Расчёт барометрического конденсатора

Задание на проектирование.

 

Спроектировать  трехкорпусную выпарную установку  для концентрирования G_H = 15 000 кг/ч (4.17 кг/с) водного раствора CaCl₂ от начальной концентрации х_н = 9 % до конечной х_к = 38 % при следующих условиях:

1. Обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р_r1 = 1,079 МПа.
2. Давление в барометрическом конденсаторе Р_бк = 0,0147 МПа.
3. Выпарной аппарат — тип 2, исполнение 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

В данной курсовой работе произведен расчет выпарной установки для концентрирования водного раствора CaCl₂ от начальной концентрации х_н = 9 % до конечной х_к = 38% , согласно расчётам выбран выпарной аппарат, выполнены 2 графические работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Основные условные обозначения  ………………………………….

Нормативные ссылки………………………………………………..

Введение ……………………………………………………….…….

1. Литературный обзор …………………………………….………..

2. Описание технологической схемы ……………………..………..

3. Расчет выпарной установки

3.1. Расчет концентраций упариваемого раствора. …………

3.2. Определение температур кипения растворов. ………….

3.3. Расчет полезной разности температур ……………….…

3.4. Определение тепловых нагрузок ………………….…..…

3.5. Выбор конструктивного материала …………….………..

3.6. Расчет коэффициентов теплопередачи …………………..

3.7. Распределение полезной разности температур…………..

3.8. Уточненный расчет поверхности теплопередачи………..

4 Расчёт барометрического конденсатора

4.1 Определение расхода охлаждающей воды

4.2 Расчёт диаметра барометрического конденсатора

4.3 Расчёт высоты барометрической трубы

Заключение……………………………………………………………..

Список использованной литературы …………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные условные обозначения

 

с — теплоемкость, Дж/(кг · К);

d — диаметр, м;

D — расход греющего пара, кг/с;

F — поверхность теплопередачи, м²;

G — расход, кг/с;

g — ускорение свободного падения, м/с²;

Н — высота, м;

I — энтальпия пара, кДж/кг;

i — энтальпия жидкости, кДж/кг;

К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м² · К);

Р — давление, МПа;

Q — тепловая нагрузка, кВт;

q — удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

r — теплота парообразования, кДж/кг;

Т, t — температура, град;

W, w — производительность по испаряемой воде, кг/с;

х — концентрация, % (масс);

α — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² · К);

ρ — плотность, кг/м³;

μ — вязкость, Па · с;

λ — теплопроводность, Вт/(м · К);

σ — поверхностное натяжение, Н/м;

Re — критерий Рейнольдса;

Nu — критерий Нуссельта;

Рr — критерий Прандтля.

 

Индексы:

 

1, 2, 3 — первый, второй, третий корпус выпарной установки;

в — вода;

вп — вторичный пар;

г — греющий пар;

ж — жидкая фаза;

к — конечный параметр;

н — начальный параметр;

ср — средняя величина;

ст — стенка.

 

 

 

 

Нормативные ссылки.

 

В настоящем курсовом проекте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ   11987 – 81  «Аппараты выпарные, трубчатые»

ГОСТ   1867 – 57   «Вакуум насосы низкого давления»

ОСТ   26716 – 73   «Барометрические конденсаторы»

ГОСТ 15118 – 79 «Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Размещение отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках. Основные размеры»

ГОСТ   12.1.003 – 83   «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности»

ГОСТ  12.1.005 – 88  «Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические  требования к воздуху рабочей  зоны»

ГОСТ  12.1.012 – 90  «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие  требования» 

ГОСТ  12.1.019 – 79  «Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие  требования»

ГОСТ  12.2.003 – 91  «Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безовасности»

ГОСТ 12.4.012 – 83 «Система стандартов безопасности труда. Вибрация. Средства измерения  и контроля вибрации на рабочих местах. Технические требования»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.

В химической промышленности выпариванию подвергают растворы твердых веществ (главным  образом водные растворы щелочей, солей  и др.), а также растворы высококипящих  жидкостей, обладающих при температуре  выпаривания очень 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 полученную воду используют для питьевых или технических целей.

В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в специальных  выпарных аппаратах.

Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче  и дешевле перерабатывать, хранить  и транспортировать.

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

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания  раствора, обычно подводится через  стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах  Концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении  выпариваемого раствора с топочными  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.

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, Концентрирование которых  осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура  кипения, величина критического теплового  потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многостадийные многокорпусные выпарные установки), а также к Конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей  оптимального поиска и выполняется  технико-эКономическим сравнением различных вариантов с использованием компьютеров. В связи с тем, что при выполнении курсового проекта по процессам и аппаратам подобная задача пока не ставится, число корпусов в установке, давление греющего пара и вакуум в Конденсаторе обычно входят в задание на проектирование.

При кипении  растворов нелетучих веществ  в паровую фазу переходит только растворитель. При этом по мере испарения  растворителя и удаления его в  виде паров концентрация раствора, т. е. содержание в нем растворенного  нелетучего вещества, повышается.

 

Нелетучими  веществами называют вещества, обладающие при температуре процесса ничтожно малым давлением пара, например большинство  твердых тел и некоторые высококипящие  жидкости (серная кислота, глицерин и  др.).

 

Процесс концентрирования растворов, заключающийся в удалении растворителя путем испарения при  кипении, называется выпариванием.

 

Большей частью из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в выпарных аппаратах  обычных конструкций упаренный  раствор должен оставаться в текучем  состоянии. Полное удаление растворителя в таких аппаратах возможно в  тех случаях, когда растворенное вещество либо является жидким (например, выпаривание растворов глицерина), либо при температуре процесса находится  в расплавленном состоянии (например, выпаривание растворов аммиачной  селитры или едкого натра). Полное удаление растворителя из раствора возможно также в некоторых аппаратах  специальной конструкции, например в распылительных сушилках.

 

 

В ряде случаев  при выпаривании растворов твердых  веществ достигается насыщение  раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т. е выделение из него растворенного твердого вещества.

 

Выпаривание широко применяется для повышения  концентрации разбавленных растворов  или выделения из них растворенного  вещества путем кристаллизации.

 

В промышленности в большинстве случаев выпариваются водные растворы различных веществ, поэтому в дальнейшем рассматривается  только выпаривание водных растворов. Однако описываемые ниже выпарные аппараты и методы их расчета применимы  для выпаривания растворов с  любыми растворителями, а также для  испарения чистых жидкостей.

 

Способы выпаривания

 

Для обогрева выпарных аппаратов применяют нагревающие  агенты. Наибольшим распространением пользуется водяной пар. В некоторых  случаях, когда необходимо проводить  выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные  нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев.

 

Нагревание  выпариваемого раствора производится путем передачи тепла от нагревающего агента через стенку, разделяющую  оба вещества, либо путем непосредственного  соприкосновения веществ. Выпаривание  путем непосредственного соприкосновения  нагревающего агента с раствором  применяется только при обогреве топочными газами.

 

Выпаривание ведут как под атмосферным, так  и под пониженным или повышенным давлением.

 

При выпаривании  раствора под атмосферным давлением  образующийся так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым.

 

При выпаривании  под пониженным давлением (при разрежении) в аппарате создается вакуум путем  конденсации вторичного пара в специальном  конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью  вакуум-наcoca.

 

 

Вакуум-выпарка  позволяет снизить температуру  кипения раствора и применяется  для выпаривания чувствительных к высокой температуре растворов (например, растворов органических веществ), а также высококипящих  растворов, когда температура нагревающего агента не дает возможности вести  процесс под атмосферным давлением. Использование вакуума позволяет также увеличить разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором, а, следовательно, уменьшить поверхность теплообмена. Недостатком выпаривания в вакууме является удорожание установки (дополнительные затраты на конденсационное устройство) и ее эксплуатации (расход воды на конденсатор, затрата энергии на вакуум-насос, расходы по обслуживанию, амортизация конденсационного устройства).

 

При выпаривании  под повышенным давлением вторичный  пар может быть использован как  нагревающий агент в подогревателях, для отопления и т. п., а также  для различных технологических  нужд. Выпаривание под давлением  связано с повышением температуры  кипения раствора, поэтому применение данного способа ограничено свойствами раствора и температурой нагревающего агента.

 

Установки, состоящие из одиночного аппарата, вторичный пар из которого не используется (при выпаривании под атмосферным  давлением или при разрежении) или используется вне аппарата, называются однокорпусными выпарными установками.

 

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединенных  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 (если этот корпус работает при разрежении) или используется вне установки (если последний корпус работает при  повышенном давлении). Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование  одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в  первом корпусе), что позволяет сэкономить значительное количество потребляемого  свежего пара.

 

Многократное  использование тепла возможно также  в однокорпусных выпарных установках, если сжать вторичный пар при  помощи компрессора или пароструйного  инжектора до давления, позволяющего применять пар для обогрева того же аппарата, в котором этот пар  образовался.

 

Выпарные  установки с сжатием вторичного пара, называемые аппаратами с тепловым насосом (или с термокомпрессией).

1. Литературный обзор

 

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемые  в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые  рубашки, змеевики, трубчатки различных  видов) и по ее расположению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной, 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 раствора.

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  много - кратной циркуляцией раствора.

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

Ниже  подробно показаны лишь наиболее распространённые, главным образом типовые, конструкции  выпарных аппаратов.

Аппараты  со свободной циркуляцией раствора.

Простейшими аппаратами этого типа являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы при атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под  вакуумом.

В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтенсивная неупорядоченная .циркуляция выпариваемого раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Поэтому в аппаратах с рубашками коэффициенты теплопередачи низки.

Значительно большей поверхностью нагрева в  единице объема обладают з м е е в и к о в ы е выпарные аппараты (рис. 1). В корпусе1 такого аппарата размещены паровые змеевики 2, а в паровом пространстве установлен брызгоуловитель 3. При проходе через брызгоуловитель поток вторичного пара изменяет направление своего движения и из него выделяются унесенные паром капли жидкости.

Змеевики  выполняют из отдельных секции, так  как у длинных змеевиков, вследствие • накопления конденсата, поверхность  нагрева плохо используется. Кроме того, при секционировании змеевиков можно последовательно отключать отдельные секции по мере понижения уровня раствора в периодически действующем аппарате.

 

 

Рисунок 1 Змеевиковый выпарной аппарат:

1 –  корпус; 2 – паровые змеевики; 3 –  брызгоуловитель.

 

Вертикальные  аппараты с направленной естественной циркуляцией.

 

В аппаратах  этого типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.

Основным  достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

Как будет  показано ниже, развитие конструкции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможно путем увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и паро-жидкостной смеси в подъемной части контура. Это достигается посредством:

1) увеличения  высоты кипятильных (подъемных)  труб и повышения интенсивности  парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора;

2) улучшения  естественного охлаждения циркуляционной  трубы для того, чтобы опускающаяся в- ней жидкость имела возможно большую плотность;

3) поддержания  в опускной трубе определенного  уровня жидкости, необходимого для  уравновешивания столба парожидкостной  смеси в подъемных трубах при  заданной скорости ее движения.

 

 

 

Рисунок 2 Выпарной аппарат с горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и вертикальным цилиндрическим корпусом:

1 –  корпус; 2- нагревательная камера; 3 –  сепаратор.

 

Аппараты  с внутренней нагревательной камерой  и центральной циркуляционной трубой.

В нижней части  вертикального корпуса / (рис. 3) находится  нагревательная камера 2, состоящая  из двух трубных решеток, в которых  закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2—4 м) и  циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подается греющий пар.

Раствор поступает  в аппарат над верхней трубной  решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их4 нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх паро-жидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере ее движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где с помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения парового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется унесенная им влага. После этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

 

 

Рисунок 3 Выпарной аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой:

1 –  корпус; 2 – нагревательная камера; 3 – кипятильные трубы; 4 – циркуляционная  труба; 5 – сепарационное пространство; 6 – брызгоуловитель.

 

Рисунок 4 Выпарной аппарат с подвесной нагревательной камерой:

1 –  нагревательная камера; 2 – корпус; 3 – паровая труба; 4 – брызгоуловитель; 5 – сливные трубы; 6 – перфорированная труба для промывки.

Аппараты  с подвесной нагревательной камерой.

В аппарате такого типа (рис. 4) нагревательная камера 1 имеет собственную обечайку и  свободно установлена в нижней части  корпуса 2 аппарата. Греющий пар подается через трубу 3 и поступает в  межтрубное пространство нагревательной камеры, снизу которого отводится конденсат. Поступающий на выпаривание раствор опускается вниз по каналу кольцевого поперечного сечения, образованному стенками обечайки подвесной камеры и стенками корпуса аппарата. Раствор поднимается по кипятильным трубам, и, таким образом, выпаривание происходит при естественной циркуляции раствора.

 

Аппараты  с выносными циркуляционными  трубами.

Как отмечалось, естественная циркуляции раствора может  быть усилена, если раствор на опускном участке циркуляционного контура  будет лучше охлаждаться. Этим увеличивается  скорость естественной циркуляции в  выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами (рис. 5). При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры / может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата на рис. 3, а циркуляционные трубы 2компактно размещены вокруг нагревательной камеры. На рис. 5 показан аппарат с одной выносной циркуляционной трубой, причем центробежный брызгоуловитель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределы сепарацибнного (парового) пространства 4 аппарата.

Конструкций таких аппаратов несколько более  сложны, во в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 мг поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

 

Аппараты  с выносной нагревательной камерой.

 

При размещении нагревательной камеры вне корпуса" аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только, за счет увеличения разности плотностей жидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с  выносной нагревательной камерой (рис. 6) имеет кипятильные трубы, длина  которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что  циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту. Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает в ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки' аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоеденить к его корпусу две камеры.

 

Рисунок 5 Выпарной аппарат с выносной циркуляционной трубой:

1 –  нагревательная камера; 2 – циркуляционная  труба; 3 – центробежный брызгоуловитель; 4 – сепарационное пространство.

 

Рисунок 6 Выпарной аппарат с выносной нагревательной камерой:

1 –  нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – необогреваемая циркуляционная труба; 4 – брызгоуловитель.

 

Аппараты  с вынесенной зоной кипения.

 

При скоростях 0,25—1,5 м/сек с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, описанных ранее, не удается предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппаратов для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпариваний кристаллизующихся растворов можно значительно уменьшить путем увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар, пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

Вследствие  большой поверхности испарения, которая создается в объеме кипящего раствора, и частичного самоиспарення капель, унесенных вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает, отложение накипи.

Рисунок 7  Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:

1 –  нагревательная камера; 2 – труба  вскипания; 3 – сепаратор; 4  –  необогреваемая циркуляционная труба; 5 – отбойник; 6 – брызгоуловитель.

Рисунок 8  Выпарной аппарат с поднимающейся плёнкой:

1 –  нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – отбойник; 4 – брызгоуловитель

 

Прямоточные аппараты.

 

Принципиальное  отличие этих аппаратов от аппаратов  с естественной циркуляцией состоит  в том, что выпаривание в них  происходит при однократном прохождении  выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким образом, выпаривание  осуществляется без циркуляции раствора. Кроме того, раствор выпаривается, перемещаясь на большей части  высоты; кипятильных труб в виде тонкой пленки по внутренней поверхности  трубы. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный  пар, Это приводит к резкому снижению температурных потерь, обусловленных  гидростатической депрессией.

Различают прямоточные  выпарные аппараты с поднимающейся  и опускающейся пленкой.

Аппарат с  поднимающейся пленкой (рис. 8) сотоит из нагревательной камеры 1, представляющей собой пучок труб небольшого диаметра/(15—25 мм) длиной 7—9 м, и сепаратора 2.

Раствор на выпаривание поступает снизу  в трубы нагревательной камеры, межтрубное пространство которой обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем обычно 20—25% высоты труб, наступает интенсивное кипение. Пузырьки вторичного пара сливаются и пар, быстро поднимаясь по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за, собой раствор.

 

Роторные  прямоточные аппараты.