Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Января 2014 в 20:25, курсовая работа
Выполнить проект однокорпусной выпарной установки для концентрирования водного раствора . Производительность по исходному раствору Gн=5кг/с. Раствор упаривается от концентрации Хн=10% до Хк=25%. Давление греющего пара Р=0,2МПа, давление в барометрическом конденсаторе Ро=0,04МПа. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору равен К=800Вт/м²К. Исходный раствор перед подачей в выпарной аппарат подогревается греющим паром в кожухотрубчатом теплообменнике от температуры tн=25°С до температуры кипения. Рассчитать поверхности нагрева выпарного аппарата и теплообменника для подогретого разбавленного раствора. Выполнить расчет барометрического конденсатора.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
Профессионального образования
Санкт-Петербургский
Государственный
(Технический университет)
Кафедра инженерной защиты окружающей среды
Курсовая работа
Проект однокорпусной выпарной установки
Выполнил: студент ____________________________
____________________________
Проверил: ____________________________
____________________________
Санкт-Петербург
2010г.
Задание на курсовой проект:
Выполнить проект однокорпусной выпарной установки для концентрирования водного раствора . Производительность по исходному раствору Gн=5кг/с. Раствор упаривается от концентрации Хн=10% до Хк=25%. Давление греющего пара Р=0,2МПа, давление в барометрическом конденсаторе Ро=0,04МПа. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору равен К=800Вт/м²К. Исходный раствор перед подачей в выпарной аппарат подогревается греющим паром в кожухотрубчатом теплообменнике от температуры tн=25°С до температуры кипения. Рассчитать поверхности нагрева выпарного аппарата и теплообменника для подогретого разбавленного раствора. Выполнить расчет барометрического конденсатора. Представить схему однокорпусной вакуум-выпарной установки и выполнить чертеж выпарного аппарата.
Оглавление
1. Введение
Процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении, называется выпариванием. Выделение солей из водных растворов в виде кристаллов – типичный процесс в химической технологии. В промышленных масштабах растворы в пересыщенном состоянии можно получать различными способами, однако наибольший практический интерес представляет именно выпаривание.
Выпарные установки и аппараты применяются в химической, металлургической, микробиологической промышленности, в производстве различных минеральных солей, органических полупродуктов и удобрений, белково-витаминных концентратов, кормовых дрожжей и других продуктов, а также для регенерации различных растворов с целью возврата их в технологический цикл и термического обезвреживания промышленных стоков.
Простое выпаривание осуществляется на установках небольшой производительности, когда экономия тепла не имеет большого значения. Кроме того, простое выпаривание на установках периодического действия оправдывается в случае выпаривания растворов, отличающихся высокой депрессией. При простом выпаривании сточную жидкость нагревают до 100°С, что вызывает большой расход тепла. В процессе простого выпаривания после удаления растворителя низкомолекулярные фракции остаются в осадке и, соответственно, снижают прочностные показатели образцов.
Преимущества выпаривания в вакууме обусловливаются
следующими обстоятельствами.
1. В разреженном пространстве все жидкости
кипят при более низких температурах,
чем при атмосферном давлении. Это дает
возможность уменьшить величину поверхности
теплопередачи в вакуум-выпарном аппарате,
так как при пониженной температуре кипения
достигается значительно большая разность
температур между греющим паром и кипящим
раствором. Это же обстоятельство позволяет
использовать для нагревания при выпаривании
в вакууме пар низкого давления, что имеет
большое значение там, где в производстве
имеется отработанный мятый пар.
2. Выпаривание в вакууме позволяет концентрировать
такие растворы, которые при атмосферном
давлении кипят при высоких температурах
и кипячение которых при атмосферном давлении,
во-первых, может иногда повести к целому
ряду побочных процессов, изменяющих свойства
раствора (окисление, осмоление, осахаривание
и т. п.), и во-вторых, всегда требует нагревания
паром высокого давления или топочными
газами.
3. Наконец, за счет пониженной температуры
кипения в вакуум-выпарных аппаратах потери
тепла в окружающую среду, а стало быть
и расход греющего пара, идущего на компенсацию
этих потерь, будут значительно меньше,
чем при простом выпаривании.
Однако вакуумные выпарные установки более сложны в отношении оборудования и в эксплуатации.
Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих
требований, к числу которых относятся: высокая производительность и
интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в
эксплуатации,
легкость очистки поверхности
ремонта и замены отдельных частей.
Вместе с тем выбор
определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами
выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)
Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие
производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции
раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и
уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре
греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается
температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно
учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе
оптимальной конструкции.
Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных
аппаратов различных типов.
Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~8(10-3 Па(с, без
образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные
аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее
эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.
Выпаривание
достигающей порядка 0.1 Па(с, производят в аппаратах с принудительной
циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в
роторных прямоточных аппаратах.
В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются
благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к
повышенным температурам.
Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для
выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.
Для сильно пенящихся
поднимающейся пленкой.
В данном проекте представлена однокорпусная вакуум-выпарная установка.
2. Технологическая схема и ее описание.
В данной установке использованы кожухотрубчатый горизонтальный теплообменник (1), выпарной аппарат с естественной циркуляцией и внутренней циркуляционной трубой (2), барометрический конденсатор (3), вакуум-насос (4).
В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор хлорида кальция под вакуумом.
Исходный раствор СаCl2 в теплообменник, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.
Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическим конденсатором и вакуум-насосом. В барометрическом конденсаторе вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по барометрической трубе.
Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения. Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.
В данном выпарном аппарате в нижней части вертикального корпуса находится нагревательная камера, состоящая из двух трубных решёток, в которых закреплены развальцованные кипятильные трубы и циркуляционная труба большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подаётся греющий пар. Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит в следствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и паро-жидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объёма упаренного раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от её диаметра, а объём жидкости в трубе пропорционален квадрату её диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах
должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют 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 неконденсирующиеся газы.
3. Основные свойства рабочих сред
Основными средами для данной установки по условиям задачи являются вода, насыщенный водяной пар и раствор хлорида кальция.
Вода – прозрачная жидкость, не имеющая (в малом объеме) цвета и запаха. Химическая формула: . В твердом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном – водяным паром. Молярная масса воды 18г/моль.
Давление Р, МПа |
t кипения, °С |
Плотность Ρ, кг/м³ |
Динамич.вязкость μ, 10¯³м²/с |
Теплоемкость С, Дж/кгК |
0,1 |
100 |
1 |
0,54 |
4190 |
Пар — газообразное состояние вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазами того же вещества. Процесс возникновения пара из жидкой (твёрдой) фазы — называется "парообразованием". Обратный процесс называется конденсация.
Насыщенный пар — пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твердым телом того же состава. Давление насыщенного пара сильно зависит от температуры.
Давление Р, МПа |
Температура t°C |
Энтальпия I, кДж/кг |
0,04 |
75,4 |
2632 |
0,038 |
76,4 |
2636 |
0,052 |
80,9 |
2307 |
0,2 |
119,6 |
2607 |