Text
                    Москва, 2000 г.
Министерство образования Российской Федерации
Московская государственная академия
тонкой химической технологии им М.В.Ломоносова
Кафедра
Процессы и аппараты химической технологии
Б Г Варфоломеев, В.В Карасев
КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ
Учебно-методическое
пособие

ББК 35.11.028 УДК 66-93(075.8) Варфоломеев Б.Г, Карасев 13 В К<ин tpyMMfiiHir <h|hi|iihb ние выпарных аппаратов - М . МИТХТ 2000 i /() - Рецензент - Заслуженный деяк пь ii iyuii и i hihh i I д.т.н проф Дытнерский К) И Учебно-методическое пособие "Колет рук ih|i нт <н|> । ни ние выпарных аппаратов" предназначено для студентов 1 4 кур- un дн« । ного и 5-го курса вечернего отделений. Изложены справочные расчетные материалы и nnioni.H конструкции выпарных установок, адаптированные к щсиоиантн t i i федры ПАХТ МИТХТ при выполнении курсового проекта. ISBN 5-7245-1160-6 Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИТХТ в качестве учебно-методического пособия ББК35 11 ©МИТХТ им М В.Ломоносова, 2000 г ISBN 5-7245-1160-6 2
СОДЕРЖАНИЕ Введение.................................................. 4 1. Основные типы выпарных аппаратов................ 1.1 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раство- ра................................................ 1.1.1 Аппарат с цент ральной циркуляционной трубой.. 1.1.2 Аппарат с подвесной греющей камерой........... 1.1.3 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной (реющей камерой............................... 9 1.1.3.1 Аппарат с кипением раствора в трубках............. 9 1.1.3.2 Аппарат с вынесенной зоной кипения............... 10 1.2 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией.. 11 1.2.1 Аппарат с принудительной циркуляцией............... 12 1.2.2 Аппарат с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения.......... 14 2 Греющая камера ........................................ 15 2.1 Расположение труб.................................... 15 2.2 Расчет толщины стенки (реющей камеры................. 20 2.3 Крепление кипятильных труб в трубной решетке.... 21 2.4 Расчет толщины трубной решетки....................... 22 2.5 Фланцевые соединения трубных решеток ................ 27 2 6 Линзовые (волновые) компенсаторы..................... 32 2.7 Ввод греющего пара и отвод конденсата................ 36 2.8 Расчет толщины изоляции.............................. 38 3. Сепарационное пространство........................... 44 3.1 Высота и диаметр сепаратора.......................... 44 3.2 Брызгоуловители...................................... 46 3.3 Смотровые стекла..................................... 50 4. Днища и крышки....................................... 53 5. Люки (заглушки)...................................... 59 6. Основные штуцера выпарных аппаратов.................. 61 7. Перечень некоторых коррозионностойких конструкцион- ных материалов.......................................... 64 8. Типы сварки и их обозначение......................... 66 Литература............................................... 70
ВВЕДЕНИЕ В курсовое проектирование по теме «Выпаривание» входят следующие основные разделы: разработка принципиальной i ихноло- гической схемы, расчет материальных и тепловых потоков, определе- ние поверхности выпаривания, конструирование выпарного аппарата и расчет основных узлов его конструкции При изучении теоретического курса ПАХТ студенты знако- мятся с физическими основами процесса выпаривания, основными технологическими схемами этого процесса, рассчитывают на практи- ческих занятиях и самостоятельно (при выполнении ДЗ) элементы технологического расчета выпарной установки. В то же время конст- руирование конкретного выпарного аппарата в курсе ПАХ7 не рас- сматривается, подход к выбору стандартных элементов конструкции и их расчету в курсе «Прикладной механики» не может быть привязан к особенностям конкретного тепло-массообменного процесса. В связи с вышеизложенным, цели данного методического по- собия следующие. • предоставить студенту необходимую информацию по подбору стандартных выпарных аппаратов, принципам их работы, элементам конструкции’ • обеспечить методическими указаниями для выбора и расчета основных конструктивных элементов выпарного аппарата, базируясь на основном элементе конструкции - греющей камере; • подчеркнуть при курсовом проектировании взаимосвязь общеинженерных дисциплин (инженерной графики , при- кладной механики. ПАХТ); • привить студенту навыки работы со справочной литера- турой. подготовить его к выбору не только нормализо ванной химической аппаратуры, но и к конструированию и расчету основных узлов нестандартных аппаратов • методическое обеспечение выполнения чертежа выл ip ного аппарата. Чертеж конструкции выпарного аппарата выполнжчся на стандартном ватмане размером А1, пример штампа листа приведен ниже. На лист также выносятся техническая характеристика и к-хни- ческие требования для выпарного аппарата и таблица основны- нпу- церов. В техническую характеристику входят следующие н «рамет- ры: 1. Тип выпарного аппарата, поверхность выпарив.шин 2. Упариваемый раствор, его количество (производиiель ность), начальная и конечная концентрации; 4
3. Температура кипения раствора; 4. Рабочее давление в аппарате; 5. Давление и температура греющего пара; В технические требования вносят; 1. Давление гидравлических испытаний 2. Материал стенки кипятильных труб; 3. Материал стенки греющей камеры; 4. Основные геометрические характеристики диаметр и высота греющей камеры; число кипятильных труб, их диаметр и толщина стенки трубки; диаметр и высота сепарационного пространства; • тип брызгоотбойника; тип опоры. тип люка общая высота выпарного аппарата, общий вес выпарного аппарата. При м е ч а н и е по согласованию с руководителем курсовою проекта спецификацию можно выносить на чер- теж. В спецификацию вносят основные элементы кон- струкции выпарного аппарата; днище, трубные решетки, фланцы, крышка, кипятильные трубки, сепаратор смотровые стекла, пюк. опора и т.д.. 5
Основная наспись на листе в с ГОСТ 2104*68 Обозн Назначение штуцеров Кол Ду мм р>.. мНгм А Вход (реющего пара 1 250 1 Н Пюк 1 600 0щ Р Слиа из аппарата 1 50 1 Е Сдувка неконденсирующихся газов Л • 50 1 I Ж Смотровое окне 2 150 ... Ю к-<й_ ю W-< — /о 1 /60 Таблица основных шгнуцщюв Штамп для технологической схемы 6
1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ Выпарные аппараты предназначены для концентрирования растворов за счет удаления части растворителя при кипении раство- ров. Выпарные аппараты - аппараты идеального смешения: в них ус- танавливается конечная концентрация, соответствующая количеству удаленного рашворителя (вторичного пара). По режиму движения кипящей жидкости по циркуляционному контуру выпарные аппараты подразделяются на аппараты с естест- венной и принудительной циркуляцией. 1.1. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора (рис.1-9) 1.1.1. Аппарат с центральной циркуляционной трубой (рис. 1) Аппарат состоит из греющей камеры 1 с пучком вертикаль- ных труб 2, в центре которой расположена циркуляционная труба 3. Греющий пар поступает в межтрубное пространство греющей камеры по штуцеру 4. а его конденсат отводится через штуцер 5. Удаление несконденсировавшихся газов (воздуха) производится через воздушку 6. Кипятильные трубы 2 крепятся в трубных решетках 7. Исходный раствор поступает в аппарат по штуцеру 8, а упа- ренный (сконцентрированный) раствор отводится из аппарата через штуцер 9. В греющей камере происходит циркуляция раствора (за счет разности плотностей парожидкостной эмульсии - в кипятильных труб- ках и раствора - в центральной циркуляционной трубе). Циркуляцион- ный контур показан на рис. 1 стрелками. В сепарационном пространстве 10 происходит отделение вторичного пара от раствора. Отделение вторичного пара от капель раствора происходит в брызгоотделителе, представляющем конусную направляющую 11 и отбойник 12. Вторичный пар отводится из сепа- ратора через штуцер 13. Контроль за процессом выпаривания осуществляют через смотровые стекла 14. 1.1.2. Аппарат с подвесной греющей камерой (рис. 2) Аппарат состоит из внутренней подвесной греющей камеры 1 с пучком вертикальных кипятильных труб 2. В центр греющей камеры через подводящую трубу 3 подается греющий пар. Греющая камера 7
устанавливается на опорах таким образом, чюбы иг иду корпусом аппарата и корпусом греющей камеры имелось свободное кольцевое пространство (-40% от площади сечения кипятильных ipyo) Наличие кольцевого пространства обеспечивает естественную циркуляцию раствора, как показано на рис.2. Конденсат греющего пара отводится из межтрубного пространства греющей камеры через штуцер 4, не- сконденсировавшийся воздух через штуцер б, упаренный раствор от- водится через штуцер 7. Рис. 1 Выпарной аппарат с Рис. 2. Выпарной аппарат с подвесной центральной циркуляционной трубой греющей камерой Вторичный пар из сепаратора, пройдя брызгоу ловит ель инерционного типа 5, отводится через штуцер 9. Уловленные* капли раствора возвращаются в зону кипения по трубке 10. Для обслуживания конструкции аппарата ( мош аж - демонтаж подвесной греющей камеры) предусмотрены люки /1 Для 8
контроля за процессом выпаривания сепаратор оборудуют смотровы- ми стеклами. 1.1.3. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией и ВЫНЕСЕННОЙ ГРЕЮЩЕЙ КАМЕРОЙ 1.1.3.1. Аппарат с кипением раствора в трубках (рис. 3) Аппарат состоит из греющей камеры 1 подъемной циркуля- Рис. 3. Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением раствора в трубках 9
ционной трубы 2, сепаратора 3, брызгоотделиюля циклонною inna 4, спускной циркуляционной трубы 5 и нижней камеры 6 Исходный раствор поступает в аппарат, в заве имо< ги от его температуры, через штуцер 7 или штуцер 8. По мере его движения по кипятильным трубам 9 раствор нагревается и вскипает. Ооразовав- шаяся паро-жидкостная смесь тангенциально поступает в сепаратор, где разделяется на упаренный раствор и вторичный пар. Упаренный раствор выводится из аппарата через штуцер 10, а вторичный пар - через штуцер И.Отвод капель раствора из брызгоотделителя произ- водится через отводную трубку 12. Греющий пар подается в межгрубное пространство греющей камеры через штуцер 13, вывод конденсата осуществляется через штуцер 14. Греющая камера оборудована воздушной 15. Для наблюдения за процессом выпаривания установлены смотровые стекла 16. Для осмотра аппарата и проведения монтажно-ремонтных работ предусмотрены люк 17. 1.1.3.2. Аппарат с выньсенной зоной кипения (рис. 4) Аппарат состоит из греющей камеры 1, подъемной циркуля- ционной трубы 2, сепаратора 3, брызгоуловителя циклонного типа 4, спускной циркуляционной трубы 5 и нижней камеры б. В зависимости от температуры исходного раствора послед- ний подается в аппарат либо через штуцер 7, либо через штуцер 8. Более низкое расположение греющей камеры по отношению к сепаратору и высокой (порядка 2,6 м) подъемной циркуляционной трубы создает большее гидростатическое давление в кипятильных трубках 9, вследствие чего раствор в них перегревается и вскипает только в зоне тангенциального ввода подъемной циркуляционной тру- бы в сепаратор. Это препятствует инкрустации внутренней поверхно сти кипятильных труб выпаренной солью. В сепараторе происходит разделение упаренного раствора от вторичного пара. Часть упаренного раствора отводится через шту- цер 10, остальная часть возвращается в циркуляционный кошур че- рез спускную циркуляционную трубу. Вторичный пар от води к я через штуцер 11. Греющий пар поступает в межтрубное пространство через штуцер 12, его конденсат отводится через штуцер 13; проду< мотрена воздушка 14. Для осмотра, очистки и ремонта аппарат оборудован люками 15. Контроль процесса осуществляется через смотровые стекла 17. 10
Pug. 4 Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения и выносной греющей камерой 1?. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией исполь- зуются для упаривания достаточно концентрированных растворов, характеризующихся относительно высокой вязкостью, для увеличения коэффициентов теплопередачи. Принудительная циркуляция рас- твора осуЩествляется с помощью пропеллерного или центробежного
насосов, обеспечивающих скорость раствора в кипятильных трубках, равную 2-3,5 м/с Принудительная циркуляция также препятствует инкрустации солями внутренней поверхности кипятильных труб. Рис. 5. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой 1.2.1. Аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (рис. 5) Исходный РАСТВОР, в зависимости от его температуры, пода- ется В СПУСКНУЮ циркуляционную ТРУБУ 1 ЛИБО ЧЕРЕЗ ГТУЦЕР 2, ЛИБО 12
через штуцер 3 и циркуляционным насосом 4 подается в трубное пространство греющей камеры 5. Раствор, поднимаясь по трубкам, перегревается за счет гидростатического давления столба жидкости и Рис. 6. Выпарной аппарате принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения 13
вскипает в трубе вскипания б. За счет тангенциального ввода трубы б в сепараторе 7 происходит разделение вторичною пара и упаренного раствора. Последний возвращается на циркуляцию через грубу 7; не- обходимое количество упаренного раствора отводи юя через штуцер 8. Вторичный пар отделяется от капель раствора в брызгоотде- лителе циклонного типа 9 и отводится через штуцер 10. Капли рас- твора возвращаются в рабочий объем аппарата по трубке 11. Греющий пар подается в межтрубное пространство греющей камеры через штуцер 12, его конденсат отводится через штуцер 13. Через воздушку 14 отводяюя нссконденсированные газы. Аппарат оборудован люками 15 и смотровыми стеклами 16. Примечание: конструкции выпарных аппаратов с солеотделени- ем, а также пленочные выпарные аппараты (с восхо- дящей и падающей пленкой, роторные) подробно из- ложены в литературе [2-7]. 1.2.2. Аппарат с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения (рис. 6) Исходный раствор (в зависимости от начальной температу- ры) поступает в аппарат либо через штуцер 1, либо через штуцер 2. Циркуляция раствора осуществляется циркуляционным насосом 3, который направляет исходный раствор в трубки 4 греющей камеры 5. В трубках 4 раствор перегревается за счет гидростатическою давле- ния столба жидкости и вскипает в вынесенной зоне вскипания (труба б). Парожидкостная смесь направляется на статический отбойник 7. который придает потоку парожидкостной смеси вращательно- поступательное движение, обеспечивая центробежное разделение вторичного пара и упаренного раствора. Упаренный раствор через спускную циркуляционную трубу 8 поступает на смешение с исходным раствором. Полученная смесь подается в греющую камеру циркуляционным насосом. Конечный продукт (упаренный раствор) отводится из аппарата через штуцер 9. Вторичный пар отделяется от капель раствора в брызгоотде- лителе циклонного типа 10 и отводится через штуцер 11. Уловленные капли раствора стекают через трубку 12. Греющий пар подается в межтрубное пространство греющей камеры через штуцер 13, его конденсат отводится через штуцер 14. На кожухе греющей камеры предусмотрена воздушка 15. Аппарат оборудован люками 16 и смотровыми стеклами 17. 14
2. ГРЕЮЩАЯ КАМЕРА 2.1. Расположение труб, диаметр греющей камеры При размещении кипятильных труб стремятся к равномерно- му их распределению по сечению греющей камеры. Трубы чаще всего располагают по сторонам равносторонних шестиугольников (шахмат- ное расположение, рис. 7а), реже - по концентрическим окружностям (рис.76) и вершинам квадрата (рис.7в). При расположении труб по периметру равносторонних шес- тиугольников греющая камера получается наиболее компактной по сравнению с другими способами расположения труб. Общее количе- ство труб при К-шестиугольниках (с учетом центральной трубки) равно и - 1 i Л/1 а. 7 а_ Ча. а_ К \ - 1 а. А г! _I (V или Отсюда число шестиугольников для размещения труб равно Jfiz» 'зь з (2) причем число труб по диагоналям шестиугольника b = 2К + 1 При больших размерах греющей камеры (К>6) и при шахмат- ном расположении число труб может быть увеличено за счет запол- нения 6-ти сегментов. Центры крайних труб должны отстоять от внутренней стенки кожуха греющей камеры на расстоянии, равном (1 0-И 5) dH, где dH - наружный диаметр кипятильных труб. Диаметр ограничительной окружности Do (рис.7) может быть также рассчитан, как /)0 = Л/7-2Г5„„ + 15),мм (4) где 6СТ - толщина стенки греющей камеры; DH - наружный диаметр греющей камеры. Расстояние между осями соседних труб (шаг t, рис.7) выби- рается возможно меньшим с целью увеличения скорости теплоноси- теля (греющего пара) в межтрубном пространстве. Уменьшение шага t ведет также к уменьшению размера греющей камеры Минимальное значение t определяется способом крепления труб в трубной решетке. Так, при закреплении концов труб в трубной 15
Рис. 7. Расположение труб по сечению греющей камеры: а) шахматное; б) по окружности; в) по вершинам квадрата 16
решетке развальцовкой минимальный шаг равен примерно 1,3 dH, где dH - наружный диаметр кипятильных труб. Рекомендуются [2,10] сле- дующие значения t dH. мм 25 38 57 | t мм 32 L- 48 70 Диаметр греющей камеры зависит от числа трубок, шага тру- бок и способа размещения труб в трубной решетке. Так, при шахмат- ном размещении труб внутренний диаметр греющей камеры опреде- ляется по формуле Z) = (b — \)t + 2е, где е — fl,0 — (5) Греющая камера выпарного аппарата с центральной цирку- ляционной трубой (рис. 8) для размещения п кипятильных трубок должна иметь больший диаметр по сравнению с греющей камерой без Рис. 8. Расположение труб в греющей камере с центральной циркуляционной трубой циркуляционной трубы, так как последняя устраняет некоторое коли- чество трубок г>1. В этом случае число труб по диагонали (Ь) выбирается по табл.1 для суммарного числа труб (п + nJ, где 17
пх = /?t< - , (6) (W причем Dq - диаметр циркуляционной трубы рекомендуется выбирать из следующих соотношений: D (мм): 600 800 1000 Оц (мм): 200 280 350 При D>1000 мм и D<600 мм принимают, что отношение сече- ний кипятильных труб и центральной циркуляционной трубы равно = 0,35 - 0,40 или 1)ц = d V? 0,35 0,40)п « 0,61 /п (7) В этом случае необходимое число кипятильных труб разме- щается в кольцевом сечении (рис. 8), ограниченном окружностями диаметром Do (расчет по формуле (4)) и d0. где </<> = «„+№„ + 15), (в) 6ц - толщина стенки циркуляционной трубы. Таблица 1. Количество труб при их размещении в греющей камере по шестиугольникам Число шести- уголь- ников. К число труб по диаго- нали. b общее количе- ство труб (без исполь- зования сегмен- тов) число труб общее число труб в сегмен- тах общее количе- ство труб (с исполь- зовани- ем сег- ментов) в 1 -ом ряду сегмен- та в 2-ом ряду сегмен- та в 3-ем ряду сегмен- та 1 3 7 - - - - 7 О 4 5 19 - - - - 19 3 7 37 - - - * 37 4 9 61 - - - * 61 5 11 91 - - - - 91 6 13 127 - - - - 127 7 15 169 3 - 18 187 8 17 217 4 - 24 241 9 19 271 5 - - 30 301 10 __ 21 _ 331 6 1 "* - 36 367 18
11 23 397 7 - - 42 439 12 25 469 8 - - 48 517 13 27 547 9 2 - 66 613 i 14 29 631 10 5. 90 721 15 31 721 11 6 - 102 823 16 33 817 12 7 114 931 17 35 919 13 8 - 126 1045 18 37 1027 14 9 - 138 1165 19 39 1141 15 L 12 - 162 1303 20 41 1261 16 13 4 198 1459 21 43 1387 17 14 7 228 1615 22 45 1519 18 15 8 246 1765 23 47 _1657_ 19 16 g 264 1921 Таблица 1а. Внутренние базовые диаметры D (в мм) цилиндрических обечаек (в соответствии с ГОСТом 9617-67) 200 250 300 1 350 400 [450] 500 [550] 600 [650] 700 [75бП 800 [850] 900 [950] 1000 1100 1200 [1300] 1400 [1500] 1600 [1700] 1800 [1900] 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4500 5000 5500 6000 6400 7000 8000 9000 10000 11000 12000 14000 16000 18000 20000 - - Примечания: 1. Настоящий ряд диаметров распространяется на метал- лические обечайки, изготавливаемые из листов. При этом для цветных металлов и сплавов действительны диаметры только до 3800 мм. 2. Для стальных обечаек диаметры, заключенные в скобки, следует применять только для обогреваемых или охлаж- даемых рубашек аппаратов. 3. Диаметры, заключенные в прямоугольные скобки, дейст- вительны только для обечаек из цветных металлов и сплавов. 4. Настоящий ряд диаметров до 2000 мм рекомендуется применять при конструировании литых и кованых метал- лических корпусов аппаратов, а также любых корпусов и обечаек - из неметаллических материалов. 19
2.2. Расчет толщины стенки греющей камеры Корпус греющей камеры выпарного аппарата представляет собой вертикальную обечайку, работающую для 1-го корпуса выпарной установки под внутренним, избыточным давлением, равном давлению греющего пара. При базовом внутреннем диаметре корпуса греющей камеры (D) номинальная расчетная толщина стенки равна ст р? 2оа(р - р (9) где р - расчетное давление. Расчетное давление р связано с давле- нием пробного гидравлического давления р2 На давление рг испыты- вается аппарат на прочность при его изготовлении и периодически - при эксплуатации. Величина пробного гидравлического давления рг и его связь с расчетным давлением р представлена ниже: при рг (мН/м2) = ) 0,05 < 0,06/иНТи2 р< 0№(мН/м2); при рг (мН/м?М ,5/п^ ) 0,06 ~ 0,1 Ъ(мН/м2) р=(0,05 н- 0,07)мН/м2, при ps (мН/м2) =1,5 ргп(а^ l )=0.,01 -^0,10(/иН/м2) -> р=(0,07 4- 0,5)мН/м2 Здесь Од -допускаемые напряжения материала (стали) стенки при температурах t=20 С и греющего пара ( t3n ); Ф - коэффициент прочности сварного шва обечайки Для сталей при D > 500 мм ср = 1,0 (стыковой двусторонний сварной шов), при D < 500 мм <р =0,8 (стыковой односторонний шов) и т.д. [10. стр. 407]. Расчетная толщина стенки где - соответственно прибавка на коррозикдСф на эро- зию(Сэ), дополнительная прибавка по технологическим, монтажным и др. соображениям (Сд), прибавка на округление радиуса (Сс). В рассматриваемом случае величинами Сэ и Сд можно пренебречь; величина Ск зависит от химической проницаемости ма- териала стенки, исходя из расчетного срока службы аппарата (10 лет). Для сталей и водяного насыщенного пара (ргп >1 ата) химическая 20
проницаемость (коррозия) не более 0,05 мм/ год, поэтому Ск- 0.5 мм. В связи с Э1 им f Ьсп1 + 0.5.И.И + Q. (10, а) причем рекомендуются [8] минимальные толщины стенок цилиндри- ческих обечаек: D, мм <400 400-1000 1000-2000 2000-4000 $mirh ММ 2 3 I 4 5 Указанные толщины стенок при возможности коррозии увеличивают на коррозионную прибавку Ск. Правомерность использования формулы (9) проверяется ус- ловием C’/i (11) Расчет толщины обечайки, работающей под наружным дав- лением, что характерно для последнего корпуса выпарной установки, работающего под вакуумом, рекомендуется [10] проводить по форму- ле 0.4 ст (12) где рн- расчетное наружное давление, равное атмосферному (рн = 0,1 мН/м2)', I - высота корпуса греющей камеры (м); Е' - модуль упругости материала стенки при температуре греющего пара {см. табл.З). 2.3. Крепление кипятильных труб в трубной решетке Наиболее распространенным способом закрепления труб в трубных решетках является развальцовка. Развальцовка труб заклю- чается в холодной раздаче (раскатке) их в отверстиях трубной решет- ки. Развальцовка труб осуществляется специальным инструментом - вальцовкой. В результате вальцовки металл трубы деформируется, происходит уменьшение толщины стенки трубы, причем металл «те- чет» и заполняет все промежутки между трубкой и трубной решеткой, чем обеспечивается необходимая прочность соединения. В случае развальцовки диаметр отверстий в трубной решет- ке под кипятильные трубки для оптимальной величины зазора равен. с/н. мм 25 38 51 83 102 108 d, мм - 38.9 52 84,4 103,6 109,65 21
На рис 9 показаны примеры крепления развальцовкой труб в трубных решетках. Расчет закрепления труб в трубной решетке выпарного ап- парата заключается в определении расчетной минимальной высоты трубной решетки, обеспечивающей надежное крепление в ней труб при вальцовке h > --- > (13) (/нЧ где q - допускаемая нагрузка, приходящаяся на единицу условной поверхности развальцовки При развальцовке стальных труб методом гладкого вальцевания - q = 15 мН/м2, при развальцовке в канавках - q =30 мН/м2, при развальцовке колокольчиком - q = 40 мН/м2 [10]. Рас- четная осевая сила Р, действующая в месте крепления трубы в ре- шетке, для греющих камер выпарных аппаратов принимается равной (14) где D - внутренний диаметр греющей камеры, м; dH - наружный диа- метр кипятильных труб, м\ п - число труб; ргп - давление греющего пара в межтрубном пространстве, мН/м2. Кроме того, для стали рекомендуется упрощенная формула для расчета h: li > + 15 (но не менее 10 мм), (15) t-dH где t- шаг между трубами, мм. За расчетное принимается большее из значений h, получен- ное по формулам (13) и (15). 2.4. Расчет толщины трубной решетки На рис 10 приведены основные типы трубных решеток, ис- пользуемых в греющих камерах выпарных аппаратов. Номинальную расчетную высоту трубной решетки снаружи (высота Л?) рекомендуется [10] определять для решетки типа I (рис. 10) по формуле J--- h.=kl) \-р- (16) 1 л । ’. ид 22
co л (U x T5 1П •• и X Ф U) 23
где коэффициент к ~ 0.28; D - внутренний диаметр греющей камеры, м; р - давление греющего пара, мН/м2. Рис. 10 Типы трубных решеток греющих камер выпарных аппаратов Номинальную расчетную высоту трубной решетки снаружи (высота h ) для решетки типа II (рис 10) определяют по формуле (17) где РБ - расчетное усилие в болтах на растяжение; коэффициент является функцией отношения (l)ls/Dn) (рис. 11); диаметр бол- товых отверстий: 1) - внешний диаметр уплотнения, равный н ; D - внешний диаметр корпуса греющей камеры. мН/м2. равно Для круглого наружного фланцевого соединения при р<10 (тип II на рис. 10) расчетное растягивающее усилие в болтах 4М„ (18) п где Рс - расчетная сила давления среды определяется по формуле С (19) 24
р - давление греющего пара; а - константа жесткости соединения (при плоской резиновой и других неметаллических прокладках а = 0,8); Рп -расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей, определяемая как = itl)„hq (20) где b - ширина прокладки; q - удельная нагрузка прокладочных мате- риалов. Согласно [10] величина удельной нагрузки резиновых про- кладок q=1,5 мН/м2: для асбокартона, паронша, фторопласта, пласти- ката величина q=20 мН/м2; для фибры и полиэтилена q=30 мН/м2; для Рис. 11. Значения коэффициента К, в формуле (17) плоских и гофрированных прокладок с оболочкой из алюминия q=33 мН/м2; из монеля q=56 мН/м2; из стали 05 КП q=53 мН/м2; из стали 0X13 или Х18Н10Т q=63 мН/м2, При этом рекомендуемые [10] границы применения прокла- дочных материалов (обтюрации) следующие: 25
Материал прокладки Условия процесса D, мм р: мН/м2; 1, ”С 1. Резина, картон < 3000 <0,6 (- зон+юо) 2. Асбокартон < 3000 < 1,6 < 500 3. Пластикат, поли- этилен < 3000 <4,0 (-30)+(+60) 4. Паронит < 3000 < 10.0 (-200)-(+400) 5. Фторопласт < 1000 <10,0 вакуум (-200)+(+250) 6. Комбинированная (гофрированный асбо- картон) <400 1.0-6,4 (~200)+(+540) 7. Комбинированная плоская 400-2200 1,0-6,4 (~200)+(+540) В формуле (18) Мп - изгибающий момент от действия внешних нагрузок на фланцевое соединение с трубной решеткой при размеще- нии на фланцах дополнительных устройств (аппаратов), приводящих к появлению ветровой нагрузки. В подавляющем большинстве случаев для греющих камер выпарных аппаратов Л//? = 0. Величины <зид - допускаемое напряжение на изгиб (мН/м2.) при растяжении в зависимости от температуры и марки стали приве- дены на рис. 12. Номинальную расчетную высоту трубной решетки посереди- не (высота h на рис.10) для типов I и II следует определять по форму- ле = (21) N Фоа//Э где D - внутренний диаметр греющей камеры; коэффициент к = 0,47; Р~Ргп и <ро - коэффициент ослабления трубной решетки отверстиями под кипятильные трубки, равный 7>-У</ Фо =-----~~ (22> 1) где V d — djjb ; b - число труб по диагонали (см. рис. 7). С учетом прибавок на коррозию, на округление размеров, а также из конструктивных соображений (учитывая величину h из усло- вий надежности развальцовки труб) принимаются окончательные зна- чения толщин решетки h-iu h для выбранного типа I или II. Обозначение на чертеже, например, трубной решетки типа II диаметром D = 1200 мм. толщинами /?, - 40 мм и h - 65 мм при числе труб п = 257: 26
Трубная решетка D=1200 мм. мм, h-65 мм. п=257 по , материал - сталь 1Х18Н10Т. /мн/м?) Рис. 12. Зависимость cftjQ от температуры для различных марок сталей 2.5. Фланцевые соединения трубных решеток Конструктивное оформление фланцевых соединений грею- щих камер выпарных аппаратов чрезвычайно разнообразно, но зави- сит, в основном, от условий коррозионного воздействия среды (от ма- териала составляющих соединения), от давления и температуры про- цесса. 27
Один из распространенных вариантов фланцевого соедине- ния с приварными неподвижными трубными решетками показан на рис. 13 - фланцевое соединение жесткого типа. Рис. 13 Фланиевое соединение жесткого типа Фланцевые соединения этого типа применяются при разности темпе- ратур между средами в межтрубном и трубном пространствах, не пре- вышающей 50°С, а при больших At - при наличии линзового компен- сатора, обеспечивающего разгрузку температурных напряжений. 28
Крепление приварной трубной решетки выполняется в двух вариантах, облегченное (рис. 13а) и усиленное (рис. 136) Крепление трубной решетки к корпусу греющей камеры в исполнении «А» (рис. 14) применяют при ру < 0,6 мН/м2 и диаметре Рис. 14. Крепление трубной решетки к корпусу греющей камеры 29
греющей камеры 400-2000 мм и при 0,6 мН/м2< р., < 0.1 мН/м2 и диаметре 400-1600 мм Крепление трубной решетки в исполнении «Б» (рис. 14) при- меняют при pv до 1,0 мН/м2 и D - 800 - 1600 мм. а также при ру < 1.6 мН/м2 и О = 600 * 1000 мм. Отметим, что выступающий край трубной решетки служит фланцем для присоединения последующих частей выпарного аппара- та. Поэтому наружный диаметр трубной решетки устанавливается по наружному диаметру фланца, который стандартизируется по диамет- ру греющей камеры и условному давлению [10] Рис 15 Соединение трубной решетки из легированной стали с плоским фланцем из углеродистой стали В тех случаях, когда в межтрубном пространстве греющей камеры используется коррозионно неагрессивная среда (теплоноси- тель - водяной насыщенный пар), а упариваемый раствор требует применения легированных (нержавеющих) сталей, то в целях эконо- мии дорогостоящего металла, кожух греющей камеры изготовляют из углеродистой стали. Конструкция такого фланцевого соединения при сочетании элементов из углеродистой и легированной сталей показа- на на рис. 15. Крепление трубной решетки к корпусу (без фланцев) выпол- няется, как это показано на рис. 16. Приварка трубной решетки по рис.166 производится в тех случаях, когда невозможно осуществить приварку с внутренней стороны (рис. 16а). В некоторых случаях, 30
Рис 16 Крепление безболтозий трубной решетки к корпусу аппарата а) трубная решетка приварена с внутренней стороны аппарата; б) трубная решетка приварена снаружи Рис. 17. Приварка трубной решетки в торец кожуха греющей камеры а) неотбортованная трубная решетка; б) отбортованная трубная решетка 31
например, в аппаратах с подвесной греющей камерой, приварка труб- ной решетки к кожуху производится так. как показано на рис. 17. 2.6. Линзовые (волновые) компенсаторы В греющих камерах выпарных аппаратов за счет высоких значений At возникают в жестких конструкциях (например, корпус - кипятильная труба) дополнительные температурные напряжения. При больших At > 50°С нарушается прочность в местах развальцовки труб, возникают дополнительные нагрузки на корпусе греющей камеры. Для предотвращения этого явления используют компенсато- ры, простейшие из которых - линзовые (волновые) компенсаторы. Сила взаимодействия между жестко соединенными частями греющей камеры (между корпусом и трубками) за счет температурных напряжений определяется как где tm- температура греющего пара в межтрубном пространстве, °C tKnrr температура кипения раствора в кипятильных трубках, °C ак1, атр1- коэффициенты линейного расширения материала корпуса (при tm) и кипятильных труб (при tK/:P), 1ЛС Ек , Етр'- модули упругости для материала корпуса (при ^) и кипя- тильных труб (при tK/n), Ек, FTp- площади поперечного сечения корпуса и труб (м2), причем Fh. - п( DKII + д с1)1 )дст (24) И F,np =*(<!„ ~^ 'ст)^ст» (25> 5 .,„,5,.,,, - соответственно толщина стенки корпуса греющей камеры и кипятильной трубки, м; п - число кипятильных труб, DeH - внутренний диаметр корпуса греющей камеры, м\ dH - наружный диаметр трубки, м. 32
Кроме силы/’' на жестко соединенные части аппарата дей- ствует сила давления, представленная как Р = 0,785[( I)2 - (12п)ргп + d2Hnpmp\, (26) где D - диаметр трубной решетки, м; deH - внутренний диаметр тру- бок, м; ргп РтР - давление среды в межтрубном и трубном простран- ствах греющей камеры, мН/м2. При температуре корпуса большей, чем температура труб (в выпаривании tsn > tK,jny. расчетный предел прочности материала корпуса греющей камеры р1 РЕ' -------------------; (27) F F' F (Г F к к тр* тр расчетный предел прочности материала кипятильных труб Р’ РЕ' _ * тр (28) тр р ptр pt р л тр к 1 ьтр1 тр По формулам (27) и (28) определяется необходимость уста- новки на корпусе греющей камеры линзового компенсатора Так при т р 7 и Q < су 629) т р — к 1 / /77 р необходимость установки компенсаторов отсутствует. Здесь - допускаемое напряжение материала корпуса (к) и труб (тр) при соответствующих температурах; () - предел теку- \ /к чести материала греющей камеры. Установка линзовых компенсаторов необходима при выпол- нении условий (29), В этом случае проводится расчет разности (Л) линейных температурных удлинений материалов корпуса и труб, исходя из их разнонаправленного действия. Для греющей камеры выпарного аппарата ^к^'гп -20°)-а' (<„„,-20")/(Л/), (30)
где Л/=гг;, - tKun ; I - расстояние между трубными решетками (принима ется равным длине кипятильных труб), м. Расчетное число линз в компенсаторе равно ' Л, (31) где Лл - компенсирующая способность одной линзы, которая опреде- ляется по [10]. Там же приведены геометрические размеры линз в за- висимости от диаметра греющей камеры, условного давления и силы давления. Рис. 1$ Типовые конструкции круглых металлических линзовых компенсаторов (приварка встык) а) сварной из двух штампованных Полунина, 6) свасной из нескольких линз Условное обозначение полулинзы для компенсатора на Ру=0,25 мН/м2. dy-2b0 мм «Полулинза 2.5-250 МН 2896-62» Условное обозначение линзы dv-8CO мм, Pv-1,6 мН/м2 из углеродистой стали «Линза 800-1,6 У ОН 2601-79-68» (для легированной стали использовать индекс К) На рис.18 показано крепление линзовых компенсаторов к кор- пусу греющей камеры. Следует отметить, что в выпарных аппара- тах с вынесенными греющими камерами или выносной циркуляцион- ной трубой линзовые компенсаторы устанавливают как на корпусе 34
греющей камеры, так и на циркуляционной трубе. Последние подби- рают по условиям расчета линзового компенсатора греющей камеры, но на диаметр циркуляционной трубы. В табл.2 приведены некоторые данные по температурным коэффициентам линейного расширения сталей а,104(1/>С), в табл.З - данные по модулям упругости Таблица 2. Зависимость коэффициентов линейного расширения некоторых сталей 104(1/1’С) от температуры [11] Марка стали Температура, °C 100 200 300 Углеродистые стали ст 3 (0.101 при 200 К; 0,118 при 300 К) ст 10 0.116 0,126 0.130 ст 15 0,122 0,123 0,131 ст 45 0 116 0,123 0,131 15Х, 15ХА, 20Х 0,113 0,116 0.123 0X13 0,105 , 0,133 0,138 Среднелегированные стали 18ХНВА I 0.117 0.123 0,134 40ХНМА 0,117 0,122 Г 0,127 Хромоникелевые стали Х18Н9Т 0,166 г 0,170 0,176 Х18Н12Т 0.166 0,170 0,172 Таблица 3. Зависимость модуля упругости Е (гПа) некоторых сталей от температуры [12] Марка стали Температура,°C 20 100 200 ст 10 206 199 195 ст 15 201 192 185 ст 4 5 200 201 193 ст 55 210 - - ст 60 204 - 208 35
ст 85 191 - - ЗОХМ 208 207 204 40Х 214 211 206 08X13 217 212 206 12Х18Н10Т 198 194 189 40Х15Н7ГФ2МС 185 - 187 ХН70ВМТЮФ 221 __ 217 211 Примечание: В обозначении марки стали первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы за цифрами обозначают: С - кремний, Г - марганец, Н - никель, М - молибден, П - фосфор, X - хром, К - кобальт, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь. В - вольфрам, Ф - ванадий, Р -бор, А - азот, Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах. 2.7. Ввод ГРЕЮЩЕГО ПАРА И ОТВОД КОНДЕНСАТА Ввод греющего пара в межгрубное пространство греющей трубы должен обеспечивать равномерную подачу пара по сечению греющей камеры и предотвращать местные перегревы кипятильных труб и их эрозию. Способы защиты кипятильных труб от прямого удара струи пара приведены ниже. В случае неполного заполнения трубами сегментов сечения греющей камеры (рис 19) в месте ввода греющего пара устанавлива- ется отбойный щиток Размеры отбойного щитка определяются из конструктивных соображений, но их высота и ширина должны быть больше диаметра штуцера ввода греющего пара. При полностью заполненном сечении греющей камеры кипя- тильными трубками применяют расширение кожуха греющей камеры (рис. 20). Расширение на рис. 20а может быть оборудовано отбойным щитком, подобно конструкции на рис.19. На рис.206 роль отбойного щитка выполняет обечайка греющей камеры Для подачи пара в глубь греющей камеры целесообразно устройство каналов в межтрубном пространстве путем разрядки труб в местах подачи греющего пара. Некоторое уменьшение поверхности выпаривания, вызванное разрядкой труб, компенсируется интенсифи- кацией процесса конденсации греющего пара. 36
и s 37
На рис.21а показана разрядка труб при одностороннем под- воде пара в греющую камеру, на рис.21 б - при двустороннем. Нормальная работа греющей камеры возможна только при непрерывном и полном удалении образующегося конденсата и отводе неконденсирующихся газов. Штуцер для вывода конденсата из грею- щей камеры необходимо располагать возможно ближе к нижней труб- ной решетке Воздушка - штуцер для удаления неконденсирующихся газов (воздуха) располагается в верхней части греющей камеры, ближе к верхней трубной решетке. Воздушка работает периодически: при за- пуске аппарата на рабочий режим и во время процесса выпаривания (периодически удаляется воздух из межгрубного пространства грею- щей камеры). 3AnoAHS№ ТЮГХАЛЩ Рис. 21. Устройство каналов в межтрубноы пространстве греющей камеры 2.8 Расчет толщины изоляции Расчет толщины тепловой изоляции рассматривается при установив- шемся тепловом потоке (Ц — const, где - тепловой поток, отне- сенный к единице высоты греющей камеры При расчете принимают, что потери тепла в окружающую среду равны не более 38
Q„ = (0,03 - 0,057(21 , где ()х{Дж/с) - тепловая нагрузка I корпуса выпарной установки. Тогда где / _ высота кипя- 1 I ТИЛ ИНЫХ труб. Перенос теплоты из межтрубного пространства греющей ка- меры в окружающую среду - многостадийный процесс (рис 22). Рис. 22. Стадии теплопереноса в греющей камере (от греющего пара в окружающую среду, кроме вь парного аппарата с выносной греющей камерой) В межтрубном пространстве имеет место конденсация грею- щего пара, поэтому где коэффициент теплоотдачи от греющего пара к внутренней стенке; 39
\«>н<)’Ркино’I-1 кош) ‘ физические параметры конденсата греющего пара: ггп - теплота парообразования греющего пара, Дж/кг; g - ускорение свободного падения, м/с2. Величину аконд представляют для вертикального расположе- ния греющей камеры как а„„„, = 2.03SJ' Д( (>, )1'4 = 4- О, Г1'4 (34) где комплекс 2,035/1 4i — ; табулирован [14]: О., 80 ' 100 120 140 160 180 1 200 А1 169 179 I 188 194 197 199 199 В результате для рассматриваемой стадии </,=/!(/„,-0,/ 4лО„, Стационарный теплоперенос теплопроводностью через стен- ку греющей камеры и слой изоляционного материала представляется как я(е,-02) (36J Dfiii (37) Здесь 9{,02,03 - температуры стенок; Х,Г/„А - теплопроводность стенки греющей камеры и изоляционного материала: см. в 40
m<i6n.4; DeH, Du, DU3 - внутренний и наружный диаметр стенок грею- щей камеры и наружный диаметр изоляции. Наконец, теплоперенос от наружной поверхности изоляции в окружающую среду равен 4i =а(/ез -tcp)itDus (38) |де tcp - температура окружающей среды, ОС0 - коэффициент тепло- отдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде, кото- рый слагается из коэффициентов теплоотдачи за счет естественной конвекции (ОС(() и за счет излучения (ОЦ), т е. а0=а0+а0 (39) Чтобы исключить из расчета неизвестные выра- зим из уравнений (35) — (38) разности температур гп (41) (42) (43) После почленного сложения уравнений (40) - (43) получим или (44) Q'f 1 /нА In \ Г)вн — 1---*__(45) D„ 41
Уравнения (44) и (45) позволяют методом итераций или гра- фическим решением однозначно определить неизвестный диаметр изоляции DU3, отсюда толщина изоляции (46) Правильность выбора материала изоляции проверяется рас- четом на критический диаметр изоляции Если ])н <(d)Hi, то применение выбранного изоляционно- го материала увеличивает поток тепла в окружающую среду с ростом толщины изоляции. В этом случае необходимо использовать изоля- ционный материал с меньшим значением 1 , для выполнения уело- ВИЯ /) . л'н ' ' кр'нл Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоля- tf ции за счет излучения (Otg ) определяется по уравнению [3-6,13-14] '273 + 03V (213 + 1срл I 100 J I 100 J , (Вт/м2К); (48) где температура окружающей среды (tcp) при размещении установки в закрытом производственном помещении принимается равной 15-20°С; при расположении установки на открытой площадке tcp равна средней температуре самого холодного зимнего месяца в данном районе [14]. Температура наружной поверхности изоляции 63 принимается, исхо- дя из условий безопасности обслуживания, равной 35-40°С. Константа излучения С, зависящая от рода материала и со- стояния поверхности излучения приводится в справочниках [13,14]. Некоторые значения констант С приводятся ниже. При этом 42
«де Ci=eiC4 •• коэффициент лучеиспускания тела; коэффици- ент лучеиспускания среды; Fb F2 - поверхности тела и окружающей среды: обычно поверхность F2»Fi (например, при расположении ап- парата в цеху), поэтому С—Ci=-ciC4 (50) где Сч = 5,7 Вт/м2К4 - коэффициент лучеиспускания абсолютно чер- ного тела; Ej - степень черноты поверхности изоляции. Значения Ej для различных материалов приводятся ниже: f (Oto) определяется из зависимостей: при (Gr*Pr)<500 при (Gr*Pr)=500-2*107 п ри (Gr*Pr) > 2*107 Nu=1,16(Gr*Pr)°125 Nu=0,54(Gr*Prf25 Nu-O,135(Gr*Pr)033 (51) (52) (53) В уравнениях (51) - (53) критерий Нуссельта -Я; Я - ко- эффициент теплопроводности воздуха при средней температуре по- граничного слоя, равной (03+tcp) /2 Критерий Прандтля Рг для воздуха в диапазоне температур 10т-500°С при атмосферном давлении остается практически постоян- ным и равным 0,722. Критерий Грасгофа о/ v" причем В - коэффициент объемного расширения воздуха, равный $-1/1=1/(273+^): v - кинематическая Pl III I! I л
вязкость воздуха при температуре tc?; / - определяющий размер (высота - для вертикальных аппаратов, наружный диаметр - для гори- зонтальных) Примечание: для аппаратуры, находящейся в закрытых помещениях и температуре стенки аппарата 03 <150°С, определение суммарного коэффициента тепло- отдачи aQ рекомендуется [14] про- водить по приближенной формуле а„ = <х0 + <х0 = 9.74 + 0.07Л/ (Вт/мгК), (54) где м = 03 -tcp Таблица 4. Теплопроводность некоторых сталей и изоляционных ма- териалов [10-14] марка стали Лет Вт/мК при 20-100 °C Изоляционный материал ч ''-ИЗ. Вт/мК ВМСт.Зкп 50.0 асбокартон 0,16-0,17-10~3t Ст. 5 50.0 стекловата 0,051-0,059 Ст.40 51,8 совелит 0,098 20Х 49,4 шлаковата 0.076 0X13,1X13, 10X1зл 25,1 войлок 0,047 Х18Н10Т 16,4 шлакобетон 0,70 Х17Н13М2Т 15,9 асбошифер 0.17-0,35 ОХ21Н6М2Т 12,6 опилки древес- ные L . , 0,07-0,093 З.СЕПАРАЦИОННОЕ ПРОСТРАНСТВО 3.1 Высота и диаметр сепаратора Паровое (сепарационное) пространство над кипящим рас- твором в выпарном аппарате служит для предотвращения уноса 44
вторичным паром капель упариваемого раствора, так как капли уно- симого раствора попадают в межтрубное пространство следующего (по ходу вторичного пара) выпарного аппарата, увеличивают его тер- мическое сопротивление, загрязняют конденсат пара. Унос также уменьшает выход готового продукта и тем самым увеличивает его стоимость. Величину уноса капель характеризуют объемным напряже- нием парового пространства Rv. представляющего отношение объем- ною потока вторичного пара (м3/час) на 1 м3 парового пространства. Ila рис.23 представлена экспериментальная зависимость Rv от рабо- чего давления (р) в сепараторе выпарного аппарата. Эта зависимость получена при кипении воды. Однако большинство водных растворов солей склонно к активному вспениванию. Поэтому для реальных слу- чаев выпаривания принимают предельное напряжение парового про- странства R",ped = (0,3-0,4)j?r, гДе Rv~ напряжение парового про- странства для кипящей воды при соответствующем рабочем давлении (определяется по графику на рис.23). Объем сепарационного пространства определяется по фор- муле Рис. 23. Зависимость предельного напряжения парового пространства Rv от давления при кипении воды 45
./ _ . M3 (55) ce" „прей *4 p fl где W- количество вторичного пара, образующегося в выпарном ап- парате (кг/час); р/? - плотность вторичного пара (кг/м3) Полученный по формуле (55) объем сепарационного про- странства позволяет определить диаметр сепаратора: П _ (56) ^сен J LJ V сен где ц - высота сепаратора (м), принимаемая равной: Н < 1,8 м- для невспенивающихся растворов; II = 2,5-3 м - для пенящихся растворов. Расчетное значениеDсравнивается с величиной стандартного выпарного аппарата [7,8]. В случае, если (Dcen )рас>( 1Уее„• при конструировании выпарного аппарата следует исходить из величины (п ) ' сеп 'рас Отмечается [1,2], что свободное сепарационное пространст- во выпарного аппарата не устраняет полностью уноса брызг. Поэтому, вместо увеличения объема (высоты) сепаратора устанавливают брыз- гоотделители, встроенные в корпус сепаратора или вынесенные за его пределы. 3.2. Брызгоотделители Брызгоотделители располагаются в верхней части сепараци- онного пространства и служат для окончательного отделения капель раствора от вторичного пара. Брызгоотделители разделяются на два типа: инерционные (рис.24) и инерционно-центробежные (рис.25). В брызгоотделителях инерционного действия отделение ка- пель от вторичного пара происходит за счет резкого изменения дви- жения потока пара, В этом случае капля, имея большую массу, силой инерции отбрасывается на стенки конструктивных элементов брызго- отд ел ителя, отсюда стекает в рабочую зону аппарата. Брызгоотделители инерционного типа (рис.24) не стандарти- зованы, их основные размеры принимают, исходя из конструктивных соображений. При этом исходят из того, что скорость парового потока в элементах брызгоотделителя больше в 5-7 раз скорости вторичного пара в сепарационном пространстве. 46
Рис. 24. Брызгооделители инерционного типа
Рис. 25. Типы брызгоотделителей а) циклонный; б) жалюзийный: в) сетчатый 48
Следует иметь ввиду, что рост числа поворотов на 180" по- юка вторичного пара увеличивает эффективность брызгоотделителя. но в гоже время увеличивает его гидравлическое сопротивление. По- < педнее приводит к росту гидравлических депрессий, т е. снижает те- ииосодержание вторичного пара. В связи с этим нормализованы [8] брызгоотделитепи инерци- онно - центробежного типа (рис.25) В этих брызгоотделителях ис- пользованы эффекты инерционного действия (резкий поворот потока нюричного пара) и центробежного: отогнутые внутрь направляющие закручивают поток пара, созданный центробежный эффект обеспечи- вает достаточно полное отделение капель раствора от вторичного пара. В табл.5 приведены основные геометрические размеры брызгоуловителей инерционно-центробежною типа (рис.25а). Для вспенивающих растворов, а также для выпарных аппа- ратов с вынесенной зоной кипения (рис.6) сепарационное пространст- во дополнительно оборудуют дополнительными статическими отбой- никами (поз.7 на рис.6). Этот отбойник состоит из стальных листов, изогнутых по форме лопаток турбинных колес, что создает дополни- юльный центробежный эффект при разделении раствора и вторично- ю пара непосредственно в объеме сепаратора. Улучшают отделение капель раствора от вторичного пара гакже сетчатые отбойные элементы или отбойники из S-элементов, характеризуемые небольшим гидравлическим сопротивлением (рис.25б,в). Таблица 5. Основные размеры (мм) циклонных брызгоотделителей Диа метр сепа- ра юра Г-Ъ, м 1 0 1.2 1 4 1.6 1 8 ДО ДО Кол-во вторично- го пара (VV10'3 м7час), приве- денного к Р=1ата d5 мм df мм Н*5 мм На мм В мм * С мм К мм h мм ь м м Коли- че- ство ще- лей П 2,5-3.5 1 1 940 750 200 450 300 200 50 4 3.5-4 5 550 325 200 6 4,5-8,0 100 8 4,5-6,0 700 500 1030 850 250 500 300 160 160 60 6 6.0-9.0 8 9.0-14 0 100 10 8.0-9 0 9.04 ЦО 11,0-14.0 900 600 1250 1050 j_300 300 ’ 650 650 400 240 150 75 СО со i J 300 650 150 10 14,0-24.0 900 Н600 1250 1050 400 550 400 150 75 ... ю 49
2,2 2.4 J3_0-17 0_ 1200 800 1350 1150 350 700 500 150 90 8 I 17.0-20 0 ] 350 700 10 20,0-35 0 400 650 12 2,6 2.8 I 19,0-20 0 1400 800 1480 1250 400 750 500 180 100 я 20,0-25,0 400 750 10_ 25,0-32 0 500 650 10 12 32,0-46,0 500 650 3,0 3,2 25 0-28,0 1600 1000 1700 1400 450 850 _ 600 — 300 120 8 28,0-32,0 450 850 J50 150^ 10 ' 32Д40 0_ 450 850 12 __401,0-62,0 _ 850 750 150 14 *Размеры относятся также к сетчатым и жалюзийным брыз- гоотделитепям. 3.3 Смотровые стекла Смотровые стекла (окна) для химической аппаратуры выпол- I Рис. 26. Смотровые окна из углеродистой стали 50
шиш двух типов с размерами в свету: диаметром от 50 до 150 мм (для у ионною давления Р < 1 мН/м2 и tc < 150°С). Смотровые стекла вы- нирных аппаратов устанавливают на сепараторе для контроля за уровнем кипящего раствора в аппарате и интенсивности кипения. ( метровые стекла располагают на поверхности сепаратора либо на иро( нет, либо вертикально (не менее двух) для подсветки внутреннего пространства сепаратора. Для очистки внутренней поверхности смот- ровые стекла оборудуют омывателями. Смотровые стекла с размерами в свету 0 = 50 и 125 мм для нитратов из углеродистой стали изображены на рис.26. Материал • юлышки и кольца - Ст 3. Материал прокладки выбирается в зависи- । юсти от условий выпаривания и свойств упариваемого раствора. Рис. 27. Смотровые окна из легированной стали Смотровые стекла для аппаратов из нержавеющей стали < размерами 0 = 50 и 125 мм представлены на рис.27. Материал бо- ы.ннки выбирается такой же как и для аппарата; материал кольца - 51
Cm 3. Материал прокладки должен соответствовать темпе- ратурным условиям и удовлетворять условиям коррозионной устойчи- вости. По данным [16] смотровые окна для аппаратов, работающих 52
при l\< 0,6 мН/м2 и t<150°C, изготавливают из углеродистой стали рип l-У и Ill-У) и высоколегированной стали (тип I-К и II-K). Конструк- ции смотровых окон показаны на рис. 28; их основные размеры при- ведены в таблице 6. Таблица 6. Окна смотровые для аппаратов из углеродистой и кислотностойкой стали (z-число болтов) 1) 7); — и h h2 5 d6 мм 80 89 125 150 100 50 25 12 14 11 М10 8 I25 133 175 205 150 Г 50 35 14 16 17 М12 8 150 159 Г 195 225 170 55 35 14 20 20 М12 8 4. ДНИЩА И КРЫШКИ Выпарные аппараты обычно оборудуются эллиптическими крышками и эллиптическими или коническими днищами (см. рис 1-6). Использование эллиптических днищ и крышек объясняется, прежде всего, тем, что распределение на них давления (силы давле- ния) является наиболее оптимальным. Применение конических днищ удобно при удалении выпавших кристаллов, при чистке аппаратов. В этих условиях рекомендуется [8] для вязких жидкостей и суспензий принимать угол конусности а - 60°. Днища крышки для удобства сварки их с корпусом встык из- готовляются с отбортовкой Это удобно также при фланцевом соеди- нении крышек и днищ с другими частями аппарата. Номинальную расчетную толщину эллиптической крышки (днища) (рис 29) рассчитывают по формуле 8' 1 (57) ст 2ort<p где Dqh - внутренний диаметр днища; р - давление на крышку (днище), ст j - допускаемое напряжение на растяжение для материала крыш- ги(днища); ф - коэффициент ослабления крышки (днища) отверстия- ми. причем (58)
с ГС = 600 мм ГС? = 1Q мм из стали марки 16 ГС «Крышка (днище) 600x10-16 ГС ГОСТ 6533-68» Условное обозначение конического днища с а-бО? с Dw = 600 мм, дСт = 16 мм из стали марки 16 ГС «Днище 600x10-16 ГС ГОСТ 12619-67» При а=90° ГОСТ 12621-67; для неотЬортиванны* днищ a-120Q ГОСТ 12623-67. а~140? ГОСТ 12624- 54
\ d - суммарный диаметр отверстий в крышке (днище). Отметим, * —t i пи при наличии нескольких отверстий в крышке (днище), работаю- ще и иод внутренним давлением, эти технологические отверстия ре- ки юндуется укреплять укрепляющими кольцами. Как и при расчете толщины стенки греющей камеры (см, раз- 2 2), расчетная толщина стенки крышки (днища) t (10) Необходимо отметить, что при расчете толщины днища по формуле (57) следует учитывать не только рабочее давление в anna- р. не, но и гидростатическое давление столба упариваемого раствора. Расчетная толщина стенки [по формуле (10)] стандарти- зуется по номограмме (рис 30)\ при этом по значениям DGH и оп- V, 9в9 [х'деляется высота отбортовки h. Рис. 30. Номограмма для определения толщины стенки и высоты о1бо2товки эллиптических крышек (.днищ) [10] 55
Расчет номинальной толщины конических днищ (рис.30) про- водят по формуле = J^P (59) cm 4 J где (р0 - коэффициент ослабления днища сварным швом (у0 ~ 0,95); при дополнительном ослаблении днища технологическими отвер- стиями можно принимать (р= <р0 = 0,8-0,9. Величина у - коэффициент формы днища при конусности а-60°: значения у - f (Ren / I)fH) при- ведены ниже. R / J) 0,10 0,15 0,20 0.30 0,40 0,50 г 3.40 2.90 2,55 2.00 1,40 1,00 За расчетную толщину днища принимают величину бе,»=«„„ +СА- тС,+ Са > С„, (10) На рис.31 приведены размеры конических стандартных от- бортованных днищ с углом конусности (1=60'’. Как отмечалось выше технологические отверстия в днищах (крышках) необходимо укреплять. Это также относится к стенкам ап- паратов. Ослабление стенок, крышек и днищ аппаратов от вырезов для крепления штуцеров, люков, смотровых стекол и т п. часто крайне велико и должно быть компенсировано соответствующим укреплени- ем их с учетом следующего: усиливающее кольцо должно быть размещено возможно ближе к краю отверстия; сечение усиливающих колец должно быть равновелико сечению выреза; в аппаратах с сильно корродирующей средой отверстия диаметром более 50 мм должны быть укреплены незави- симо от расчета; неукрепленные отверстия не должны располагаться на сварных швах, а расстояния между центрами этих отвер- стий не должны быть меньше суммы их диаметров. Наибольший диаметр неукрепленных отверстий в аппаратах, работающих под внутренним давлением, определяется по формуле 56
Птах = 8.1 - К) • (60) 1ДС /,* _ ьн действительный коэффициент прочности (23^д~р)6см < ссуда. Независимо от результатов расчета по формуле (60) диа- метр неукрепленного отверстия не должен превышать 0,6 DQH, причем сю абсолютная величина не должна превышать 200 мм. Отверстия, размеры которых D>Dmax> должны быть укреп- лены усиливающими кольцами (одним или двумя), как это показано на рис. 32. Толщину усиливающего кольца при одностороннем укреплении реко- мендуется принимать равной толщине стенки аппарата. Двустороннее укрепление рекомендуется применять при диаметре отверстия более 125 мм. Размеры усиливающих колец приведены в таблице 7. Рис 32. Укрепление технологических отверстий а) одностороннее укрепление б) двухстороннее укрепление ~0,5Р > 4 мм; К - 4-5 мм) 57
О»-.. н, Рвн- <%., мм I j мм ММ ММ 4 6 8 10 12 14 16 h~40 мм h-56 мм 400 362 60 VzzVZ/J /7/ /// (450) | 408 68 У У / г У / / / / УУ/ 500 453 75 У / 7 Уs“ ’’ 1 // у у / ✓ 7~ 1 (550) 498 82 У^/ У у у / /\ .УУУ. У У / У У^/ !_ 600 544 90 у У/ <- У / " ? Г /у / /// У УУ (650) 589 98 700 634 105 у / /' / // S У У У/ 800 725 120 /// 900 815 135 /г s' у^/с. / / / F/ У/i ' / у у / / / 1000 906 150 // / у' / / / //л /^ /уУ^У (1100) 997 165 //S^” S / У/ / /// ^/ у? -/ /. z 1200 1087 180 У^ (1ЗОС) 1178 195 У / / / У у 1400 1268 210 \'//\ с// / У f / у / / ' '—У (1500) 1359 225 / У * 1600 1450 240 ^/ У' /' / У^ ** / у/ у '1 У (1700) 1540 255 у / / ^7 У^ / у / у 1800 1631 270 //л СС// /У У //у. (1900) 1721 285 1 Л//Х//' 2000 1812 300 /L2-ZY7// S yS f У У У 2200 1993 330 ' / / у У У У> // /У [ 2400 2174 * 300 _ / / /, xz/z. Рис 31. Номограмма для определенля толщины стенки и высоты отбор! о в км конических днищ с /т=6(/ [10] Таблица 7. Усиливающие кольца (6=4,5,6,8,10 мм), (по нормалям НИИХИММАШ 115]) Условный диаметр штуцера dv, мм Диаметр отверстия под штуцер d, мм Диаметр усиливающего кольца D, мм 70 80 140 80 93 160 100 112 190 125 137 240 150 163 350 200 225 400 250 279 500 300 331 600 350 383 700 400 432 800 450 482 900 500 535 1000 58
5. ЛЮКИ (ЗАГЛУШКИ) В выпарных аппаратах устанавливают фланцевые заглушки инн люки для осмотра, ремонта и очистки. Конструкция люка (заглуш- । и) зависит от температуры и давления рабочей среды, а также от ма- |сриала аппарата. Для условий Р < 4.0 мН/м2 и температуре t < 250°С приме- няют заглушки типа 1[8]. Основные размеры плоских фланцевых крышек (заглушек) приведены в табл.8, соединение заглушка - фла- нец показано на рис.33. рламие&ая заглушка \ Флаыеи, Рис. 33. Соединение заглушка-фланец Таблица 8. Фланцевые стальные заглушки (по ГОСТ 12836-67). Запл /шка, тип I Фланец, тип I (ГОСТ 1255-67) Ру , м!1/м2 dy ММ d мм h мм Рф ММ D6 ММ мм de мм чис- ло бол- тов h3 ММ 0.25 100 94 12 205 170 108 М16 4 11 0,60 100 94 14 205 170 108 М16 4 15 0,25 125 118 14 235 200 133 М16 8 11 0,60 । 125 118 16 235 200 133 М16 8 17 _ 59
0,25 150 142 14 * 260 225 159 М16 1 8 13 0,60 150 142 16 260 225 159 М16 8 17 0,25 200 196 14 315 280 219 М16 8 15 0,60 1 200 196 16 315 280 219 М16 8 19 0,25 250 244 14 370 335 273 М16 12 18 0,60 250 244 16 370 335 273 М16 12 20 0,25 300 294 16 435 395 325 М20 12 18 0.60 300 294 18 435_ 395 325 h М20 12 20 0,25 350 344 16 485 445 377 М20 12 18 0,60 350 344 - - 18 485 445 377 П\Л20 12 22 0,25 400 390 18 535 495 426 М20 16 18 0.60 400 390 20 535 495 426 М20 16 24 0,25 500 490 20 640 600 530 М20 16 20 0.60 500 490 24 640 600 530 М20 16 25 0,25 600 590 24 /55 705 630 М24 20 20 0,60 600 590 28 ^_755 705 630 М24 20 25 Г 0,25 800 780 30 975 920 820 М24 24 21 0.60 800 г 780_ L 34 ]975 920 820 М24 24 . 27 Примечание: Для Dy<250 мм - hi=3MM и h2 =2мм; для D;=300-500 мм - h1=4MM, 1ъ= Змм; для Dv>600 мм - hi=4MM, h2=3 мм. Условное обозначение заглушки с Dv=50 мм и pv=0,6 мН/м (6 кг/см2): «Заглушка 50-6 ГОСТ 12836-67» Поверочный расчет минимальной толщины h фланцевой за- глушки рекомендуется проводить по формуле (61) где р- расчетное давление в аппарате (мН/м2); аио - допускаемое на- пряжение на изгиб материала заглушки (мН/м2); D6~ диаметр болтовой окружности. Для рабочих условий t < 250°С и ру < 1.6 мН/м2 применяют люки с круглой фланцевой крышкой и откидными болтами, представ- ленные в [10]. 60
ь ОСНОВНЫЕ ШТУЦЕРА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ Перечень основных технологических штуцеров выпарного и пирата приведен на рис. 34. Расчет условного диаметра (J ) шту- ц< ров проводится по уравнению объемного расхода Рис. 34. Основные штуцера выпарного аппарата (№ 1 - для подачи исходного раствора; №2- для вывода упаренного раствора, №3 - для вывода вторичного пара; №4- для ввода греющего пара* Ns 5- для выводе конденсата греющего пара) V —- w ^2) 4 При расчете dv принимают скорость жидкостных потоков и * = 0,5-1 м/с, для паровых потоков - w = 20-30 м/с. Причем скорость коричного пара в последнем корпусе, работающем под вакуумом, может достигать wri=70 м/с и ее можно определить [4] как ’250, м/с Поэтому диаметр штуцера №1 определяется по '11 । V Рнп |> »рмуле 61
4S'L Р11™ж диаметр штуцера №2 d, = d диаметр штуцера №3 d. 4\V ' диаметр штуцера №4 41) диаметр штуцера №5 d (63) (64) (65) (66) (67) где SH. SK - количество исходною и упаренного раствора (кг/с). рн. рк - плотность исходного и упаренного раствора (кг/м*), W D4„=Dkoh0 - расход вторичного и греющего пара (кг/с). р™. ргп - плотность вторич- ного и греющего пара (кг/м3) плотность конденсата греющего пара Лкоид = Ю00 кг/м3 По расчетным значениям d,+ds подбираются [10] нормализо- ванные штуцера с условным внутренним диаметром г/ (ближайшие большие) По значениям j подбираются фланцы на соответствую- щее давление р Следует тлеть в виду что предельный диаметр штуцера из- за условий прочности обечаек зависит от диаметра аппарата Ниже приведены данные предельных значений </ в зависимости от диа- метра аппаоата Оэпп 50С мм 600 (700) BOO (900) 1000 (1100) 1200 (1300) >1400 (до 30001 (d f ММ 250 300 350 400 450 500 500 500 50С т— В таблице 9 приведены основные размеры штуцеров и фланцев для них 62
Примечание Кроме основных штуцеров выпарные ап- параты оборудуются штуцерами дня ус- тановки устройств замера давления (ма- нометров), температур (термопары или др датчики температур), отбора проб, уровня (уровнемеры) и тп Расчет диа- метров этих технологических штуцеров проводится по согласованию с консуль- тантом. Таблица 9 Размеры вварных штуцеров и фланцев на условное давление (р = 0 25 мН/м2 и /> - 0,6 мН/м2 и температуре среды не более 300°С Тип I по ГОСТ 1255-67 (рис 35) мН.'ы’ с/. мм ММ /Л мм 7> ММ ММ Л UM ММ число бол- тов Z н мм 1 2 4 5 6 7 J 8 9 10 0 25 10 14 35 50 75 6 МЮ 4 • 0,60 10 14 35 50 75 10 мю 4 - 0 25 15 18 40 55 80 8 мю 4 130 060 15 18 40 55 80 10 мю 4 130 0 25 20 25 50 65 90 Т ю мю 4 140 | 0 60 г 20~1 25“П 50 65 90 12 мю 4 п 140 0.25 25 32 6С 75 ЮС 10 мю 4 140 0 60 25 32 60 75 100 12 М12 4 . Г 140 0.25 32 Г 38 75 90 120 10 М12 4 150 0,60 32 35 70 9С 120 ’3 М12 4 150 0.25 40 45 ; 80 •оо 130 10 М12 4 150 0,60 40 45 80 100 130 13 М12 4 Г150 0.25 50 l37 90 110 140 -о М12 4 150 0 60 50 57 90 110 14Q 13 М12 4 150 9.25 65 76 110 130 160 '.1 М16 4 150 5.60 65 76 110 130 160 13 М16 4 150 0 25 80 89 128 150 185 11 МЮ 4 160 0 60 во 89 126 150 185 15 М16 4 I60 0 25 100 •08 148 170 205 11 Ml 6 4 160^ 0 60 100 108 148 170 205 15 М16 | 4 160 0 25 ’25 133 178 200 235 11 Ml 6 8 175 0 60 125 133 I 178 200 235 Г"',7 Ml 6 8 175 0*1 150 159 | 202 225 260 13 мю 8 175 63
0,60 150 159 202 225 260 1 ( М16 8 175 0,25 200 219 258 280 315 15 М16 8 190 0,60 200 219 258 280 315 19 М16 8 190 0,25 250 273 312 335 370 18 М16 12 200 ’ 0,60 250 273 312 335 370 20 М20 12 200 0,25 зосГ^ 325 365 395 435 18 М20 12 220 0,60 300 325 365 395 435 20 М20 12 220 0,25 350 377 425 445 485 18 М20 12 220 0.60 350 377 415 445 485 22 М20 12 220 0.25 400 426 465 495 535 18 М20 16 235 0.60 400 426 465 495 535 24 М20 16 235 0,25 500 530 570 600 640 20 М20 16 250 0.60 500 530 570 600 640 25 М20 16 250 0.25 600 630 670 705 755 20 М24 20 - г 0,60 600 630 670 705 755 25 М24 20 - 0,25 800 820 880 920 975 21 М27 24 * 0,60 800 820 880 920 975 27 М27 24 0,30 900 - - L 990 1030 30 М20 36 - 0,60 900 '990 1030 44 М20 36 * 0.30 1000 - * 1090 1130 32 М20 40 - 0,60 1000 - - 1090 г 1130 48 М20 44 - 0,30 , 1200 - - 1295 1335 32 М20 44 - 0,60 1200 - - 1295 1335 54 М20 44 - 0,30 1400 - • 1495 1535 38 М20 52 - 0,60 1400 - — 1495 1535 62 М20 52 — 0.30 1600 - *- 1700 1740 42 М20 60 - 0,60 1600 - •• 1700 1740 70 М20 60 - 0,30 1800 - - 1900 1940 48 М20 68 - 0.60 1800 - - 1900 1940 82 М20 68 - 0,30 2000 - - 2100 2140 58 М20 72 - 0,60 2000 - - 2100 2140 j_90 М20 72 - 0,30 2200 - * 2310 2350 58 ' М20 80 - 060 2200 - * 2310 2350 92 М20 80 - 0,30 2400 * - 2510 2550 62 М20 88 - __0.,60_ 2400 1 ~ - 2510 2550 102 М20 88 7.ПЕРЕЧЕНБ НЕКОТОРЫХ СТОЙКИХ КОНСТРУКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ [10] 64
вещество концентра- ция % температура °C рекомендуемый материал СаС12 насыщен- ный раствор кип Х18Н10Т, фторо- пласт, пластикат ПВХ КОН 20-50 20-1 кип Х18Н10Т, паронит, фторопласт, асбо- картон KOI насыщен- ный раствор кип Х17Н13М2Т, X17H13M3T, вини- пласт К .СО. растворы 20 -1 кип Х18Н10Т, ОХ13, винипласт, фторопласт KNO. любая 20 -1 кип Х18Н10Т, ОХ13, винипласт, фторопласт М^СЦ 42 135 2X13, Х18Н10Т, Х15Н9Ю фторо- пласт, пластикат ПВХ MgSO. 10 насыщен- ный раствор 60 20 Х18Н10Т Х18Н10Т, винипласт, фторопласт NaOH * 30-40 100 ОХ21Н5Т, Х18Н10Т, паронит, резина техн., винипласт, асбокартон щелоч- ностойкий NaCl ~ъ 20 1 кип ОХ21Н5Т, Х18Н1 ОТ(точечная коррозия), пластикат ПВХ NaNO. любая 20-/ кип ОХ13, Х18Н10Т, фторопласт К a. SO, л.» » 5-50 кип Х18Н10Т, Х17Н13М2Т, фторо- пласт, винипласт Na.CO. насыщен- ный раствор С.п 0X13, Х18Н10Т, фторопласт _ 65
CuSO, любая 20--/ кип 0X13, 0X21Н5Т, Х18Н10Т, фторо- пласт, полиизобути- _ лен ПСГ NH,NO. 60 Н————- кип ОХ21Н5Т.Х18Н10Т, фторопласт, поли- изобутилен ПСГ NH.Cl 25 / { кип кип ОХ21Н6М2Т, фторо- пласт, полиизобути- лен ПСГ (NH4)2SO4 любая 20 —t кип 0X21Н5Т, Х18Н10Т, фторопласт, вини- пласт, платикат ПВХ В таблице представлены марки сталей, для которых химиче- ская проницаемость (коррозия) П< 0,1 мм/год 8. ТИПЫ СВАРКИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЕ Сварные аппараты, к которым относятся выпарные аппара- ты, изготавливают из углеродистых сталей. Углеродистая сталь (Cm 3 и др.) применяют для аппаратов, работаю- щих до 5 мН/м2 и при температурах, менее 475°С. Углеродистые стали Рис. 35 Приварной штуцер Условное обозначение штуцера РУ~С,25 мН/Р, dv-100 мм из стали 0X13 высотой Н-160 мм «Штуцер 2 5-100-160-0X13 МН 4579-63» Условное обозначение штуцера типа I Ру-0,25 мН/м2, dy-100 мм из стали 0X13 «Штуцер 2,5-100-0X13 ПОС Г1255-67» недостаточно коррозионностойкие. Для большинства рас- 66
। поров химическая проницаемость в них (коррозия) превышает П > 0,1 мм/год. Высоколегированные стали с повышенным содержанием ни- юпя (стали 12Х18Н10Т, 0Х18Н10Т) обладают высокой химической • юйкостью. Их применяют в широком интервале температур: от - .'53*С до +600°С. Наиболее коррозионностойкие - хромоникельмолибденовые < шли 10Х17Н13М2Т и 10X17H13M3T. В особо тяжелых условиях применяют стали (сплавы) с вы- c.оким содержанием легирующих добавок. Например, сплав ЛЗХН28МДТ устойчив в серной кислоте любой концентрации: никель - молибденовый сплав Н70МФ устойчив во многих агрессивных средах, в юм числе - в горячей соляной кислоте. В целях экономии дорогостоящих легированных сталей ис- пользуют листовой прокат (биметаллический лист), состоящий из двух юмогенно соединенных слоев: толстого основного слоя из углероди- сгой стали (в этом случае толщина листа компенсирует напряжения, вызванные рабочим давлением) и тонкого (плакирующего) из легиро- ванной стали - для противодействия коррозии Толщина плакирующе- 1о слоя - не менее 2 мм. Максимальные температуры среды для би- металла - не более 450°С (при более высоких температурах возмож- но расслоение биметаллических слоев). Следует отметить, что для (ильно коррозирующих сред двухслойные стали применяют редко, т.к. при сварке ухудшается коррозионная стойкость биметалла. При сварке сосудов и аппаратов используют стыковые швы (рис. 36а), как наиболее надежные и доступные контролю. Соединения втавр (рис. 366) и угловые (рис.Збв) швы приме- няют для приварки фланцев и трубных решеток. Сварку внахлест (рис.36г) используют только при изготовле- нии больших резервуаров. Во всех случаях, когда доступна внутренняя поверхность < к'нки, используют двусторонний сварной шов, как наиболее надеж- ный. Поэтому конструкция аппарата должна обеспечивать удобный доступ для проведения двусторонней сварки и дальнейшей проверки •то в период эксплуатации аппарата. Сварные соединения корпуса аппарата не должны перекры- н.н ься опорами, косынками и другими приварными элементами конст- рукции Перекрещивание сварных швов не допускается. Располагать •ннерстия на сварных швах также не допускается. Возможна сварка углеродистых сталей с кислотостойкими (легиро- (|.1нными). Например, лапы из углеродистой стали приваривают к и.и.кадке из легированной стали. Накладку, в свою очередь, прива- ривают к корпусу аппарата. Кольцевые опоры и рубашки из углеро- 67
Рис 36. Виды сварных швсв диетой стали приваривают к корпусу (легированная сталь) с помощью промежуточных колец из кислотостойкой стали. При сварке двухслойной стали сначала сваривают основной слой, а затем - соответствующими электродами - плакирующий. Если стенка из углеродистой стали соединена с фланцами, выполненными из основного (нелегированного) материала, то фланец 2 (рис.37) может быть защищен накладкой 1 из легированной стали. При изготовлении стальной аппаратуры применяют следую- щие виды сварки: автоматическая и полуавтоматическая под слоем флюса; ручная электродуговая; электрошлаковая: аргоно-дуговая (для высоколегированных сталей): газовая (ацетиленовая). Автоматическая и полуавтоматическая сварка является ос- новными видами сварки для труб и обечаек корпусов аппарата Руч- ная сварка применяется при изготовлении трубных узлов, внутренних устройств аппаратов, опорных конструкций. Сварные швы (рис. 36) подразделяются на виды: а) стыковые, обозначаемые буквой «С»; б) угловые, обозначаемые буквой «У»; в) тавровые, обозначаемые буквой «Т»; г) внахлестку, обозначаемые буквой «Н». 68
Рс/с. 37 Фланец аппарата из биметалла, защищенный накладкой Структура условного обозначения стандартного шва по ГОСТ 2 312-72 достаточно сложна, она используется в конструкторской до- кументации машиностроительных заводов. При выполнении курсового проекта рекомендуется упрощен- ное изображение сварных швов на деталировках. Пример изображе- ний сварки на деталировке показан на рис 38 Рис 38. Изображение сварных швов на деталировках раницы шва изображают сплошными основными линиями, а конструктивные элементы кромок в границах шва - сплошными тонкими линиями) Обозначение О - шов по замкнутой линии, диаметр знака 3-5 мм 69
ЛИТЕРАТУРА 1. Гельперин Н.И Выпарные аппараты. - М.-Л.: ГНТИхим. литер., 1947. 2. Колач Т.А., РадунД.В. Выпарные станции. - М.: Машгиз., 1963. 3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической техно- логии. - М.: ГНТИхим. литер., 1960. 4. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической тех- нологии. - М.: Химия, 1981. 5. Основные процессы и аппараты химической технологии /под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1960. 6. Дытнерский Ю.И Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1992. 7. ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые. 8. Каталог УкрНИИХИММАШ. Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. - М., 1979. 9. Новобратский ВЛ., Васильев Б.В./под ред НИ. Гельперина. Ме- тодические указания для самостоятельной подготовки студентов по конструкции выпарных аппаратов. - Л.: РИО ЛТИ, 1986. 10. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и рас- чета химической аппаратуры. - Л.: Машиностроение, 1970. 11. Физические величины / Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 12. Марочник сталей и сплавов / под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Маши- ностроение, 1989. 13. Исаченко ВП., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. 14. Павлов К.Ф.. Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М -Л.: Хи- мия, 1970. 15. Нормали НИИХИММАШ. 16. Окна смотровые для аппаратов из углеродистой стали и кислото- стойкой стали. Типы и основные размеры. Основная нормаль. Глав- химмаш MX 60-56. - М., 1956. 70
Б Г.Варфоломеев, В.В.Карасев КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ. Учебное издание Гл. редактор В.Д.Капкин Компьютерная верстка ЛР № 020816 от 20.09.93 Подписано в печать*^ Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 3.5 Тираж 150 Заказ № Издательско-полиграфический центр МИТХТ. 117571 Москва, пр.Вернадского 86. Гарнитура Arial Cur. Печать офсетная. 71