Спроектировать 3-х корпусную выпарную установку для выпаривания водного раствора NaOH

Аппараты данного типа применяют для выпаривания агрессивных и высоковязких растворов (вязкостью выше 200 спа), а также растворов, вызывающих инкрустацию поверхности теплообмена, что обуславливает необходимость остановки и вскрытия аппарата для чистки. Аппараты используют, в частности, при выпаривания растворов сахара, сульфатных щелоков, продуктов микробиологического синтеза.
Устройство основных узлов аппарата. Греющая камера в данном случае выполнена в виде обычного кожухотрубного теплообменника. Первичный пар подается в нее через прямоугольные вырезы в цилиндрической обечайке камеры. Исходный раствор (если он нагрет до температуры кипения) вводится в нисходящую ветвь циркуляционного контура через штуцер. Раствор поднимается по кипятильным трубам вверх, превращаясь вследствие подвода к нему тепла от первичного пара в парожидкостную смесь.
Такое направление движения раствора в аппарате объясняется тем, что в кипятильных трубах в результате подвода тепла находится смесь жидкости с паром, а в циркуляционной трубе следствие отсутствия обогрева содержится только жидкость. Плотность жидкости больше плотности парожидкостной смеси, а движение в циркуляционном контуре происходит из зон с большей плотностью в зоны с меньшей плотность.
В аппаратах данного типа достигается более высокая в сравнении с предыдущими аппаратами скорость циркуляции раствора (до 1,5 м/сек), так как циркуляционная труба в данном случае не обогревается снаружи. Вследствие этого разность плотностей среды в циркуляционной и кипятильных трубах в данном аппарате больше аналогичной разности плотностей в аппарате с подвесной камерой или аппарате с внутренней греющей камерой и центральной циркуляционной трубой . Кроме того, в аппарате с выносной греющей камерой более велики длины подъемного и опускного участков циркуляционного контура, что также вызывает возрастание скорости циркуляция.
Для снижения гидравлического сопротивления циркуляционного контура (чем меньше гидравлическое сопротивление контура, тем больше скорость циркуляции раствора в нем) он снабжен направляющими обеспечивающими более плавный поворот потока.
Из трубного пространства греющей камеры парожидкостная смесь через штуцер поступает в сепарационную камеру. Ввод парожидкостной смеси в сепарационную камеру осуществляется тангенциально. Тангенциальный ввод обеспечивает закручивание потока эмульсии. Возникающее при этом поле центробежных сия способствует отделению вторичного пара от жидкости.
Достоинства данной конструкции состоят в том, что ремонт и ревизию, греющей камеры можно производить без полной остановки аппарата, если присоединить к его корпусу две греющие камеры. Благодаря удобной конструкции основных узлов аппарата, его остановка для механической чистки непродолжительна.
Устройство аппаратов с выносной греющей камерой позволяет создать более интенсивную циркуляцию раствора, чем в других типов аппаратов. Кроме того, возможна работа данного аппарата по принципу прямотока раствора. Тогда аппарат функционирует без циркуляционной трубы, а раствор проходит через кипятильные трубы лишь один раз.
Недостатки конструкции аппарата с выносной греющей камерой. заключаются в следующем. Для этих аппаратов характерны несколько большие тепловые потери и больший расход металла на 1 м2 поверхности теплообмена, чем в аппаратах других типов.
6.2 Конструирование и расчет штуцеров выпарного аппарата
Штуцер служит для присоединения к аппарату трубопроводов, трубопроводной арматуры, КИП и т.д.
Штуцер состоит из патрубка (короткого отрезка трубы) и присоединенного к нему фланца. Патрубок крепится к отверстию в корпусе аппарата.
Диаметр штуцера определяется по уравнению расхода
где G – массовый расход среды, протекающей через штуцер, кг/ч;
( - плотность среды, кг/м3;
dвн - внутренний диаметр штуцера (расчетный), м;
( - допустимая скорость среды, протекающей через штуцер, м/с.
Штуцера нормализованы по соответствующим условным давлениям Pу и диаметрам условного прохода Dу .
Длина штуцера (расстояние от привалочной поверхности фланца до стенки аппарата в месте крепления штуцера) l должна быть минимальной и обеспечивать удобство монтажа фланцевого соединения.
6.2.1 Ввод греющего пара
Т1 =179 (С (1 =5,0418 кг/м3 D1 = 7121,22 кг/ч
Т2 =146,474 (С (2 =2,33 кг/м3 D2 = 6751,63 кг/ч ( =25 м/с
Т1 =111,58 (С (1 =0,8696 кг/м3 D3 = 7961,08 кг/ч
Принимаем d = 400 мм.
6.2.2 Выход конденсата
Tвп 1 =156,551 (С (в 1 =912,25 кг/м3 W1 =6751,63 кг/ч
tвп 2 =125,209 (С (в 2 =936,7 кг/м3 W2 =7961,08 кг/ч ( =1 м/с
tвп 3 =60,7 (С (в 3 =981,75 кг/м3 W3 =8971,5 кг/ч
Принимаем d = 60 мм.
6.2.3 Вход раствора
(1 =2 м/с t( к1 =160,91 (С xн =8 % (р1 =1074 кг/м3
(2 =1 м/с t( к2 =132,96 (С xк1 =10,32 % (р2 =1094 кг/м3
(3 =1 м/с t( к3 =94,117 (С xк2 =15,7 % (р3 =1149 кг/м3
Принимаем d = 100 мм.
6.2.4 Выход раствора
(1 =1 м/с t( к1 =160,91 (С xк1 =10,32 % (р1 =1094 кг/м3
(2 =1 м/с t( к2 =132,96 (С xк2 =15,7 % (р2 =1149 кг/м3
(3 =1 м/с t( к3 =94,117 (С xк3 =38 % (р3 =1378,13 кг/м3
Принимаем d =100 мм.
6.2.5 Вторичный пар
(1 =25 м/с tвп 1 =156,551 (С (п 1 =3,009 кг/м3
(2 =25 м/с tвп 2 =125,209 (С (п 2 =1,423 кг/м3
(3 =75 м/с tвп 3 =60,7 (С (в 3 =0,1345 кг/м3
Принимаем d = 600 мм.
6.3 Укрепление отверстий
Наибольший допустимый диаметр отверстия в обечайке, не требующего укрепления (без учета наличия привариваемого штуцера), определяем по формуле (18.6)
Греющая камера.
Сепарационная камера.
6.3.1Укрепление отверстий в греющей камере.
Штуцер А, диаметр – 600 мм.
Номинальную расчетную толщину стенки штуцера, считая коэффициент прочности продольного сварного шва в нем = 0,95 , определяем по формуле (15.3)
Длину части штуцера, участвующей в укреплении отверстия, определяем по формуле (18.11)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия в обечайке штуцером по условию (18.17)
0.00113 > 0.0003
Поскольку правая часть условия меньше левой, укрепление отверстия не обеспечено.
Рассмотрим укрепление накладкой. Накладку выбираем из той же марки стали, что и обечайка , толщиной 5 мм.
Расчетную ширину накладки определяем по формуле (18.14)

Проверим, достаточно ли укрепление отверстия по условию (18.22)
0,00113 >0.00108
Правая часть условия меньше левой и, следовательно, укрепление отверстия не обеспечено.
Обеспечим укрепление отверстия за счет увеличения толщины накладки, для чего решим условие (18.22) относительно Sн.
Согласно предыдущему имеем
или
Принимаем Sн = 6мм
Вход циркуляционной трубы , диаметр 500мм.
Номинальную расчетную толщину стенки штуцера, считая коэффициент прочности продольного сварного шва в нем = 0,95 , определяем по формуле (15.3)
Длину части штуцера, участвующей в укреплении отверстия, определяем по формуле (18.11)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия в обечайке штуцером по условию (18.17)
0.0008928 > 0.000436
Поскольку правая часть условия меньше левой, укрепление отверстия не обеспечено.
Рассмотрим укрепление накладкой. Накладку выбираем из той же марки стали, что и обечайка , толщиной 6 мм..
Расчетную ширину накладки определяем по формуле (18.14)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия по условию (18.22)
0,0008928 < 0.00139 условие обеспечено
толщина накладки Sн = 6мм.
Штуцер, диаметр 800 мм.
Номинальную расчетную толщину стенки штуцера, считая коэффициент прочности продольного сварного шва в нем = 0,95 , определяем по формуле (15.3)
Длину части штуцера, участвующей в укреплении отверстия, определяем по формуле (18.11)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия в обечайке штуцером по условию (18.17)
0.00161 > 0.000471
Поскольку правая часть условия меньше левой, укрепление отверстия не обеспечено.
Рассмотрим укрепление накладкой. Накладку выбираем из той же марки стали, что и обечайка , толщиной 5 мм.
Расчетную ширину накладки определяем по формуле (18.14)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия по условию (18.22)
0,00161 >0.001257
Правая часть условия меньше левой и, следовательно, укрепление отверстия не обеспечено.
Обеспечим укрепление отверстия за счет увеличения толщины накладки, для чего решим условие (18.22) относительно Sн.
Согласно предыдущему имеем
или
Принимаем Sн = 8мм
Укрепление отверстий в сепарационной камере.
Штуцер вторичного пара , диаметр 800 мм.
Номинальную расчетную толщину стенки штуцера, считая коэффициент прочности продольного сварного шва в нем = 0,95 , определяем по формуле (15.3)
Длину части штуцера, участвующей в укреплении отверстия, определяем по формуле (18.11)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия в обечайке штуцером по условию (18.17)
0.00332 > 0.00042
Поскольку правая часть условия меньше левой, укрепление отверстия не обеспечено.
Рассмотрим укрепление накладкой. Накладку выбираем из той же марки стали, что и обечайка , толщиной 6 мм.
Расчетную ширину накладки определяем по формуле (18.14)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия по условию (18.22)
0,00332 >0.00183
Правая часть условия меньше левой и, следовательно, укрепление отверстия не обеспечено.
Обеспечим укрепление отверстия за счет увеличения толщины накладки, для чего решим условие (18.22) относительно Sн.
Согласно предыдущему имеем
или
Принимаем Sн = 12 мм
Штуцер соединения греющей камеры с сепарационной камерой, диаметр 800 мм.
Аналогично штуцеру вторичного пара. Sн = 12 мм
Люк, диаметр 600 мм
Номинальную расчетную толщину стенки штуцера, считая коэффициент прочности продольного сварного шва в нем = 0,95 , определяем по формуле (15.3)
Длину части штуцера, участвующей в укреплении отверстия, определяем по формуле (18.11)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия в обечайке штуцером по условию (18.17)
0.0024 > 0.000414
Поскольку правая часть условия меньше левой, укрепление отверстия не обеспечено.
Рассмотрим укрепление накладкой. Накладку выбираем из той же марки стали, что и обечайка , толщиной 6 мм.
Расчетную ширину накладки определяем по формуле (18.14)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия по условию (18.22)
0,0024 >0.00184
Правая часть условия меньше левой и, следовательно, укрепление отверстия не обеспечено.
Обеспечим укрепление отверстия за счет увеличения толщины накладки, для чего решим условие (18.22) относительно Sн.
Согласно предыдущему имеем
или
Принимаем Sн = 9 мм
Циркуляционная труба , диаметр 800 мм.
Номинальную расчетную толщину стенки штуцера, считая коэффициент прочности продольного сварного шва в нем = 0,95 , определяем по формуле (15.3)
Длину части штуцера, участвующей в укреплении отверстия, определяем по формуле (18.11)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия в обечайке штуцером по условию (18.17)
0.0019 > 0.0004
Поскольку правая часть условия меньше левой, укрепление отверстия не обеспечено.
Рассмотрим укрепление накладкой. Накладку выбираем из той же марки стали, что и обечайка , толщиной 6 мм.
Расчетную ширину накладки определяем по формуле (18.14)
Проверим, достаточно ли укрепление отверстия по условию (18.22)
0,0019 >0.0017
Правая часть условия меньше левой и, следовательно, укрепление отверстия не обеспечено.
Обеспечим укрепление отверстия за счет увеличения толщины накладки, для чего решим условие (18.22) относительно Sн.
Согласно предыдущему имеем
или
Принимаем Sн = 7 мм.
Гидроиспытание :
Греющая камера:
(Ргидр =(1,25 Р + g(жН)(10-6 = (1,25(10(9,8(104 + 9,8(1000(4,5)(10-6 = 1,27 Мпа ( 1,3 МПа
Сепарационная камера
(Ргидр =(1,5 Р + g(жН()10-6 = (1,5(5,66(9,8(104 + 9,8(1000(1,5)(10-6 = 0,85 Мпа ( 0,9 МПа.
Выводы
Выпариванием называется процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испаением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.
В химической промышленности выпариванию подвергают растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара (некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.).
Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующейся из нее водяной пар конденсируют и полученную воду используют для питьевых или технических целей.
В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в специальных выпарных аппаратах.
Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора т возможностью использования тепла вторичного пара.
Проведенные расчеты показывают что при соблюдении выбранных параметров, в спроектированной 3-х корпусной выпарной установке, выпаривание водного раствора NаОН буде происходить наиболее оптимально.

Список литературы
Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. – М.: Химия, 1978.
Артамонов Д.С., Орлов В.Н. Расчет тарельчатой ректификационной колонны: Методические указания. – М.: МИХТ, 1981.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. – М.: Химия, 1991.
Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. рановесие между жидкостью и паром. – М.: Наук, 1966.
Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение, 1981.
Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. – Л.: Машиностроение, 1970.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968.
Рудов Г.Я., Д. А. Баранов Д.А. Расчет тарельчато ректификационной колонны: Методические указания. – М.: МГУИЭ, 1998.
Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. – Киев: Техника, 1970.
Тютюнников А.Б., Товажнянский Л.Л., Готлинская А.П. Основы расчета и конструирования массообменных колонн. – Киев: Высшая школа, 1989.
ГОСТ 9617-76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. – М.: Издательство стандартов, 1977.
Краткий справочник физико-химических величин. – М.: Химия, 1967.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968, 848 с.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968, 848 с.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968, 848 с.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968, 848 с.
3