Тема: Проектирование выпарной установки

Стр 1 из 4Следующая ⇒

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: Проектирование выпарной установки

Вариант №16

Студент: __________________ Зиновьев И.Н.

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Руководитель:

доц. ______________ Е.И. Борисова

(должность) (подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Оценка: __________________ ___________________

(подпись руководителя)

Санкт-Петербург

Оглавление

Введение. 3

1 Аналитический обзор. 5

2 Цели и задачи проекта. 9

3 Технологическая часть. 10

4 Инженерные расчёты. . 11

4.1 Расчёт выпарного аппарата. 11

4.1.1 Температурный режим выпарного аппарата. 11

4.1.2 Уравнение материального баланса процесса выпаривания. 13

4.1.3 Тепловой баланс выпарного аппарата. 13

4.1.3.1 Расчет расхода теплоты на нагрев. 14

4.1.3.2 Расход теплоты на испарение. 14

4.1.3.4 Определение расхода греющего пара в выпарном аппарате. 15

4.1.4 Расчет поверхности теплообмена выпарного аппарата. 16

4.1.5 Выбор аппарата по каталогу. 20

4.2 Расчёт холодильника упаренного раствора. 22

4.2.1 Определение средних температур теплоносителей. 22

4.2.1.1 Тепловой баланс холодильника. 22

4.2.2 Ориентировочный расчёт и выбор холодильника. 24

4.3 Расчёт барометрического конденсатора. 27

4.3.1 Расчёт расхода охлаждающей воды.. 27

4.3.2 Расчёт диаметра барометрического конденсатора. 27

4.3.3 Расчёт высоты барометрической трубы.. 28

4.4 Расчёт производительности вакуум – насоса. 30

4.5 Расчёт подогревателя исходного раствора. 32

4.5.1 Определение средних температур теплоносителей. 32

4.5.2 Тепловой баланс подогревателя. 33

4.5.3 Ориентировочный расчёт подогревателя. 33

4.5.4 Выбор подогревателя исходного раствора. 34

Выводы по курсовому проектированию. . 40

Литература. 42

Приложение A. . 43

Введение

В данной работе стоит задача спроектировать установку для выпаривания раствора.

Выпариванием называется процесс концентрирования жидких растворов твёрдых нелетучих веществ путём частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпариванию в основном подвергаются водные растворы щелочей, солей, а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих малым давлением пара при температуре выпаривания. Концентрированные растворы и твердые вещества, полученные после выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать в дальнейшем.

Чтобы нагреть выпариваемый раствор до температуры кипения чаще всего используют водяной пар. Его называют греющим, или первичным паром, а пар, который образуется при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Обычно через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора, подводится тепло для выпаривания. Но в некоторых производствах концентрирование растворов осуществляется при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Выпаривание происходит под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. При выборе давления смотрят на свойства выпариваемого раствора и на возможность использования вторичного пара в качестве теплоносителя.

В химической технологии распространены выпарные аппараты поверхностного типа, а именно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией и кипением раствора в трубах. В таком аппарате циркуляция раствора происходит из-за различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор поднимается по трубам, нагревается и при подъеме вскипает. Образуется парожидкостная смесь, которая направляется в сепаратор, где разделяются жидкая и паровая фазы.

Вторичный пар проходит через сепаратор и брызгоотделитель и тем самым освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

Такие аппараты хороши тем, что в них облегчается очистка поверхности от отложений, потому что доступ к трубам легко осуществим, когда открыта верхняя крышка греющей камеры.

Таким образом, выпаривание является одним из самых важных элементов оборудования в любом промышленном производстве. В большинстве случаев от правильности расчета выпарной установки зависит не только качество выпускаемой продукции, а так же экономические затраты на обслуживание всего оборудования.

Аналитический обзор

Устройство выпарных аппаратов

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов), по её расположению в пространстве (аппараты с горизонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной, или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией.

Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.

В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.

Далее будут подробно рассмотрены наиболее распространённые конструкции аппаратов.

Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией

В таких аппаратах выпаривание происходит при многократной естественной циркуляции раствора. Они распространены в промышленности, потому что обладают особыми преимуществами по сравнению с другими типами.

Во-первых, такие аппараты улучшают теплоотдачу к раствору при его многократно организованной циркуляции в замкнутом контуре, который уменьшает скорость отложения накипи на поверхности труб. Во-вторых, как правило, эти аппараты компактны, занимают небольшую производственную площадь, а также удобны для осмотра и ремонта. Ниже будет рассмотрено, что развитие конструкции таких аппаратов происходит по направлению усиления естественной циркуляции, которая возможна с помощью увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и паро-жидкостной смеси в подъёмной части контура. Это достигается при:

- увеличении высоты кипятильных (подъёмных) труб и повышении интенсивности парообразования в них, чтобы уменьшить плотность парожидкостной смеси, которая образуется из кипящего раствора.

