Выпарная установка К2СО3

Содержание

 

Аннотация ……………………………………………………………

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

Введение ……………………………………………………….…….

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

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

3. Задание ………………………………………………….…………

4. Расчет выпарной установки

4.1. Расчет концентраций упариваемого раствора. …………

4.2. Определение температур кипения растворов. ………….

4.3. Расчет полезной разности температур ……………….…

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

4.5. Выбор конструктивного материала …………….………..

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

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

4.8. Уточненный расчет поверхности теплопередачи………..

Заключение……………………………………………………………..

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

В данной курсовой работе произведен расчет выпарной установки для Концентрирования водного раствора К₂СO₃ от начальной Концентрации х_н = 7 % до Конечной х_к = 47 % , согласно расчётам выбран выпарной аппарат, выполнены 2 графические работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

Рисунок 1 Выпарной аппарат с горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и вертикальным цилиндрическим корпусом:

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

 

Рисунок 2 Змеевиковый выпарной аппарат:

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

 

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.

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.

 

 

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

 

 

Рисунок 9  Роторный прямоточный выпарной аппарат:

1 – корпус; 2 – паровая рубашка; 3 – ротор; 4 – скребки.

 

Рисунок 10 Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией:

1 – нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3-циркуляционная труба; 4 – циркуляционный насос.

 

 

Рисунок 11 Выпарной аппарат с тепловым насосом:

1 – выпарной аппарат; 2 – струйный компрессор (инжектор).

 

 

 

Рисунок 12  Барботажный выпарной аппарат типа Хемико:

1 – выносная топка; 2 – цилиндрический корпус; 3 - труба для подачи слабого раствора кислоты; 4-7 – барботажные трубы; 8-труба для отвода упариваемой кислоты.

 

 

 

Рисунок 13 Выпарной аппарат с погружной горелкой:

1 – корпус; 2 – горелка; 3 – переливная труба; 4 – сепаратор.

 

2 Описание технологической схемы

 

 

Рисунок 14   Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:

1— емкость исходного раствора; 2, 10 — насосы; 3 —теплообменник-подогреватель; 4, 5, 6 — выпарные аппараты; 7 — барометрический конденсатор; 8 — вакуум-насос; 9 — гидрозатвор; 11 — емкость упаренного раствора; 12 — конденсатоотводчик.

 

В приведенном ниже типовом примере расчета трехкорпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной греющей камерой) и кипением раствора в трубах, даны также рекомендации по расчету выпарных аппаратов некоторых других типов: с принудительной циркуляцией, вынесенной зоной кипения, пленочных.

Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки показана на рисунке   . Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости / 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 концентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего и  второго корпуса.

Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 18). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Задание на проектирование.

 

Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования G_H = 38000 кг/ч (10,56 кг/с) водного раствора К₂СO₃ от начальной концентрации х_н = 7 % до конечной х_к = 47 % при следующих условиях:

1. Обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р_r1 = 1,3 МПа.
2. Давление в барометрическом Конденсаторе Р_бк = 0,02 МПа.
3. Выпарной аппарат — тип 1, исполнение 2.
4. Взаимное направление пара и раствора — прямоток.
5. Отбор экстрапара не производится.
6. Раствор поступает в первый корпус подогретым до температуры кипения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  Проектирование трехкорпусной выпарной установки

 

1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

 

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

                                                                                        (1)

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур ∆t_П 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 определяют из уравнения материального баланса:

W=G_H(1-x_н/х_к)                                                                               (2)

Где G_H – производительность , кг/с; (из задания);

x_н – начальная концентрация, %; (из задания);

х_к – конечная концентрация, %; (из задания).

Получим:

W=10,56(1-7/47)=8,98 кг/с

 

4.1 Расчёт концентраций 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:

ω₁ : ω₂: ω₃ = 1,0 : 1,1 : 1,2

Тогда

= 2,72 кг/с

= 2,99 кг/с

= 3,27 кг/с

Где W - производительность установки, кг/с, (2).

Проверяем

W = ω₁ + ω₂+ ω₃ =2,72 + 2,99 + 3,27 = 8,98 кг/с

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

= 0,094 (9,4 %)

= 0,152 (15,2 %)

= 0,47 (47 %)

где G_H – производительность , кг/с; (из задания);

x_н – начальная концентрация, %; (из задания);

х_к – конечная концентрация, %; (из задания).

Концентрация раствора в последнем корпусе х₃ соответствует заданной Концентрации упаренного раствора х_к.=47%.

 

4.2 Определение температур кипения растворов

 

Общий перепад давлений в установке равен:

∆Р_об = P_r1 – P_бк = 1,3 – 0,02 = 1,28 МПа

где P_r1 - обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р_r1 = 1,3 МПа (из задания);

P_бк - давление в барометрическом конденсаторе, Р_бк = 0,02 МПа  (из задания)

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах (в МПа) равны

Р_r1 = 1,3 МПа (из задания)

Р_r2 = Р_r1 - ∆Р_об /3 = 1,3 - 1,28/3 = 0,8733 МПа

Р_r3 = Р_r2 - ∆Р_об /3 = 0,8733 - 1,28/3 = 0,4466 МПа

Давление пара в барометрическом конденсаторе

Р_бк = Р_r3 - ∆Р_об /3 = 0,4466 - 1,28/3 = 0,02 МПа

что соответствует заданной величине Р_бк из задания

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии [1, Таблица LVII](см список используемой литературы) методом интерполирования:

 

Таблица 1

 

Давление, МПа	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг
Рr1 = 1,3	tr1 = 191,6	I1 = 2793
Рr2 =0,8733	tr2 = 174	I2 =2780
Рr3 =0,4466	tr3 = 147	I3 =2749
Рбк =0,02	tбк = 59,7	Iбк =2607

 

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. 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.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе 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 = 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °С) равны:

Сумма гидродинамических депрессий

По температурам вторичных паров определим их давления [1](см список используемой литературы):

 

Таблица 2

 

Температура, °С	Давление, МПа
tВП1 = 175	РВП1 = 0,8972
tВП2 = 148	РВП2 = 0,4516
tВП3 = 60,7	РВП3 = 0,02

 

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

                                                                   (3)

где Н — высота кипятильных труб в аппарате, м;

       ρ — плотность кипящего раствора, кг/м³;

       ε — паронаполнение (объемная доля пара в кипящем растворе),  м³/м³.

Для выбора значения Н необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата F_op. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q =20000 — 50000 Вт/м², аппаратов с принудительной циркуляцией q = 40000 — 80000 Вт/м².

Примем q = 45000 Вт/м².

Тогда поверхность теплопередачи 1-го корпуса ориентировочно равна:

м²

где r₁ — теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг

      ω₁ - производительность по выпариваемой воде в первом корпусе, ω₁= 2,95 кг/с (см 1.1)

По ГОСТ 11987—81 [2] (см список используемой литературы) трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре d_H = 38 мм и толщине стенки б_ст = 2 мм.

Примем высоту кипятильных труб Н = 4 м.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε = 0,4—0,6.

Примем ε = 0,5.

Плотность водных растворов, в том числе раствора К₂СO₃ (см список используемой литературы), при температуре 20°С и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

ρ₁ = 1044 кг/м³,

ρ₂  = 1130 кг/м³,

ρ₃= 1535 кг/м³,

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем изменением ее с повышением температуры от 20 °С до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочно принятого значения ε.

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

Па

Па

Па

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [1 ] (см список используемой литературы):

 

Таблица 3

 

Давление, МПа	Температура, 0С	Теплота испарения, кДж/кг
Р1ср= 0,9074	t1cр = 175,67	rвп1 = 2036
Р2ср= 0,4627	t2cр = 148,8	rвп2 = 2124
Р3ср= 0,035	t3cр = 71,1	rвп3 = 2330

 

Определяем гидростатическую депрессию по корпусам (в °С):

Сумма гидростатических депрессий равна:

 ⁰С

Температурная депрессия определяется по уравнению

                                                                 (4)

где Т — температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

— температурная депрессия при атмосферном давлении (см список используемой литературы).

Находим значение по корпусам (в °С):

=

=

=

Сумма температурных депрессий равна:

⁰С

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °С):

 

4.3 Расчет полезной разности температур

 

Общая полезная разность температур равна:

Полезные разности температур по корпусам (в °С) равны:

Тогда общая полезная разность температур

°С

Проверим общую полезную разность температур:

°С

 

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:

                        (8)

            (9)

     (10)

                                                                                     (11)

где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3 % потерь тепла в окружающую среду.

При решении уравнений (8)—(11) можно принять

;

;

;

Q_1Конц, Q_2Конц, Q_3Конц - теплота концентрирования по корпусам, кВт;

t_Н — температура кипения исходного раствора при давлении в 1-м корпусе, °С:

°С

где - температурная депрессия для исходного раствора.

Анализ зависимостей теплоты концентрирования от концентрации и температуры (см список используемой литературы) показал, что она наибольшая для третьего корпуса. Поэтому рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса:

Q_3Конц = G_сух∆q = G_Hx_H∆q                                                              (12)

где G_сух - производительность аппаратов по сухому Са₂СO₃, кг/с;

       ∆q - разность интегральных теплот растворения при концентрациях х₂ и х₃, кДж/кг

Q_3Конц = 10,56 · 0,07(955,2-825,4)=95,95 кВт

Сравним Q_3Конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q_3ор:

кВт

Поскольку Q_3Конц составляет значительно меньше 3 % от Q_3оp, в уравнениях тепловых балансов по корпусам пренебрегаем величиной Q_Конц.

 

Получим:

 

Решение системы уравнений дает следующие результаты:

D = 2,89 кг/с;

ω₁ = 2,75 кг/с;

ω₂ = 3,02 кг/с;

ω₃ = 3,21 кг/с;

Q₁ = 5829 кВт;

Q₂ = 5715 кВт;

Q₃ = 6523 кВт;

Полученные величины сводим в таблицу.

Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых (ω₁ = 2,72 кг/с, ω₂ = 2,99 кг/с, ω₃ = 3,27 кг/с) не превышает 3 %, поэтому не будем пересчитывать Концентрации и температуры кипения растворов по корпусам.

 

Таблица 4 Параметры растворов и паров по корпусам

 

Параметр	Корпус
	1	2	3
Производительность по испаряемой воде ω, кг/с	2,75	3,02	3,21
Концентрация растворов х, %	9,4	15,2	47
Давление греющих паров Рr, МПа	1,3	0,8733	0,4466
Температура греющих паров tr, 0С	191,6	174	147
Температурные потери , град	3,27	4,24	18,79
Температура кипения раствора tк, 0С	177,27	151,24	78,49
Полезная разность температур , град	14,33	22,76	68,51