Проектирование вакуум-выпарной установки
федеральное государственное
бюджетное образовательное
высшего профессионального
«Санкт-Петербургский
государственный
УГС
Направление подготовки 240100 Химическая технология
Факультет
Кафедра Процессов и аппаратов химической
Учебная дисциплина Методы расчета процессов и аппаратов
Курс 4
Тема_Проектирование вакуум-выпарной установки
Студент
Руководитель,
доцент
Оценка за курсовую
работу ____________
(подпись руководителя)
Задание на проектирование
Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания водного раствора NH4NO3. Производительность по исходному раствору 10т/ч, концентрация исходного раствора – 3%(масс.), концентрированного раствора – 12 %(масс.). Избыточное давление греющего пара 0.2 МПа. Исходный раствор с температурой 200 С. перед подачей в выпарной аппарат подогревается греющим паром в подогревателе. Концентрированный раствор после выпарного аппарата охлаждается в холодильнике до температуры 250 С. Начальная температура охлаждающей воды 150 С.
Перечень инженерных расчетов
Расчет и выбор по каталогу выпарного аппарата, холодильника концентрированного раствора, подогревателя исходного раствора, барометрического конденсатора с барометрической трубой, вакуум-насоса.
Дополнительные указания
1. Выполнить подробный
расчет греющей камеры
2. Выполнить ориентировочный
расчет теплообменных аппаратов
(подогревателя исходного
Содержание
1 Введение
2 Сравнительная характеристика аппаратов для данного процесса 5
2.1 Особенности выпаривания раствора NH4NO3 10
2.2 Основные зависимости и расчетные
формулы:
2.2.1 Расчет выпарного аппарата
2.2.2 Расчет барометрического конденсатора смешения 15
2.2.3 Расчет вакуум-насоса
2.2.4 Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов 16
3 Расчет:
3.1 Технологическая схема
установки
3.2 Расчет выпарного аппарата
3.3 Расчет барометрического
3.4 Расчет вакуум-насоса
3.5 Ориентировочный расчет
3.6Ориентировочный расчет холодильника
концентрированного раствора
3.7 Выводы
Приложение:
Литература
1 Введение
За последние десятилетия развитие химической технологии привело к появлению принципиально новых процессов, что поставило химическую технологию на качественно более высокий уровень. В этом отношении весьма перспективным является развитие вычислительной техники, которая создает невиданные до недавнего времени возможности для исследования, моделирования и расчета процессов и аппаратов химической технологии.
К числу наиболее распространенных процессов относится выпаривание. Это объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, едкий калий, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.
Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.
Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде.
В качестве примера выпаривания с выделением чистого растворителя из раствора можно привести опреснение морской воды, когда образующийся водяной пар конденсируют и полученную воду используют для различных целей.
Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно-действующие. Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора. В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.
В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м2 в единичном аппарате). Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия. В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.
В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной зоной кипения.
Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Для нагрева выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев, но наибольшее применение находит водяной пар (характеризуется высоким коэффициентом теплоотдачи).
2 Сравнительная характеристика аппаратов для данного процесса
Теплообменники – устройства, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами.
В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые реакции: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение, затвердевание и сложные комбинированные процессы. Теплообменные аппараты применяются практически во всех отраслях промышленности и, в зависимости от назначения, называются подогревателями, испарителями, конденсаторами, регенераторами, парообразователями, кипятильниками, выпарными аппаратами и т.д.
В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные, жидкие и твердые среды.
Установки, состоящие из одиночного аппарата вторичный пар, из которого не используется (при выпаривании под атмосферным давлением или при разряжении) или используется вне аппарата, называются однокорпусными выпарными установками.
Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединённых друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Образующийся в первом корпусе вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже и т.д., вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор или используется вне установки.
Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), это позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.
Устройство выпарных аппаратов
Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб. Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:
а) кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;
б) сепаратор – пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.
Необходимость в сепараторе составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:
1. Выпарные аппараты со свободной циркуляцией;
2. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;
3. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией;
4. Плёночные выпарные аппараты.
Выпарные аппараты со свободной циркуляцией
В этих аппаратах неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб. К данной группе относятся аппараты, выполненные в виде чаш или котлов, поверхность теплообмена образована стенками аппарата.
Рисунок 1- Выпарной аппарат с горизонтальными трубами
Выпарные аппараты с горизонтальными трубами (пар пропускается по трубам, жидкость – снаружи труб) могут быть изготовлены со значительными поверхностями теплообмена – до 800 м2 и более. Для компенсации удлинения труб и разборки аппарата с целью очистки крепление труб в трубных решётках делают на сальниках или применяют U- образные трубы.
Основным недостатком является трудность очистки межтрубного пространства, вследствие чего они не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов. Кроме того, такие аппараты имеют невысокий коэффициент теплопередачи, громоздки и требуют значительного количества металла для изготовления. В настоящее время они применяются редко, вытесняясь более совершенными конструкциями.
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией
1 – циркуляционная труба; 2 – кипятильная труба.
Рисунок 2- Схема естественной циркуляции.
Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной (опускной) трубы 1 и обогреваемых подъёмных труб 2. Если жидкость в подъёмных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения части жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в подъёмных трубах, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: подъёмные трубы → паровое пространство → опускная труба → подъёмные трубы и т. д.
Для естественной циркуляции требуется два условия:
1. Достаточная высота
уровня жидкости в опускной
трубе, чтобы уравновесить столб
парожидкостной смеси в
2. Достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела, возможно, малую плотность.
При небольшом уровне жидкости в опускной трубе парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб; при этом не происходит циркуляции, и работа аппарата сопровождается резким снижением производительности и быстрым покрыванием труб накипью.
Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой является одной из наиболее старых, но широко распространенных конструкций
1 – корпус; 2 – кипятильные трубы; 3 – циркуляционная труба; 4 – сепаратор; 5 – отбойник.
Рисунок 3- Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой
Греющая камера состоит из ряда вертикальных кипятильных труб 2, обогреваемых снаружи паром. По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба 3 значительно большего диаметра, чем кипятильные трубы. Греющий пар подаётся в межтрубное пространство, конденсируется и отводится из аппарата в виде конденсата. Упаренный раствор также непрерывно удаляется через штуцер, находящийся в днище аппарата. Парообразование внутри центральной трубы значительно меньше, чем в кипятильных трубах, так как за единицу объёма жидкости в ней приходится меньшая теплопередающая поверхность. Раствор выдавливается в кипятильные трубки, поднимается по ним вверх, частично выпаривается и, освобождённый вверху от пара, возвращается вниз по центральной трубе. Образующийся пар удаляется в верхней части аппарата, пройдя предварительно через каплеуловитель.
Недостатки аппарата: жёсткая конструкция греющей камеры, не имеющая температурной компенсации.
Достоинства: простота конструкции и легкость доступа для чистки и ремонта.
Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой состоит из греющей камеры 2, которая свободно подвешивается внутри корпуса 1, опираясь на лапы.
1 – корпус; 2 – кожух греющей камеры; 3 – кипятильные трубы; 4 – труба для подвода пара к греющей камере.
Рисунок 4- Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой
Греющий пар подаётся в межтрубное пространство нагревательной камеры по трубе 4. Образующийся вторичный пар проходит сепаратор над греющими трубками и далее инерционный каплеуловитель, из которого уловленная жидкость стекает вниз по трубе.
Принцип циркуляции:
Малоэмульгированный раствор из-за большой плотности опускается вниз по кольцевому пространству между корпусом аппарата и нагревательной камерой, передавливая вверх постоянно образующуюся в трубках более лёгкою парожидкостную эмульсию.
Погружение нагревательной камеры в выпариваемую среду препятствует возникновению температурных напряжений, так как в этом случае корпус камеры и трубки находятся в одинаковых температурных условиях.
Недостатками являются усложнение конструкции и большие габариты.
Достоинства – повышенный коэффициент теплопередачи за счет хорошего охлаждения раствора в кольцевом пространстве и легкость выемки греющей камеры из аппарата для чистки, ремонта или замены.
Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой состоит из нагревательной камеры (кипятильника) 1, представляющей собой пучок труб, сепаратора 3 и циркуляционной трубы 4, присоединенной к нижней растворной камере.
1 – кипятильник; 2 - труба для парожидкостной смеси; 3 – сепаратор; 4 – циркуляционная труба.
Рисунок 5- Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой
Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубкам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз. Вторичный пар, пройдя сепаратор и брызгоуловитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.
Высота трубок в таких аппаратах составляет 5 … 7 м. Сечение циркуляционной трубы равно или больше площади поперечного сечения всех кипятильных трубок. В результате значительной скорости циркуляционного раствора повышается коэффициент теплоотдачи и уменьшается опасность отложения пристенных осадков.
Чистка и замена трубок выпарных аппаратов с выносной греющей камерой достаточно удобны.
Так же в промышленности применяют выпарные аппараты:
- С поднимающейся плёнкой;
- С падающей плёнкой;
- Роторный прямоточный аппарат;
- Барботажный выпарной аппарат;
- С погружными горелками.
2.1Особенности выпаривания раствора NH4NO3
C увеличением концентрации растворов NH4NO3 при их упаривании температура раствора (плава) повышается и возрастают потери с соковым паром . Поэтому применяются выпарные аппараты , работающие при разряжении 550-600 мм рт. ст. Это позволяет упаривать растворы при пониженной температуре их кипения , что способствует уменьшению потерь продукта на этой стадии его производства .
Вакуум в
выпарных аппаратах создается
в результате конденсации
Так как в данном задании концентрация NH4NO3 в исходном растворе и в конечном не велика , то вполне подойдет однокорпусный вакуум-выпарной аппарат . Для выпаривания больших концентраций и получения аммиачной селитры используются двух- или трехступенчатые схемы выпаривания , где получают плав свыше 99% . Азотная кислота в исходном растворе берется до 60 % , а тепло реакции нейтрализации используется для частичного упаривания раствора аммиачной селитры .
Рисунок 6- Схема работы выпарного аппарата
На рисунке 6 представлен выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой. Аппарат состоит из следующих основных элементов: греющей камеры, сепаратора, циркуляционной трубы и брызгоотделителя.
Греющий пар подают в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется, конденсат выводится из нижней части межтрубного пространства греющей камеры. Теплота, выделяющаяся при конденсации насыщенного пара, передается через стенки кипятильных трубок раствору. В трубах греющей камеры раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Эта парожидкостная смесь,
поступает в сепаратор выпарного аппарата, где происходит отделение пара от раствора. В брызгоотделителе от вторичного пара отделяются мелкие брызги раствора, не удаленные в сепараторе, затем пар выводится из верхней части аппарата. Вследствие различия плотностей сред в циркуляционной трубе и кипятильных трубах греющей камеры в аппарате возникает направленная естественная циркуляция раствора, при которой раствор по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубкам поднимается вверх. Организованная циркуляция раствора способствует увеличению коэффициента теплоотдачи к кипящему раствору и замедляет процесс образования накипи в кипятильных трубах. Исходный (разбавленный раствор) подают в циркуляционную трубу. Концентрированный раствор выводят из нижней части
сепаратора.
При проведении процесса выпаривания под вакуумом требуется дополнительное оборудование: барометрический конденсатор с барометрической трубой и вакуум-насос. Барометрический конденсатор - это смесительный теплообменный аппарат, в котором теплообмен между теплоносителями происходит при их непосредственном контакте [1]. В результате смешения поступающего в конденсатор вторичного пара и охлаждающей воды, происходит конденсация пара. Так как, объем образующегося конденсата существенно меньше (примерно в тысячу раз) объема пара, то в барометрическом конденсаторе возникает вакуум. Для поддержания вакуума необходимо удалять из конденсатора воздух, который попадает туда с охлаждающей водой, а также через неплотности конструкции конденсатора. Для этой цели используется вакуум-насос. Смесь конденсата и охлаждающей воды самотеком выводится из конденсатора через барометрическую трубу, погруженную в жидкость для создания гидравлического затвора, препятствующего проникновению в конденсатор атмосферного воздуха.