- улучшении естественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающаяся в ней жидкость имела большую плотность.

- поддержании в опускной трубе определённого уровня жидкости, который необходим для уравновешивания столба паро-жидкостной смеси в подъёмных трубах, когда задана скорость её движения.

Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой

В нижней части вертикального корпуса расположена нагревательная камера, состоящая из двух трубных решёток, в которых развальцованы кипятильные трубы (длиной 2-4 м) и циркуляционная труба большего диаметра, установленная по оси камеры. Греющий пар подается в межтрубное пространство.

В аппарат над верхней трубной решёткой поступает раствор и опускается вниз по циркуляционной трубе, затем поднимается по кипятильным трубам и на определенном расстоянии от их нижнего края начинает вскипать. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство, где посредством брызгоуловителя, который меняет направление движения потока пара, под действием инерционных сил отделяется унесённая им влага, затем вторичный пар удаляется через штуцер, находящийся сверху аппарата.

Упаренный раствор в качестве промежуточного или конечного продукта удаляется через нижний штуцер конического днища аппарата. Циркуляция раствора в аппарате происходит по причине разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и паро-жидкостной смеси в кипятильных трубах. Это обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы зависит линейно от её диаметра, а объём жидкости в трубе пропорционален квадрату её диаметра. Таким образом, парообразование в кипятильных трубах протекает интенсивнее, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В итоге обеспечивается естественная циркуляция, которая улучшает теплопередачу и препятствует образованию накипи на поверхности теплообмена.

В аппаратах данной конструкции циркуляционная труба обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси, это может привести к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Также недостатком является жёсткое крепление труб, которое не допускает значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

Аппараты с выносными циркуляционными трубами

Естественную циркуляцию раствора можно усилить, если раствор на опускном участке циркуляционного контура будет охлаждаться. Тем самым увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами. Если циркуляционные трубы расположены вне корпуса аппарата, то диаметр нагревательной камеры уменьшают по сравнению с камерой аппарата, а циркуляционные трубы компактно размещают вокруг нагревательной камеры.

Такие конструкции немного сложнее, но в них достижима более интенсивная теплопередача и уменьшен расход металла на 1м² поверхности нагрева, если сравнить с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

Аппараты с выносной нагревательной камерой

Если размещать нагревательную камеру вне корпуса аппарата, то возможно повышать интенсивность выпаривания не только за счёт увеличения разности плотностей жидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но также и при увеличении длины кипятильных труб.

Длина кипятильных труб может достигать 7м. Аппарат работает при более интенсивной естественной циркуляции, потому что циркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагревательная камера может быть легко отсоединена от корпуса аппарата, это облегчает и ускоряет её очистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить, не останавливая аппарат (а лишь снизив его производительность), при присоединении к его корпусу двух нагревательных камер.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решётку нагревательной камеры и, постепенно поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе, затем смешивается с исходным раствором и цикл повторяется заново. Вторичный пар, который прошёл брызгоуловитель, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается с помощью бокового штуцера в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в данном типе аппарата может достигать 1, 5 м/с, тем самым можно выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, избежав слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Из-за универсальности, удобства эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа широко распространены.

Аппараты с вынесенной зоной кипения

При скоростях 0, 25-1, 5 м/с, с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, сложно избежать отложения твёрдых осадков на поверхности теплообмена. Из-за этого нужно время от времени останавливать аппарат для очистки, что приводит к снижению производительности и увеличению стоимости эксплуатации.

В аппаратах данного типа выпариваемый раствор поступает снизу в нагревательную камеру, поднимается по трубам (длиной 4-7м) вверх и нагревается, но закипания не происходит вследствие гидростатического давления. Затем после выхода из кипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубку вскипания, которая установлена над нагревательной камерой в нижней части сепаратора. Из-за низкого давления в этой трубе раствор закипает и парообразование происходит вне зоны нагрева.

Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора. Вторичный пар проходит отбойник и брызгоуловитель и удаляется сверху аппарата. Исходный раствор может поступать в нижнюю часть аппарата (под трубную решётку нагревательной камеры) или сверху в циркуляционную трубу.

Посредством значительной поверхности испарения, создаваемой в объёме кипящего раствора, и частичного самоиспарения капель, уносимых вторичным паром, значительно снижен брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, это уменьшает отложение накипи.

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

Области применения выпарных аппаратов

Основные требования, предъявляемые к любой конструкции выпарного аппарата: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при наименьших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, лёгкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Выбор конструкции и материала аппарата определяется в каждом отдельном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Далее приведены области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~8·10^-3Па·с, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них эффективными являются аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка ~0, 1 Па·с, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Цели и задачи проекта

Целью работы является освоение методики расчета и проектирования выпарной установки, при этом решаются следующие задачи:
- проектирование технологической схемы установки;
- расчет выпарного аппарата;
- расчет холодильника;
- расчет подогревателя исходного раствора;
- расчет барометрического конденсатора.

Технологическая часть

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водного раствора карбоната натрия

Исходный раствор NAOH подается в подогреватель, представленный теплообменником типа «труба в трубе» П, где нагревается греющим паром.

Выпарной аппарат состоит из теплообменного устройства – нагревательной (греющей) камеры и сепаратора. Греющая камера обогревается греющим паром, поступающим в её межтрубное пространство. Конденсат греющего пара отводится через конденсатоотводчик из нижней части аппарата. Освобождённый от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора. Вакуум в выпарном аппарате АБ создаётся барометрическим конденсатором.

Концентрированный раствор после выпарного аппарата поступает в холодильник, представленный теплообменником типа «труба в трубе» Х, где охлаждается водой до определенной температуры.

Затем концентрированный раствор отводится в вакуум сборники СВ1-2, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере их заполнения).

Рисунок 1 – Технологическая схема

Инженерные расчёты

Расчёт выпарного аппарата

Расход теплоты на испарение

Q_исп= W*(i”_вт.п – c_воды*t_кон), (14)

где i”_вт.п - удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t₁, (Дж/кг) [2], c.550;

i”_вт.п= 2632+ *10³(Дж/кг)

c_воды - удельная теплоёмкость воды при t_кон, ( Дж/(кг*К)).

Для этого рассчитаем удельную теплоёмкость воды с_воды при температуре t_кон(Приложение А.3):

с_в = 4224+2, 476·80, 7·log( ) = 4205, 3 (Дж/кг·К)

Тогда по формуле (14):

Q_исп= 1, 94*( *10³–4205, 3 *80, 7) = 3, 54*10^{6 (}Вт)

Выбор аппарата по каталогу

Произведём выбор аппарата по каталогу [3], с.183. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности F_зап.

F_зап= 1.1 ·174, 915 = 209, 898 (м²)

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой. Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплоотдачи 224(м²).

Таблица 1 – Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 11987 – 81)

F, м²	D, мм, не менее	D₁, мм, Не более	D₂, мм, Не более	H, мм, Не более	M, кг, Не более
l=5000 мм

F – номинимальная поверхность теплообмена;

D – диаметр греющей камеры;

D₁ – диаметр сепаратора;

D₂ – диаметр циркуляционной трубы;

H – высота аппарата;

M – масса аппарата;

Примечания.

1 – Высота парового пространства H₁- не более 2500 мм

2 – Условное давление в греющей камере от 0, 014 до 1, 0 Мпа, в сепараторе от 0, 0054 до 1, 0 Мпа.

3 – Диаметр трубы d = 38x2 мм

Расчёт количества элементов

Определим число элементов n:

n = 5, 57/0, 89= 6, 25

Принимаем:

n = 7

4.4.2 Подробный расчет холодильника

Коэффициенты теплоотдачи для конечного и исходного растворов определим из критериальной зависимости, полученной для теплоотдачи при развитом турбулентном течении в прямых трубах и каналах [6]:

где критерий Нуссельта, который можно рассчитать по следующей формуле:

По таблице 4.3 [6] значение поправочного коэффициента , учитывающего влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы к ее диаметру ( ), принимаем равным единице.

критерий Прандтля, равный:

где параметры теплоносителя при его средней температуре.

критерий Прандтля, равный:

где параметры теплоносителя при температуре стенки.

Для того чтобы определить значение критерия Прандтля для конечного и исходного растворов, необходимо рассчитать их теплопроводность при их средней температуре.

Теплопроводность конечного раствора при и рассчитывается по формулам (32) и (31):

Теплопроводность исходного раствора при и рассчитывается по формулам (32) и (31):

Зная параметры теплоносителей при их средних температурах вычислим критерий Прандтля (67):

Как и для ВА, задача определения коэффициентов теплоотдачи решается методом последовательных приближений. Для этого соотношение (65) приводят к виду:

где коэффициент, равный:

Для концентрированного раствора:

Для исходного раствора:

Для определения коэффициентов теплоотдачи методом последовательных приближений воспользуемся следующим алгоритмом:

1) Задать значение температуры стенки со стороны концентрированного раствора и значение температуры стенки со стороны исходного раствора .

2) Определить вязкость, теплопроводность и теплоемкость для концентрированного и исходного растворов при температурах стенок.

3) По формуле (67) рассчитать критерий Прандтля для концентрированного и исходного растворов , при температурах стенок.

4) По формуле (69) определить коэффициенты теплоотдачи для концентрированного и исходного растворов и .

5) Определить коэффициент теплопередачи по следующей формуле:

где термическое сопротивление стенки со стороны концентрированного раствора, ;

термическое сопротивление стенки трубки, ;

термическое сопротивление стенки со стороны исходного раствора, ;

По таблице 31 [6] принимаем .

6) Найти поверхностные плотности тепловых потоков по формулам:

7) Определить расхождение плотностей тепловых потоков:

8) Если расхождение тепловых потоков более 5% необходимо определить температуры стенок по следующим уравнениям:

В первом приближении температуру стенки со стороны конечного раствора можно принять , со стороны исходного .

1) , .

2) Определим вязкость, теплопроводность и теплоемкость для концентрированного и при температуре стенки и :

Рассчитаем вязкость по формулам (35) и (34):

Рассчитаем теплопроводность по формулам (32) и (31):

Рассчитаем теплоемкость по формулам (19) и (18):

Аналогично для исходно раствора при и :

3) Определим критерий Прандтля (67) при температурах стенок для концентрированного и исходного растворов:

4) По формуле (69) рассчитаем коэффициенты теплоотдачи для концентрированного и исходного растворов:

5) Зная коэффициенты теплоотдачи, по формуле (70) определим значение коэффициента теплопередачи:

6) Найдем поверхностную плотность теплового потока от концентрированного раствора к стенке (71):

Найдем поверхностную плотность теплового потока от стенки к исходному раствору (72):

Найдем поверхностную плотность теплового потока от концентрированного раствора к исходному раствору (73):

7) Определим расхождение плотностей тепловых потоков (74):

Расхождение тепловых потоков менее 5%, следовательно, требуемая точность достигнута, и расчет коэффициента теплопередачи окончен: .

По формуле (61) площадь поверхности теплообмена равна:

Поверхности теплопередачи принято принимать с запасом 20-30%, что дает следующее значение:

Определим количество элементов:

Проанализировав данные подробного расчета, можно сделать вывод, что выбранный ранее теплообменник типа «труба в трубе» удовлетворяет нашему расчету.

Литература

1 А. Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. 8-е издание. М.: Химия, 1971. – 784 с.

2 П. Г. Романков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для ВУЗов, 10-е издание. Л.: Химия, 1987. - 576 с.

3 Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию /Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е издание. М.: Химия, 1991. - 496 с.

4 Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Методические указания /ЛТИ им. Ленсовета. – Л.: 1989.40 с.

5 Марков А.В., Маркова А.В. Неразборные теплообменники “труба в трубе” (конструкция и основные размеры): Метод. указания /СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2001. – 30 с.

Приложение A

Физические свойства водного раствора NaOH

в зависимости от температуры t(°С) и концентрации x(кг щелочи /кг раствора).

(Расчётные формулы).

t = (0¸ 200) °С.

1. Плотность r, (кг/м³):

lgr= lgρ ₀ + (а₀+ а₁·t + а₂·t²)·x,

где r₀ – плотность воды, (кг/м³); а₀= 0, 393743 а₁= 0, 00037031; а₂= -0, 0000027164.

ρ ₀ = 1000 – 0.062·t – 0.00355·t².

2. Динамический коэффициент вязкости m, (Па с):

lg μ = lg μ ₀ + (d₀+ d₁·t + d₂·t²)·x,

где m₀ – вязкость воды, (Па с); d₀= 3, 4789, d₁= -122.35 10^-4, d₂= 544, 64 10^-9.

m₀= 0.59849 (43.252 + t)^-1.5423.

3. Удельная теплоёмкость С_р, (Дж/(кг К)):

C_р= C_р0+ (В₁+ В₂ x + В₃ t + В₄ t²) x,

где C_р0- удельная теплоёмкость воды, (Дж/(кг К)); В₁ = 5297, 21, В₂ =6942, 1, В₃ =14, 84,

В₄ = -14, 15 10^-3.

C_р0= 4223.6 + 2.476 t lg(t/100).

4. Коэффициент теплопроводности l, ( Вт/(м К)):

l = l₀ (1 - b x),

где l₀– коэффициент теплопроводности воды, (Вт/(м К)); b= -0.12884.

l₀= 0.5545 + 0.00246 t - 0.00001184 t².

5. Температура кипения t_кип, (°С):

t_кип= (1669.6 / (10.0888 – lg(P) + lg(a·x² + b·x + 1) )) – 228.4,

где Р – давление, (Па); а = -1, 4, b = -0.982.