Расчет и проектирование аппарата выпарного с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

                                                                                                                                                  

СОДЕРЖАНИЕ

 

Задание на проект                                                                                                    2

Введение                                                                                                                   3

1.Технологическая схема и ее  описание                                                               6          

2.Расчет  выпарной установки                                                                                8

2.1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов                8

2.1.1 Концентрации упариваемого раствора                                                         8          

2.1.2 Температуры кипения растворов                                                                 9

2.1.3 Полезная разность температур                                                                    13

2.1.4 Определение тепловых нагрузок                                                                13

2.1.5 Расчет коэффициентов теплопередачи                                                       15

2.1.6 Распределение полезной разности температур                                         20

2.1.7 Уточненный расчет поверхности теплообмена                                         22

2.2Определение толщины тепловой изоляции                                                   24

2.3 Расчет барометрического конденсатора                                                        25

2.3.1 Расход охлаждаемой воды                                                                           26

2.3.2Диаметр конденсатора                                                                                  26

2.3.3 Высота барометрической трубы                                                                 27

2.3.4 Расчет производительности вакуум-насоса                                               28

2.4 Подбор подогревателя исходной смеси                                                        28                                               

Заключение                                                                                                             30                  

Список литературы                                                                                               31        

 

 

                                 Задание на проект

Спроектировать трехкорпусную  выпарную установку для концентрирования G_н=5000 кг/ч (1,39 кг/с) водного раствора CaCl₂ от начальной концентрации   x_н = 10 % до конечной x_к = 37 % при следующих условиях:

1. Обогрев производится насыщенным водяным паром давлением      P_г1 = 1МПа;
2. Давление в барометрическом конденсаторе P_бк = 0,01 Мпа;
3. Выпарной аппарат – трубчатый с естественной циркуляцией, с вынесенной греющей камерой;
4. Взаимное направление пара и раствора – прямоток;
5. Отбор экстрапара не производится;
6. Раствор поступает в первый корпус подогретым до температуры кипения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   Введение

Выпариванием называется концентрирование растворов практически  нелетучих или мало летучих веществ  в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых  веществ (водные растворы щелочей, солей  и др.), а также высококипящие  жидкости, обладающие при температуре  выпаривания весьма малым давлением  пара, — некоторые минеральные  и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Получение высококонцентрированных  растворов, практически сухих и  кристаллических продуктов облегчает  и удешевляет их перевозку и хранение.

Тепло для выпаривания можно  подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев  в качестве греющего агента при выпаривании  используют водяной пар, который  называют греющим или первичным.

Первичным элементом служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании  кипящего раствора, называется вторичным. Тёпло необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производства концентрированных растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора стопочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и  атмосферном давлениях. Выбор давления, связан со свойствами выпариваемого  раствора и возможностью использования  тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет  определённые преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании под  вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких pa6очих параметров: температура и давление. Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

Применение вакуума  дает возможность использовать в  качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при  применении вакуума удорожается  выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под  давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд, несвязанных с процессом выпаривания.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстрапаром. Отбор  экстрапара при выпаривании под  избыточным давлением позволяет  лучше использовать тепло, чем при  выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под  атмосферным давлением вторичный  пар не используется и обычно удаляется  в атмосферу. Такой способ выпаривания  является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание, под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т.е. создать, необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

В химической промышленности применяются  в основном непрерывно действующие  выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а иногда используют выпарные аппараты периодического действия. Концентрация раствора в таком аппарате приближается к вырабатываемой лишь в конечный период процесса. Поэтому средний коэффициент теплопередачи здесь может быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, где концентрация раствора ближе к конечной в течение всего процесса выпаривания.

                    1.Технологическая схема и ее описание

В современных выпарных установках выпариваются очень большие  количества воды. В однокорпусном  аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процессы в многокорпусной выпарной установке. Принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 1.

Рис. 1 Многокорпусная прямоточная  вакуум-выпарная установка.

1 – 3 – корпуса выпарной установки, 4 – подогреватель, 5 – конденсатор  барометрический, 6 – ловушка, 7 – вакуум-насос.

Установка состоит из нескольких (в данном случае трёх) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом

Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный  в. первом корпусе, перемещается самотеком  во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарение  раствора.

 

 

 

                2. Расчет выпарной установки

2.1 Определение  поверхности теплопередачи выпарных  аппаратов

Поверхность теплопередачи  каждого корпуса выпарной установки  определяется по основному уравнению  теплопередачи:

                                                   

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δt_i необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

Первое приближение

Производительность установки  по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса:

W = G_н (1 – x_н/x_к)                                        

Подставив, получим:

W = 1,39(1 – 10/37) = 1,39(1- 0,27) = 1,39 ∙ 0,73 = 1,0147 кг/с.

2.1.1 Концентрации упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит  от соотношений нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

;                                   

Тогда:

w₁ = 1,0W/(1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,0W/3,3 = 1,0∙1,0147/3,3 = 0,31 кг/с;       

w₂ = 1,1W/(1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,1W/3,3 = 1,1∙1,0147/3,3 = 0,34 кг/с;       

w₃ = 1,2W/(1,0 + 1,1 + 1,2) = 1,2W/3,3 = 1,2∙1,0147/3,3 = 0,37 кг/с;       

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

% или 12,9 %;            % или 18,8 %;       %          или  37,6%;         

 Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .