1288)/[(1577/1224) + (1784/1288)] = 11,5 С

Требуемая поверхность теплообмена

F₁= Q₁/K₁t_п1 = 157 710³/122 410,7 = 120 м².

F₂ = 178 410³/128 811,5 = 120 м².

Выбираем по ГОСТ 11 987;81 аппарат с ближайшей большей поверхностью теплообмена F = 125 м² [3 c. 183]:

диаметр греющей камеры, не более -1000 мм;

диаметр сепаратора, не более — 2200 мм;

диаметр циркуляционной трубы, не более 700 мм;

высота аппарата, не более 13500 мм;

масса аппарата, не более 11 500 кг.

8. Механический расчет

Число нагревательных трубок диаметром 382, высотой 4 м:

n = F/d_cpL

где d_cp = 0,036 м — средний диаметр трубки.

n = 160/0,0364,0 = 354 шт. Площадь суммарного сечения всех кипятильных трубок:

f_тр = 0,785nd_вн² = 0,7 853 540,034² = 0,32 м².

Площадь сечения циркуляционной трубы:

f_ц = 0,3f_тр = 0,30,32 = 0,096 м².

Диаметр циркуляционной трубы:

d_ц = (f_ц/0,785)^0,5 = (0,096/0,785)^0,5 = 0,350 м.

Принимаем d_ц = 400 мм.

Диаметр греющей камеры:

где = 1,25 - коэффициент шага трубок;

= 60 - при размещении труб по вершинам правильных треугольников;

= 0,8 — коэффициент использования трубной решетки;

d_н = 0,038 м - наружный диаметр трубок;

А - площадь, занимаемая циркуляционной трубой.

A = (d_ц+2d_н)² = (0,40+21,250,036)² = 0,24 м²

D = (0,41,25²sin601600,038/0,84 + 0,24)^0,5 = 0,87 м.

Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 1000 мм.

Толщина обечайки:

= DP/2 +C_к

где D = 1,0 м - диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,3 МПа - давление греющего пара;

= 138 МН/м² - допускаемое напряжение для стали;

= 0,8 — коэффициент ослабления из-за сварного шва;

C_к = 0,001 м — поправка на коррозию.

= 1,00,3/21 380,8 + 0,001 = 0,003 м.

Принимаем толщину обечайки = 8 мм.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533-78, толщина стенки днища ₁ = = 8 мм.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26-428-79.

Максимальная масса аппарата:

G_max = G_a + G_в,

где G_a = 11 500 кг - масса аппарата,

G_в - масса воды заполняющей аппарат.

G_в = 10 000,785D²H = 10 000,7851²13,5 =12 598 кг, где Н = 13,5 м - высота аппарата.

G_max = 11 500 +12 598 =24 098 кг = 0,22 МН.

Принимаем, что аппарат установлен на 4 опорах, тогда нагрузка, приходящаяся на одну опору:

G_оп = 0,22/4 = 0,055 МН.

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,063 МН, конструкция которой приводятся на рисунке:

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G — массовый расход теплоносителя,

- плотность теплоносителя,

w - скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для пара w = 20 м/с, тогда диаметр штуцера для входа греющего пара

d₁ = (1,28/0,785 201,39)^0,5 = 0,242 м,

принимаем d₁ = 250 мм.

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d₁ = (1,28/0,7 851 935)^0,5 = 0,041 м,

принимаем d₁ = 500 мм.

диаметр штуцера для входа раствора:

d₁ = (2,78/0,78 511 095)^0,5 = 0,056 м,

принимаем d₁ = 65 мм.

диаметр штуцера для выхода раствора:

d₁ = (1,28/0,78 511 138)^0,5 = 0,038 м,

принимаем d₁ = 40 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12 820-80.

9. Определение толщины тепловой изоляции

Расчет тепловой изоляции. В качестве материала тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности _и = 0,09 Вт/мК. Принимаем температуру наружной поверхности стенки t_ст.в.=40С; температуру окружающей среды t_в = 18С, тогда толщина слоя изоляции:

где _в- коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду:

_в = 9,3+0,058 t_ст.в. = 9,3+0,5 840 = 11,6 Вт/м²К.

_и = 0,09 (127,4-40)/11,6 (40−18) = 0,031 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 40 мм.

Список литературы

выпаривание аппарат тепловой конструкция

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.:Химия, 1987, 576 с.

2. Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры — Л. «Машиностроение», 1975.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю. И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.