2.2 Основные зависимости и расчетные формулы
2.2.1 Расчет выпарного аппарата
Уравнения материального баланса процесса выпаривания
Gн=Gк+W
Gк*xк =Gн*xн
где Gн - массовый расход начального раствора, кг/с;
Gк - массовый расход конечного раствора, кг/с;
W- массовый расход вторичного пара, кг/с;
xн- массовая концентрация начального раствора, кг раств. вещества/кг раствора;
xк - массовая концентрация конечного раствора, кг раств. вещества/кг раствора.
Тепловая нагрузка выпарного аппарата
Q=Gн*cн*(tкон.-tн)+W*rвт.п.+Qп
где Q - расход теплоты на процесс выпаривания, Вт;
Qнагр. - расход теплоты на нагрев раствора, Вт;
Qисп. -расход теплоты на испарение растворителя, Вт;
Qпот. - потери теплоты в окружающую среду, Вт;
сн - удельная теплоемкость начального раствора, Дж/кг∙К;
tн - температура начального раствора на входе в выпарной аппарат, оС;
tк - температура конечного раствора на выходе из аппарата, оС;
rвт.п.- удельная теплота конденсации вторичного пара, Дж/кг.
При расчете выпарных аппаратов потери теплоты в окружающую среду Qпот.
обычно принимают в размере (3-5)% от суммы ( Qнагр.+Qисп.)[4,5].
Расход греющего пара в выпарном аппарате
Gгр.п.=Q/(rгр.п.*x)
где Gгр.п. - расход греющего пара, кг/с;
rгр.п. - удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг∙К;
х - степень сухости пара.
Удельный расход греющего пара
d= Gгр.п/W
где d – удельный расход греющего пара, кг пара/ кг воды.
Давление в среднем слое выпариваемого раствора в кипятильных трубах
Рср= Р1+0.5ρ*g*Hур
где Рср.- давление в среднем слое выпариваемого раствора, Па;
ρр – плотность раствора конечной концентрации при температуре кипения, кг/м3;
Нур.- высота уровня раствора в кипятильных трубах, м.
Оптимальная высота уровня раствора в кипятильных трубах выпарного аппарата с естественной циркуляцией
Нопт.=(0.26+0.0014*(ρ-ρв))* Нтр.
где Hопт. – оптимальная высота уровня раствора в кипятильных трубах, м;
ρр – плотность раствора конечной концентрации при температуре кипения, кг/м3;
ρв – плотность воды при температуре кипения, кг/м3;
Hтр. – рабочая высота труб, м.
Площадь поверхности теплопередачи греющей камеры выпарного аппарата
F=Q/(K*Δtпол.)
где F – площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата, м2;
Q – тепловая нагрузка выпарного аппарата, Вт;
K – коэффициент теплопередачи, Вт/м2∙К;
Δtпол. – полезная разность температур, К(0С).
Δtпол.=tгр.п-tкип.
где tгр.п. – температура конденсации греющего пара, 0С;
tкип. – температура кипения раствора на среднем уровне кипятильных труб (при давлении Pср.), 0С.
Коэффициент теплопередачи:
К=1/(+∑rcn.+)
где α1 - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара, Вт/м2∙К;
α2 - коэффициент теплоотдачи к кипящему раствору, Вт/м2 ∙К;
∑rст. -суммарное термическое сопротивление всех слоев из которых состоит
стенка, включая слои загрязнений, м2 ·К/Вт.
∑rcn.=rзагр.1++rзагр.2
где rзагр.1, rзагр.2 - термические сопротивления слоев загрязнений стенки,
м2 ·К/Вт;
δ- толщина стенки, м;
λ- коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м∙К.
Критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи
