Фосфорная кислота

Глава 2.Технологические расчеты

2.1 Расчет выпарного аппарата

 

2.1.1 Исходные данные и составление материального баланса

 

Gk- расход упаренной кислоты, Gk1=165000 т/год;

 

,где (1.1)

 

Nсм- число смен непрерывной работы, Nсм=320;

 

R- количество часов работы аппаратов  в сутки, R=24;

 

 кг/с.

 

-массовый расход не упаренной  кислоты;

 

,где (1.2)

 

,- массовые доли растворённого  вещества в начальном и конечном  растворе;50,=75.

 

9,168 кг/с.

 

массовый расход выпариваемой воды

 

, (1.3)

 

3,056 кг/с.

 

2.1.2 Определение температуры кипения  раствора

 

Абсолютное давление в паровой  фазе 0,1 ат. Определим давление в сепараторе в Па:

 

 Па. (1.4)

 

Среднюю температуру кипения рассчитываем на середину высоты греющих труб. Давление в среднем слое труб трубах рассчитываем по формуле:

 

(1.5)

 

давление вторичных паров, Па;

 

плотность фосфорной кислоты,кг/м3; [10, с. 5 табл.1];

 

высота уровня раствора в греющей  камере равна длине трубок т.к. испарение  паров происходит в сепараторе, м;

 

;

 

Определим температуру кипения  раствора по правилу Бабо:

 

, где (1.6)

 

- давление водяного пара при  0,1 ат;

 

- давление в среднем сечении труб, = 0,204 кгс/см2;

 

-давление пара при tкип и  атмосферном давлении, = 2,755 кг/см2;

 

=0,838 кг/см2

 

 

Согласно правилу Бабо раствор  будет кипеть при той же температуре, что и температура кипения  воды при давлении насыщенных паров = 0,838 кг/см2

 

Из выше стоящего следует, что температура  кипения раствора=94,2

 

Приход теплоты:

 

1) с греющим паром (1.7)

 

2) с исходным раствором (1.8)

 

Расход теплоты:

 

3) с вторичным паром

 

(1.9)

 

4) с концентрированным раствором

 

(1.10)

 

5) с конденсатом

 

, где (1.11)

 

- удельная энтальпия конденсации

 

6) потери теплоты в окружающую  среду и на дегидратацию (обезвоживание)  принимаем 5% от прихода теплоты,  т.е.

 

(1.12)

 

Из общего расхода теплоты находим  расход пара:

 

=3,655 кг/с.

 

Таким образом, тепловая нагрузка равна:

 

. (1.13)

 

определяем удельный расход пара на 1кг испаряемой воды:

 

2.1.3 Определение поверхности теплообмена

 

Определим ориентировочный коэффициент  теплоотдачи :

 

, где (1.14)

 

- коэффициент, учитывающий физико-химические  свойства конденсата;

 

- высота кипятильной трубы;

 

Вт/м2 - удельный тепловой поток;

 

, где (1.15)

 

 Вт/м2*К - коэффициент теплопроводности [10, с. 5 табл.1];

 

 кг/м3 - коэффициент плотности  [10, с. 5 табл.1];

 

кДж/кг- удельная теплота испарения  конденсата [10, с. 5 табл.2];

 

Па*с- удельная вязкость конденсата [10, с. 5 табл.1];

 

 Вт/м2*К

 

Находим ориентировочный коэффициент :

 

, где (1.16)

 

 Вт/м*К- теплопроводность раствора  при [10, с. 5 табл.2];

 

 кг/м3- плотность раствора при  [10, с. 5 табл.1];

 

 н*м- поверхностное натяжение при [10, с. 6 табл.3];

 

- теплоемкость раствора [10, с. 5 табл.2];

 

 Па*с- динамическая вязкость [10, с. 5 табл.1];

 

 кг/м3- плотность вторичного  пара при 5 атм [2, с. 548 табл.ХХХIX];

 

 кг/м3- плотность вторичного  пара при атм. давлении [2, с. 548 табл.ХХХIX];

 

 кДж/кг- теплота парообразования  вторичного пара [2, с. 548 табл.ХХХIX].

 

Вт/м2*К

 

На основании расчётов ориентировочных  коэффициентов теплоотдачи , и полезной разности температур составляем систему  уравнений:

 

Приведенную систему мы решаем с использованием математического пакета программы Mathcad. Используя расчеты получаем, что тепловая нагрузка равна.

 

q=99000 Вт/м2

 

. (1.17)

 

Определяем поверхность теплопередачи:

 

(1.18)

 

Q- Теплота приходящая к кипящему  раствору:

 

Q=2141000*0,95*1,161=2361416 Вт

 

Выбираем в соответствии с ГОСТ 11987-81 вакуум выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей  камерой с поверхностью нагрева 125 м2. Основные характеристики таких аппаратов показаны в таблице [11, стр. 78 табл.8,9].

 

2.1.4 Конструктивный расчёт аппарата

 

Определяем число труб в трубной  решетке.

 

, где (1.19)

 

В соответствии с данными [11, стр. 55 табл.7,6]. при размещении труб в трубной  решетке по вертикали равносторонних треугольников применяем ближайшее значение числа труб . Параметры, характеризующие размещение труб в трубной решетке.

 

Шаг между трубами:

 

, где (1.20)

 

- коэффициент, который определяется  в зависимости от по [11, стр. 55 табл.7,7].

 

Число труб на диаметре решетки:

 

(1.21)

 

Принимаем стандартное значение [11, стр. 55 табл.7,6].

 

Определение диаметра корпуса обечайки греющей камеры.

 

, где (1.22)

 

- коэффициент использования трубной  решетки т.к. в трубной решетке  циркуляционная труба отсутствует для выбранного аппарата, то

 

 или

 

Принимаем в соответствии с ранее  выбранным аппаратом [11, стр. 56 табл.7,8]. Расчет толщины стенки обечайки и  днища (крышки).

 

Принимаем материал аппарата сталь 15Х5М  с нормативным допускаемым напряжением  МПа [11, стр. 51 табл.6,2].

 

, где (1.23)

 

- поправочный коэффициент для  взрывопожароопасных сред;

 

- внутренний диаметр обечайки  аппарата;

 

- коэффициент сварного шва для  автоматической двухсторонней сварки;

 

- прибавка на коррозию для  материала аппарата; (1.24)

 

- период эксплуатации;

 

- коррозионная проницаемость;

 

Из практических рекомендаций принимаем  толщину стенки обечайки .

 

Расчет трубной решетки.

 

Толщина трубной решетки:

 

, где (1.25)

 

- коэффициент, зависящий от  типа решетки; 

 

- давление в межтрубном пространстве;

 

Принимаем тип решетки III, тогда ; ; МПа ;

 

МПа - допускаемое напряжение на изгиб  для материала трубной решетки;

 

- коэффициент ослабления решетки  отверстиями. (1.26)

 

- число труб в диаметре решетки;

 

МПа

 

м

 

Толщину трубной решетки необходимо проверить исходя из надежности закрепления в ней труб так как при развальцовке труб

 

- наружный диаметр труб

 

условие выполняется, принимаем 

 

Выбор днищ и крышек.

 

Наибольшее распространение в  химическом машиностроении получили эллиптические  отбортованные днища по ГОСТ 6533 - 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1= 8 мм.

 

Рис 10.

 

Выбор фланцев.

 

Фланцы предназначены для разъемного соединения обечаек, днищ и трубопроводов  с внутренними базовыми размерами. Для выпарных аппаратов работающих под давлением до 16 атм согласно РСТ 26 - 426 - 79 используют плоские стальные приварные фланцы. Определение основных размеров штуцеров выпарного аппарата и их подбор по нормалям.

 

Диаметр штуцера для ввода греющего пара:

 

, где (1.27)

 

- плотность пара 

 

Принимаем диаметр штуцера согласно ГОСТ

 

Диаметр штуцера для выхода конденсата:

 

(1.28)

 

Принимаем

 

Диаметр штуцера для выхода вторичного пара:

 

(1.29)

 

Принимаем

 

Диаметр штуцера для входа и  выхода раствора:

 

(1.30)

 

Принимаем

 

Рис 11.

 

Параметры фланцев:

 

dусл 

D 

D2 

h 

n 

d 

 

1000 

1130 

1090 

38 

40 

20 

 

500 

640 

600 

20 

16 

20 

 

100 

205 

170 

11 

4 

16 

 

70 

185 

150 

11 

4 

16 

 

 

 

 Расчет и подбор опор аппарата

 

Максимальная масса аппарата:

 

Gmax = Ga + Gв,

 

где Ga = 13000 кг - масса аппарата,

 

Gв - масса воды заполняющей  аппарат.

 

Gв = 10000,785D2H = 10000,785224 = 12560 кг,

 

где Н = 11,0 м - высота аппарата.

 

Gmax = 13000 + 12560 = 25560 кг = 0,257 МН.

 

Принимаем, что аппарат установлен на 4 опорах, тогда нагрузка

 

приходящаяся на одну опору:

 

Gоп = 0,257/4 = 0,0645МН.

 

Выбираем опору с допускаемой  нагрузкой 0,129 МН, конструкция которой  приводятся на рисунке:

 

Рис 12.

 

2.1.4 Расчёт сепарационного пространства

 

Скорость пара в паровом пространстве.

 

м/с (1.31)

 

Определяем критерий Рейнольдса.

 

, где (1.32)

 

 вязкость пара [2, с. 548 табл.ХХХIX];

 

- диаметр капли;

 

Коэффициент гидравлического сопротивления

 

При

 

Скорость витания в паровом  пространстве

 

м/с (1.33)

 

т.к. условие , не выполняются и капли  раствора не будут оседать на поверхности  кипящего раствора необходимо установить центробежный брызгоотделитель и сепаратор большего диаметра.

 

Допустимая скорость пара.

 

Определяем диаметр аппарата.

 

(1.34)

 

Принимаем нестандартный диаметр  сепаратора Dc=3800мм=3,8 м

 

2.1.5 Расчёт толщины тепловой изоляции

 

Толщину тепловой изоляции рассчитывают из равенства удельных тепловых потоков.

 

, где (1.35)

 

- коэффициент теплоотдачи от  изоляции к воздуху

 

- температура изоляции со стороны  воздуха

 

- температура воздуха

 

- температура стенки аппарата

 

 - коэффициент теплопроводности материала изоляции

 

2.2 Расчет тарельчатого абсорбера

 

 

2.2.1 Технологический расчет

 

- массовая концентрация распределяемого  компонента в жидкой фазе на  входе в аппарат: =0 ;

 

- массовая концентрация распределяемого  компонента в жидкой фазе на выходе из аппарата:=0,18 ;

 

- массовая концентрация распределяемого  компонента в газовой смеси  на входе в аппарат: =0,0332 ;

 

- массовая концентрация распределяемого  компонента в газовой смеси  на выходе из аппарата: =0,007293 .

 

Переводим часовой расход в секундный:

 

Gн- массовый расход газовой  смеси на входе в аппарат: Gн=11000 кг/ч; 

 

Gн= кг/с. (2.1)

 

Из уравнения материального  баланса находим массовый расход абсорбента

 

L- массовый расход абсорбента;

 

L= Gн* кг/с. (2.2)

 

Данные для расчета и построения рабочей линии процесса взяты из монографии «Концентрирование и очистка экстракционной фосфорной кислоты». [1, с. 77].

 

Таблица 4.Равновесная линия процесса.

 

 

0,009243 

3,29E-05 

 

0,018726 

4,21E-05 

 

0,028457 

5,4E-05 

 

0,038448 

6,93E-05 

 

0,048709 

8,88E-05 

 

0,05925 

0,000114 

 

0,070084 

0,000146 

 

0,081222 

0,000187 

 

0,092678 

0,00024 

 

0,104465 

0,000307 

 

0,116599 

0,000394 

 

0,129094 

0,000505 

 

0,141967 

0,000648 

 

0,155236 

0,00083 

 

0,168918 

0,001064 

 

0,183034 

0,001364 

 

0,197605 

0,001749 

 

 

 

Рис 13. График равновесной линии  процесса

 

2.2.2 Определение диаметра абсорбера

 

Скорость газа в интервале устойчивой работы колпачковых тарелок определяется из уравнения:

 

, где (2.3)

 

с-коэффициент для колпачковых  тарелок определяется из графика [8, с.31 рис 4.9], расстояние между тарелками принимается в зависимости от их типа и диаметра аппарата, принимаем Hт=600 мм, с=500;

 

-плотность пара при 45,4 0С из [2, с. 548 табл.ХХХIX] =0,06686 кг/м3;

 

- плотность воды при 45,4 0С  из [2, с. 537 табл.ХХХIX] = 983,15 кг/м3;

 

 м/с.

 

Определяем диаметр абсорбера  из уравнения расхода для сплошной фазы, которой является пар:

 

 м. (2.4)

 

Выбираем стандартный диаметр  аппарата =3400 мм. [8, с. 134 табл. 12].

 

Выбираем колпачковую тарелку  ТСК-Р. Характеристики тарелки:

 

Свободное сечение колонны 9,08 м2;

 

Длина линии барботажа 83,8 м;

 

Периметр слива Lс=2,62 м;

 

Сечение перелива 1,128 м2;

 

Свободное сечение тарелки 1,32 м2;

 

Относительная площадь для прохода  паров 14,5%;

 

Масса 546 кг.

 

Уточняем скорость газа:

 

5,037 м/с 

 

2.2.3 Определяем высоту абсорбера

 

Коэффициенты диффузии определяются по уравнениям:

 

- диффузия в паровой фазе SiF4;

 

, где (2.5)

 

-температура в аппарате,=45,4 0С  при давлении 10000 Па;

 

-мольный объем Si, [4, с. 288 табл. 6,3];

 

- мольный объем F4, [4, с. 288 табл. 6,3];

 

- мольный объем H2O, [4, с. 288 табл. 6,3];

 

 м2/с. 

 

- диффузия в жидкой фазе SiF4;

 

,где (2.6)

 

Значения А и В приводятся [4, с. 660, табл. Х-4,Х-5] А-1, В-4,7

 

-коэффициент динамической вязкости  воды =0,001 Па*с,при 200С; [2, с. 537 табл.ХХХIX].

 

 м2/с.

 

Коэффициент b рассчитывается по уравнению:

 

, где (2.7)

 

-плотность воды при 20 0С [2, с. 537 табл.ХХХIX];

 

 м2/с. (2.8)

 

Определяем число единиц переноса графическим интегрированием, как  площадь на графике -.При определении площади необходимо учесть масштаб диаграммы.

 

Таблица 5.Определение числа единиц переноса.

 

 

 

3,28759E-05 

0,008 

125,5158 

 

4,21447E-05 

0,009 

111,6339 

 

5,40268E-05 

0,011 

91,3578 

 

6,92589E-05 

0,0128 

78,55002 

 

8,87855E-05 

0,014 

71,88445 

 

0,000113818 

0,015 

67,17639 

 

0,000145907 

0,0168 

60,0453 

 

0,000187045 

0,018 

56,13892 

 

0,000239781 

0,021 

48,16905 

 

0,000307386 

0,0227 

44,65758 

 

0,000394054 

0,0235 

43,2789 

 

0,000505161 

0,026 

39,22362 

 

0,000647598 

0,028 

36,55986 

 

0,000830204 

0,0285 

36,14049 

 

0,001064308 

0,029 

35,7965 

 

0,001364442 

0,033 

31,61