Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Трехкорпусная выпарная установка. 2

Задание на проектирование.

Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования сливок с начальной концентрацией сухих веществ СВ_н=25% до конечная концентрация сухих веществ CB_к=75% в сгущенных сливках при следующих условиях:

Производительность по выпаренному веществу: W=800 кг/ч=0,222 кг/с.
Остаточное давление в конденсаторе: P_б._к=0,005 Мпа;

Давление греющего пара: P_г._п=0, 11 Мпа.

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Нижегородский государственный технический университет

им. Р.Е.Алексеева

Дзержинский политехнический институт

Кафедра «Процессы и аппараты химической и пищевой технологии»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ»

«ТРЕХКОРПУСНАЯ ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА»

Выполнил: студентка Логинова П. В.

Группа: 09-ПИМП

Проверил: преподаватель Жаринов И. В.

г.Дзержинск 2012

Содержание:

Задание………………………………………..……………………………………….……..3

1.Введение ………………………………………………………………………….…….…4

2. Описание технологической схемы выпарной установки………………….………..…4

3. Выбор выпарного аппарата………………………………………………………....…....6

4 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов…………….................8

4.1 Концентрация упариваемого раствора…………………………………………….……8

4.2 Температуры кипения растворов…………………………………………………….…..9

4.3 Полезная разность температур………………………………………………………..…12

4.4 Определение тепловых нагрузок……………………………………………………...…13

4.5 Выбор конструкционного материала……………………………………………...…….14

4.6 Расчет коэффициентов теплопередачи……………………………………………..……15

4.7 Распределение полезной разности температур…………………………………….……18

5 Определение толщины тепловой изоляции……………………………………………..…19

6 Расчет барометрического конденсатора…………………………………………………....19

6.1 Расход охлаждающей воды……………………………………………………………..…19

6.2 Диаметр конденсатора…………………………………………………………………..…20

6.3 Высота барометрической трубы………………………………………………………..…20

7.Расчет производительности вакуум-насоса………………………………….………..……21

8.Расчет вспомогательного оборудования………………………………………………...….22

9.Заключение…………………………………………………………………………………...23

10.Список используемых источников……..………………………………………………….24

1.Введение

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирования которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока), так и других характеристик ( кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процессе (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и 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 помощью ЭВМ.

Описание технологической схемы установки.

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки показана на рисунке. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3( где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем - в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-ого корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате созданиям вакуума

конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 ( где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощью барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.

Выбор выпарного аппарата.

Конструкция выпарных аппаратов.

В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, пищевой и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

1. по расположению поверхности нагрева — на горизонтальные, вертикальные и реже наклонные;

2. по роду теплоносителя — с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом (чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом);

3. по способу подвода теплоносителя — с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);

4. по режиму циркуляции — с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;

5. по кратности циркуляции — с однократной и многократной циркуляцией;

6. по типу поверхности нагрева — с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенные, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

К конструкции выпарных аппаратов должны быть предъявлены следующие требования:

- простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;

- стандартизация узлов и деталей;

- соблюдение требуемого режима (температура, давление, время пребывания раствора в аппарате), получение полупродукта или продукта необходимого качества и требуемой концентрации, устойчивость в работе, по возможности более длительная работа аппарата между чистками при минимальных отложениях осадков на теплообменной поверхности, удобство обслуживания, регулирования и контроля за работой;

- высокая интенсивность теплопередачи, малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.

В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Для большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют с удлиненными трубками (3-3,5 м).

Пленочные выпарные аппараты с восходящей пленкой.

Пленочные аппараты - устройства, в которых жидкость стекает в виде тонкой пленки по стенкам труб или каналов, соприкасаясь с потоком газа, пара или др. несмешивающейся жидкости либо участвуя в передаче теплоты др. потоку жидкости или газа через твердую стенку.

Аппарат состоит из греющей камеры, сепаратора с отбойником и брызгоотделителем и нижней камеры. В верхней части аппарата расположен брызгоотделитель. Из нижней камеры раствор поступает в греющие трубы, где вскипает под действием тепла греющего пара. Образующийся вторичный пар, подгимаясь вверх, постепенно занимает все центральное пространство трубки и увлекает раствор в виде тонкого слоя по периметру. Раствор, захваченный снизу, благодаря поверхностному трению проходит с большой скоростью по всей длине трубки, выпаривается и выбрасывается в сепаратор. Упаренный раствор отводится из аппарата через штуцер Г. Уровень заполнения труб греющей камеры составляет 25-30%.

Несмотря на большую высоту труб греющей камеры, потери полезной разности температур за счет гидростатического столба невелики и их можно не учитывать при расчете аппарата. Греющий пар через штуцер А поступает в межтрубное пространство аппарата. Конденсат удаляется через штуцер Д.

Вторичный пар из сепаратора выводится через штуцер Б.

Для наблюдения за работой аппарата предусмотрены смотровые окна, для установки манометров и термометров - бобышки.

Аппарат рассчитан на непрерывную работу.

4 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

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

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

Определение производительности по исходному раствору:

G_н=W/(1- СВ_н/ CBк)=0,222кг/с/(1-25%/75%)=0,333 кг/c.

4.1Концентрация упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения 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:

W₁:W₂:W₃=1,0: 1,1 : 1,2

Тогда:

W₁=1,0*W/(1,0+1,1+1,2)=0,222/3,3=0,067 кг/с

W₂=1,1*W/(1,0+1,1+1,2)=1,1*0,222/3,3=0,074 кг/с

W₃=1,2*W/(1,0+1,1+1,2)=1,2*0,222/3,3=0,081 кг/с

Тогда концентрации растворов в корпусах составят:

X₁=Gн*X_н/(G_н-W₁)=0,333 кг/с*0,25/(0,333кг/с-0,067 кг/с) = 0,313

X₂=Gн*X_н/(G_н-W₁-W₂)=0,333 кг/с*0,25/(0,333кг/с-0,067 кг/с-0,074 кг/с) = 0,434

X₃=Gн*X_н/(G_н-W₁-W₂-W₃)=0,333 кг/с*0,25/(0,333кг/с-0,067 кг/с-0,074 кг/с-0,081 кг/с) = 0,75

4.2 Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен

P_об=P_г1-Р_бк=0,11-0,005=0,105 Мпа

В 1-м приближении общий перепад давлений распределим между корпусами поровну. Тогда давление греющих паров в корпусах составят:

Р_г1=0,11 Мпа,

P_г2=P_г1- P_об/3=0,11-0,105/3=0,075 Мпа,

P_г3=P_г2- P_об/3=0,075-0,105/3=0,04 Мпа.

Давление пара в барометрическом конденсаторе

Р_б.к= P_г3-P_об/3=0,04-0,105/3=0,005 Мпа, что соответствует заданной величине Р_б.к.

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [2]:

Давление,Мпа	Температура	Энтальпия пара, кДж/кг	Энтальпия конденсата,кДж/кг
Р_г1=0,11	102,2	2683	477
P_г2=0,075	91,7	2661	384
P_г3=0,04	75,8	2633	318
Р_б.к=0,005	32,8	2557	137

Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара на сумму температурных потерь от температурной , гидростатической и гидродинамической депрессий.

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают =1,0-1,5 град. На корпус. Примем для каждого корпуса =1град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в ) будут равны:

t_в.п1=t_г2+ =91,7+1,0=92,7;

t_в.п2=t_г3+=75,8+1,0=76,8;

t_в.п3=t_бк+=32,8+1,0=33,8;

Сумма гидродинамических депрессий:

По температурам вторичных паров определим их давление. Они равны соответственно (в Мпа): Р_в.п1=0,0799Мпа; Р_в.п2=0,041718Мпа; Р_в.п3=0,00529Мпа.

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Р_сркаждого корпуса определяется по уравнению:

Р_ср=Р_в.п+gН(1-)/2, где Н-высота кипятильнвх труб в аппарате, м; плотность кипящего раствора, кг/м³; – паронаполнение, м³/ м^3.

При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет 0,4-0,6. Примем =0,5. Плотность [3]:

₁= 960кг/м³; ₂=964кг/м³ ₃= 986кг/м³

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 15 до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения

Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов (в Па) равны:

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [2]:

P, Мпа	t,	r, кДж/кг
	93,5	r=2398
	78,2	r=2424
	45,9	r=2478

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в ):

Сумма гидростатических депрессий

Температурную депрессию определим по уравнению

Где T-температура паров в среднем слое кипятильных труб, К; – температурная депрессия при атмосферном давлении.

Находим значение по корпусам (в ):

Сумма температурных депрессий

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в ):

4.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам (в ) равны:

Тогда общая полезная разность температур:

Проверим общую полезную разность температур:

4.4 Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

Где 1,03- коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; – теплоемкость растворов соответственно исходного в первом и во втором корпусах, кДж/(кг*К); - теплоты концентрирования по корпусам, кВт; - температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе; (где - температурная депрессия для исходного раствора) ; при решении уравнений можно принять:

Поскольку составляет значительно меньше 3%, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной

Теплоемкость сливок по справочным данным [3]:

Получим систему уравнений:

Решение этой системы уравнений дает нам следующие результаты:

Результаты расчетов сведены в таблицу:

Параметр	Корпус
Параметр	1	2	3
Производительность по испаряемой воде, w, кг/с	0,075	0,08	0,067
Концентрации растворов х,%	31,3	43,4	75
Давление греющих паров	0,11	0,075	0,04
Температура греющих паров	102,2	91,7	75,8
Температурные потери	6,6	6	21,6
Температура кипения раствора	98,3	81,8	54,4
Полезная разность температур	7,6	11,4	21,4

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 3%, поэтому не будем пересчитывать концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

4.5 Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в сред кипящих сливок. В этих условиях стойкой является сталь марки 12Х18Н10Т [5]. Скорость коррозии составляет 0.01мм\год, коэффициент теплопроводности λст = 15.71Вт\(м*К).

4.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенку Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке

Где - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; - соответственно плотность (кг/), теплопроводность Вт/(м*К), вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки где - разность температур конденсации пара и стенки, град.

Расчет ведут методом последовательных приближений. В первом приближении примем =2,0 град. Тогда

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

Где q-удельная тепловая нагрузка, Вт/;-перепад температур на стенке; -разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, град.

Отсюда

Тогда

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках равен:

Подставив численные значения, получим:

Физические свойства кипящих сливок и их паров приведены в таблице [3], [4]:

Параметр	Корпус
Параметр	1	2	3
Теплопроводность раствора, Вт/(м*К)	0,53	0,37	0,27
Плотность раствора	960	964	986
Теплоемкость раствора с, Дж/(кг*К)			3340
Вязкость раствора , Па*с	0,021	0,025	0,029
Поверхностное натяжение , Н/м	0,0019	0,0027	0,0035
Теплота парообразования , Дж/кг	2252*	2305*	2370*
Плотность пара	1,81	1,13	0,92

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Как видим,

Находим

Далее рассчитает коэффициент теплопередачи для второго корпуса. Для этого найдем:

Как видим,

Находим

Далее рассчитает коэффициент теплопередачи для второго корпуса. Для этого найдем:

Как видим,

Находим

4.7 Распределение полезной разности температур

Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:

Где соответственно полезная разность температур, тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи для j-ого корпуса.

Подставив численные значения, получим:

Проверим общую полезную разность температур установки:

Теперь рассчитаем поверхность теплопередачи выпарных аппаратов по формуле:

По ГОСТ 11987-81 [10] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

Номинальная поверхность теплообмена	25
Диаметр труб d	38х2 мм
Высота труб Н	5000 мм
Диаметр греющей камеры	1000 мм
Диаметр сепаратора	1600 мм
Общая высота аппарата	10720 мм
Масса аппарата	4600 кг

5 Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

Где коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, температуры изоляции со стороны окружающей среды;

; температуры окружающей среды, ; коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м*К).

Рассчитаем толщину тепловой изоляции для 1-ого корпуса:

В качестве материала для тепловой изоляции выбираем совелит (85 % магнезии+ 15% асбеста), [6] имеющий коэффициент теплопроводности Вт/(м*К).

Тогда получим:

Принимаем толщину тепловой изоляции 0,025 м и для других корпусов.

6 Расчет барометрического конденсатора

Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешение с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента использую воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды. Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум насоса откачивают неконденсирующие газы.

Необходимо рассчитать расход охлаждающей воды, основные размеры барометрического конденсатора барометрической трубы, производительность вакуум-насоса.

6.1 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса конденсатора:

Где энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж\кг; конечная температура смеси воды и конденсата, .

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров:

Тогда

6.2 Диаметр конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определяют из уравнения расхода:

Где плотность паров, кг/ При остаточном давлении Па скоость паров =15-25 м/с. Тогда

По нормалям [7] подбираем конденсатор диаметром, равным 800 мм. Определяем его основные размеры.

6.3 Высота барометрической трубы

В соответствии с нормалями [7] внутренний диаметр барометрической трубы равен 200 мм. Скорость воды в барометрической трубе

Высота барометрической трубы

Где В- вакуум в барометрическом конденсаторе, ПА; сумма коэффициентоа местных сопротивлений; коэффициент трения в барометрической трубе; 0,5- запас высоты на возможное и-менение барометрического давления, м.

Где - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент зависит от режима течения жидкости. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

Для гладких труб при коэффициент трения равен 0,022.

Тогда:

7.Расчет производительности вакуум-насоса

Производительность вакуум насоса определяется количеством газа, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

Где количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности, на 1 кг паров.

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

Где R-универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль*К); -молекулярная масса воздуха, кг/кмоль; -температура воздуха, ; -парициальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температуру воздуха рассчитываем по уравнению:

Давление воздуха равно:

Где -давление сухого насыщенного пара при 27. Подставив, получим:

Тогда

Зная объёмную производительность

Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчёт выпарой установки для сгущения сливок до конечной концентрации сухих веществ 75 %. Исходное веществе – сливки концентрацией 25%. Для расчетов был выбран пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой.

В ходе работы для аппарата рассчитано и выбрано: номинальная поверхность теплообмена, диаметр и высота труб, диаметр греющей камеры, диаметр сепаратора, диаметр циркуляционной трубы, общая высота аппарата и его масса. Так же произведен расчет толщины теплоизоляции и расчет вспомогательного оборудования.

Список использованных источников

Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию, под. ред. Ю.И. Дытнерского, Москва: ООО ИД «Альянс», 2007 –496 с.
Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, под. ред. П. Г. Романкова, Москва: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 548-576 с.
Проектирования процессов и аппаратов пищевых производств: учебное пособие, Еренгалиев А. Е., Масленников С. Л., Какимов А. К., Тусипов Н. О, Семей: СГУ имени Шакарима. 2008-208 с.
Теплофизические характеристики пищевых продуктов: справочник, А. С. Гинзбург, Москва “Пищевая промышленность” 1980.
Инженерно-экологический справочник, под ред. Тимонина А.С., Издательство: Н.Бочкаревой, Калуга 2003 - 2825 с.
Теплотехнический справочник. Т. 2. М.: Энергия, 1972.896 с.
ОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.
Вакуумные насосы. Каталог справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. 63 с.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, Москва: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 753 с
ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.