Выпаривание водного раствора CaCl2 в однокорпусной выпарной установке

Санкт-Петербургский  Государственный Технологический Институт

(Технический  Университет)

 

 

Кафедра процессов                 Факультет: 4

и аппаратов химической      Курс: 3

технологии        Группа: 4892

 

 

 

 

Курсовой  проект

 

Тема: Выпаривание водного раствора CaCl₂ в однокорпусной выпарной установке.

 

 

 

 

Студент:                                                                                    Федотко А.В.

 

Руководитель:       Борисова Е.И

 

 

 

Оценка за

курсовой проект:          ___________    

 

 

 

 

 

 

 

 

2011 г.

Задание по курсовому проектированию №6

Спроектировать  однокорпусную выпарную установку  непрерывного действия для выпаривания  водного раствора. Обеспечить подогрев исходного раствора перед подачей  в выпарной аппарат и охлаждение концентрированного раствора после  выпарного аппарата.

 

Перечень  инженерных расчетов.

Расчет и  выбор по каталогу выпарного аппарата, холодильника концентрированного раствора, подогревателя исходного раствора, барометрического конденсатора с барометрической  трубой, вакуум-насоса.

 

1. Выполнить подробный расчет греющей  камеры выпарного аппарата.
2. Выполнить подробный расчет теплообменных аппаратов (подогревателя для исходного раствора и холодильника концентрированного раствора). Тип аппаратов: кожухотрубчатые теплообменники или теплообменники «труба в трубе». Аппараты должны обеспечивать турбулентный режим течения теплоносителей.
3. Для охлаждения концентрированного раствора в холодильнике использовать исходный разбавленный раствор, для дальнейшего подогрева исходного раствора в подогревателе – греющий пар.

 

Состав графической  части: технологическая схема выпарной установки, чертеж теплообменного аппарата.

 

Исходные  данные:

Растворенное вещество: CaCl₂

Расход исходного разбавленного раствора: G_нач=1.7 (кг/с)

Содержание растворенного вещества:

Начальное – = 2.5% (масс)

Конечное  –  15% (масс)

Давление греющего пара (избыточное)

Начальная  температура раствора = 14 ºС

Температура охлаждающей воды = 10 ºС.

Теплообменный аппарат: холодильник.

 

Оглавление

 

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

1.      Аналитический обзор………………………………………………………………5

2.      Технологическая  часть……………………………………………………………..7

3.      Инженерные   расчёты ……………………………………………………………...8

3.1. Расчёт  выпарного аппарата………………………………….…………….……...8

3.1.1. Метод  итераций…………………………………………………..….……….14

3.2. Расчёт холодильника …..…………………..……………………………………..16

3.2.1. Метод  итераций………………………………………….…….……….….…19

3.3. Расчёт подогревателя …………………………………………………………..…23

3.3.1. Метод  итераций……………………………………………….……….……..26

3.4. Расчёт  барометрического конденсатора………………………….………………28

3.5. Расчет  производительности вакуум-насоса……………………….…….……….29

4. Выводы по курсовому проекту………………………………………….……..………31

5. Список использованной литературы……………………………………...…………...32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов 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.

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 греющей  камерой и трубой вскипания. В  этом аппарате циркуляция раствора осуществляется за счет различия плотностей в отдельных  точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается  и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

В  таких  аппаратах облегчается очистка  поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при  открытой верхней крышке греющей  камеры.

1.   Аналитический обзор

 

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 многокорпусные выпарные установки), а также к  конструкциям выпарных аппаратов.

Принципиальная  схема однокорпусной выпарной установки  показана на рис.1 Исходный разбавленный раствор из промежуточной ёмкости центробежным насосом подаётся в теплообменник (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем в корпус  выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Корпус  аппарата состоит из теплообменного устройства – нагревательной (греющей) камеры и сепаратора. Камера обогревается водяным насыщенным паром, поступающим  в её межтрубное пространство. Конденсат  отводят снизу камеры.

Самопроизвольный  переток раствора и вторичного пара возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара в барометрическом конденсаторе смешения (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом  неконденсирующихся газов вакуум-насосом). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в корпусе концентрированный  раствор центробежным насосом подаётся в промежуточную ёмкость упаренного раствора. Конденсат греющих паров  из выпарных аппаратов выводится  с помощью конденсатоотводчиков.

 

 

Аппараты  с выносной нагревательной камерой.

 

Такие аппараты имеют ряд преимуществ перед  аппаратами с сосной греющей камерой. Именно из-за этого выбран аппарат  такого типа.

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

Аппарат с выносной нагревательной камерой, имеет кипятильные трубы, длина  которых часто достигает 7м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что  циркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участки  циркуляционного контура имеют  значительную высоту.

Выносная  нагревательная камера легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает  и ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию  и ремонт нагревательной камеры можно  производить без полной остановки  аппарата (а лишь при снижении его  производительности), если присоединить к его корпусу две нагревательные камеры.

Исходный  раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным  трубам, выпаривается. Иногда подачу раствора производят так, как указано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный  пар отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе, смешивается  с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель, удаляется  сверху сепаратора. Упаренный раствор  отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость  циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1.5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и  кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности  теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей  теплопередачи аппараты такого типа получили широкое распространение.

В некоторых  конструкциях аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует.

В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т. е. аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизирующихся  растворов.

 

 

 

 

 

 

2. Технологическая часть.

 

Описание  технологической схемы.

Исходный  водный раствор CaCl₂ концентрацией 2.5% подается центробежным насосом Н в межтрубное пространство холодильника AT2 типа «труба в трубе». Далее исходный раствор подается в трубное пространство подогревателя АТ1, где подогревается греющим паром до температуры, близкой к температуре кипения. После нагрева раствор поступает в греющую камеру выпарного аппарата АВ с вынесенной греющей камерой с естественной циркуляцией. Подвод тепла осуществляется греющим паром, конденсат которого отводится через конденсатоотводчик. Упаренный раствор после выпарного аппарата АВ поступает в трубное пространство холодильника, где остужается исходным раствором.

Движение  разбавленного раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическим  конденсатором КБ и вакуум-насосом  ВН. В барометрическом конденсаторе КБ вода, поступающая в конденсатор, и пар движутся в противоположных  направлениях (вода – сверху, пар  – снизу). Для увеличения поверхности  контакта фаз конденсатор снабжен  переливными полками. Смесь воды и конденсата удаляется из конденсатора самотеком через барометрическую  трубу в гидрозатвор.

Концентрированный раствор по трубопроводу отводится  в вакуум-сборники Е1, Е2 работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает по назначению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Инженерные  расчеты

3.1. Расчёт выпарного аппарата

 

Основные  уравнения материального баланса:

                                                                                                                      (1)

                                                                                                             (2)

где - массовый расход начального раствора, кг/с;

- массовый расход  конечного раствора, кг/с;

  - массовая доля растворенного вещества в начальном растворе;

  - массовая доля растворенного вещества в конечном растворе;

  W – расход вторичного пара, кг/с.

Решая совместно  уравнения (1) и (2)получаем:

 

 

 

 

По заданию  нам известно давление греющего пара – . Абсолютное давление можно найти по формуле:

 

 

 

 

По значению давления по паровой таблице из [2] путем интерполяции найдем температуру греющего пара.

 

Запишем формулу  интерполяции:

 

 

            

            

 

 

 

Температуру кипения мы определяем по формуле:

                                                                                                              (5)

Принимаем

 

 

 

Определим гидростатическое давление в кипятильных трубах по формуле:

 

 

 

где – давление, – конечная концентрация, t – температура кипения,

 

 

 

 

Откуда давление в кипятильных трубах:

 

 

 

Оптимальную высоту уровня в кипятильных  трубах [2] определяем по формуле:

                                                                                    (7)

Плотность воды можно рассчитать по формуле:

 

 

При

 

 

где ;

 

Подставляя  найденные значения и в формулу (7) получаем:

Давление вторичного пара в сепараторе при определяем по формуле:

;

.

По найденному давлению вторичного пара в сепараторе по таблице свойств [2]

путем интерполяции данных таблицы по формуле (4) находим t₁

 

 

Подставляя  в формулу (6) давление и , находим конечную температуру, при которой конечный раствор выводится из аппарата:

_{Выберем значение гидравлической депрессии из промежутка 0.5-1.5 ⁰C}

Dt_г.c.=1 °С

 

Температура вторичного пара в барометрическом  конденсаторе t₀,°С:

 

t₀= t₁-Dt_г.с.                                                                                                                               (10)

 

t₀= 68.583-1=68.583 °С

Определим температуру  разбавленного раствора поступающего в аппарат :

 

 

Тепловая нагрузка выпарного аппарата

 

 

где – расход теплоты на нагревание раствора, Вт;

 – расход теплоты на испарение влаги, Вт;

 – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду (3-5% от суммы ).

 

 

где – удельная теплоемкость разбавленного раствора, которая определяется при . Ее найдем по формуле

 

 

 

где

 – удельная теплоемкость воды, находится по формуле:

 

 

 

 

Тогда по формуле (12) теплоемкость разбавленного раствора будет равна:

 

 

 

 

 

Тогда по формуле (12) найдем расход теплоты на нагрев:

 

 

 

 

 

где – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре , из таблицы [2], кДж/кг;

 

2619

 

с_в – удельная теплоёмкость воды )

 

 )

 

Подставим полученные значения в формулу (15):

 

 Вт

 

 

Теперь, немного преобразовав формулу (11), можно рассчитать тепловую нагрузку:

 

 

 

 

Расход греющего пара в выпарном аппарате определяем по формуле:

 

 

где – удельная теплота конденсации греющего пара, определяем при температуре  по паровой таблице из [2]

 

 

 

Теперь по формуле (16) определяем :

 

 

 

Удельный  расход греющего пара определим по формуле

 

 

 

Запишем уравнение  теплопередачи:

 

 

где – коэффициент теплопередачи, ;

 – поверхность теплообмена, м²;

 – движущая  сила процесса теплопередачи, 

 

Коэффициент теплопередачи  определяется по формуле:

 

 

где – коэффициенты теплоотдачи кипящего раствора, ;

 – коэффициенты  конденсирующегося пара, ;

     – сумма термических сопротивлений стенки, включая слои загрязнений, .

 

Суммарное термическое сопротивление  стенки найдём по формуле:

                                                                         (20)   

где – термические сопротивления загрязнений стенки,

 – толщина  стенки,

 – коэффициент  теплопроводности стали, 

 

Значения  определяем из [2]:

 

 

 

Теперь по формуле (20) найдем суммарное термическое сопротивление стенки:

 

 

 

Коэффициенты  теплоотдачи  определяются по формулам:

 

 

 

 

Определим величины, входящие в уравнения (21), (22).

Высота труб H=H_тр=5м

 

Значение  функции А_t найдём при температуре t_гр.п. [2]:

 

A_t=6998

 

Функция определяется по формуле:

 

 

 

где определяем по формуле (8) при и :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 определяем по паровой  таблице из  [2] путем  интерполяции  по формуле (4):

 

 

 

Теперь определяем  по формуле (23) значение :

 

 

 

Для кипящего раствора коэффициент теплопроводности рассчитываем по формуле

 

 

где

 – коэффициент теплопроводности воды, .

 

 

При и получаем

 

 

 

 

Динамический  коэффициент вязкости рассчитываем по формуле

 

где ;

  – вязкость  воды, .

 

 

 

При и получаем

 

 

3.043

 

 

 

 

Найдем кинематическую вязкость по формуле:

 

 

 

 

Поверхностное натяжение  находим по таблице из [2] путем интерполяции при по формуле (4):

 

 

3.1.1. Метод итераций

 

Примем температуру  наружной стенки трубы t_ст1  меньшей чем t_гр.п. и равной:

 

 

Находим по формуле (21):

 

 

 

Удельный тепловой поток от пара к стенке равен:

 

                                                    (16)

 Вт/м²

Так как процесс  теплопередачи является установившемся, то количество теплоты q_конд равно количеству теплоты q_ст, которое передаётся от наружной стенки трубы с температурой t_ст1 к внутренней, с температурой t_ст2.

 

                                                                                   (30)  

Температуру t`_ст2 найдём из формулы (30):

                                                                                                         (31)

 

 

 

Находим по формуле (22), где

 

 

 

 

Температуру кипения  переведем в систему СИ:

 

 

 

 

 

Удельный тепловой поток от стенки к раствору 

 

 

 

 

Найдем погрешность 

 

 

 

 

Погрешность выше 5%.

 

Опустив все промежуточные приближения, в последнем получим:

 

 

(формула (31))

(формула (21))

(формула (22))

(формула (29))

(формула (33))

(формула (34))

 

По полученным данным найдем коэффициент  теплопередачи по формуле (19):

 

 

Поверхность теплообмена  выразим  из уравнения теплопередачи (18):

 

 

 

 

С учетом запаса в 20% получим .

 

По полученной поверхности теплообмена по [1]выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой.

 

Таблица 1. Основные размеры выпарного аппарата.

, м2	, мм	, мм не менее	, мм не более	, мм не более	, мм не более	, кг не более

 

 – диаметр греющей камеры

 – диаметр сепаратора

 – диаметр циркуляционной трубы

 – высота аппарата

 – масса аппарата

 – длина трубы

 – номинальная поверхность  теплообмена

3.2. Расчет холодильника

 

Рис. 2. Температурная схема движения теплоносителей в холодильнике.

 

(дана в задании)

(нашли в 3.2)

(задаем сами)

Конечную  температуру разбавленного раствора определим из условий теплового баланса:

 

 

 

где расходы разбавленного и концентрированного раствора соответственно, кг/с,

начальные теплоемкости растворов,

 

Теплоемкость  раствора будем искать по формуле (14): разбавленного – при , концентрированного – при

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда конечная температура разбавленного раствора

 

 

 

 

Среднюю разность температур находим по формуле:

 

 

где – большая и меньшая разности температур, .

 

 

 

 

Получаем 

 

 

 

Определим средние  температуры теплоносителей. Так  как разность температур на входе  и на выходе для разбавленного  раствора меньше, то его среднюю  температуру найдем как среднее  арифметическое начальной и конечной температур:

 

 

Температуру раствора найдем в виде суммы температуры исходного разбавленного раствора и :

 

 

 

Теперь рассчитаем теплоту, выделяемую раствором при охлаждении:

 

 

 

Для этого заново найдем теплоемкость концентрированного раствора (формула (14) при

 

 

 

 

 

 

Принимаем по [2] ориентировочный коэффициент теплопередачи . Рассчитываем ориентировочную поверхность по формуле (35):

 

 

 

С учетом запаса в 20% площадь теплообмена составит

 

Запишем критерий Рейнольдса для трубного пространства:

 

 

 

где – средняя скорость потока, м/с;

 – эквивалентный  диаметр, м;

 – плотность раствора, кг/м³;

 – динамический коэффициент вязкости, .

 

По заданию  режим течения теплоносителей должен быть турбулентный, т.е.

 . Пусть .

 

Найдем плотность  и вязкость концентрированного раствора при  по формулам (8) и (26) соответственно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Площадь трубного пространства будет

 

 

 

 

 

Как видно  из таблицы [2] ни один кожухотрубчатый теплообменник нас не устраивает. Значит, нужно выбирать теплообменник типа «труба в трубе» [3]:

 

 

 

 

Таблица 3. Основные параметры выбранного теплообменника «труба в трубе» (холодильник).

Диаметр трубы, мм		Площадь проходного сечения,		Поверхность теплообмена, м2	Длина труб, м
теплообменной	кожуховой	внутри теплообменной трубы	в кольцевом пространстве

 

Условие выполняется.

 

Снова рассчитаем , выразив ее из формулы (42):

 

 

 

Сосчитаем критерий Рейнольдса при новой скорости по формуле (40):

 

 

(здесь )

 

В кольцевом  пространстве режим также должен быть турбулентным. Проверим это:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

()

 

 

Рассмотрим охлаждение концентрированного раствора в трубном пространстве аппарата.

Коэффициент теплоотдачи a_охл.р определяется по формуле :

 

(43)

 

Где :

           λ  – коэффициент теплопроводности  при t_ср.р   и x_кон, Вт/(мК);

Nu – критерий Нуссельта;

d_э – эквивалентный диаметр, м.

 

Т.к. режим течения раствора турбулентный, принимаем для расчета критерия Нуссельта формулу [2]:

 

(44)

 

где – поправочный коэффициент;

 – критерий Рейнольдса;

 – критерий Прандтля;

 – критерий  Прандтля при температуре стенки  трубы.

 

Критерий Прандтля для раствора :

 

(45)

 

где – удельная теплоемкость, ;

 – динамический коэффициент вязкости, ;

 – коэффициент теплопроводности, .

 

Динамический  коэффициент вязкости и удельную теплоемкость при мы уже находили:

 

 

 

 

Определим теплопроводность раствора при этих же параметрах по формуле (25)

 

 

 

 

Таким образом, критерий Прандтля по формуле (45) при температуре t_cт1 будет равен:

 

 

 

4.2.1. Метод итераций

Для расчётов коэффициентов теплоотдачи a_нагр.р,  a_охл.р воспользуемся методом итераций.

В первом приближении примем температуру  внутренней стенки трубы равной

 

             t_ст1 = 46.3 °C

 

Рассчитаем коэффициент теплопроводности для t_cт1 по формуле (28):

 

 

 

Находим удельную теплоемкость упаренного раствора при t_cт1

Для этого рассчитаем теплоёмкость воды при t_cт1 по формуле (13):

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитаем динамический коэффициент  вязкости для t_cт1 по формуле (26):

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

По формуле (43) найдем критерий Нуссельта

 

 

 

 

Определяем α_охл по формуле (43):

 

 

 

Удельный тепловой поток со стороны концентрированного раствора равен:

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим нагрев исходного раствора в межтрубном пространстве холодильной  установки:

 

Находим температуру стенки со стороны  раствора по формуле:

 

 

 

Расчёт термического сопротивления  проведём по формуле (20):

Тепловая проводимость загрязнённых стенок равна: