Выпарные аппараты

Аннотация

 

 

Курсовая работа содержит пояснительную записку и 2 листа  формата А1 графического материала. Пояснительная записка содержит 41 страницу, 5 таблиц, 7 рисунков.

Целью курсового проекта  является разработать проектно-конструкторскую  документацию на выпарную установку непрерывного действия. В данном курсовом проекте разработана установка для выпаривания водного раствора CuSO₄. Представлен полный расчет выпарного аппарата, подробно рассчитан теплообменник для подогрева исходного раствора, барометрический конденсатор, вакуум-насос.

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначения и сокращения

 

 

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, ω — производительность по испаряемой воде, кг/с;

х — концентрация, % (масс.);

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

p — плотность, кг/м³;

μ— вязкость, Па·с;

λ— теплопроводность, Вт/(м·К);

σ — поверхностное натяжение, Н/м;

Re — критерий Рейнольдса;

Nu — критерий Нуссельта;

Р_r — 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;

cm — стенка.

 

 

 

 

 

 

Нормативные ссылки

 

 

ГОСТ 11987-81. Аппараты выпарные трубчатые.

ОСТ 26716-73. Барометрические  конденсаторы.

ГОСТ 11987-73. Аппараты выпарные трубчатые.

ГОСТ 1867-57 Вакуум-насосы низкого давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Выпаривание – процесс  концентрирования растворов нелетучих  веществ путем удаления жидкого  летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается  в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Процесс выпаривания относится  к числу широко распространенных. Последнее объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт (для сокращения объемов тары и транспортных расходов) они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

Концентрирование растворов методом  выпаривания – один из наиболее распространенных технологических  процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. На выпаривание растворов расходуется огромное количество тепла, а на создание выпарных установок – большое количество углеродистых и легированных сталей, никеля и других металлов. Поэтому в каждом конкретном случае необходима рациональная организация процесса выпаривания, что позволяет обеспечить максимальную производительность выпарной установки при минимальных затратах тепла и металла.

 

1. Литературный обзор

 

1.1 Теоретические основы  процесса выпаривания

 

Выпариванием называют процесс  концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении.

Сущность выпаривания  заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося  сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Выпаривание ведется  таким образом, чтобы при заданной производительности получить сгущенный  раствор требуемой концентрации надлежащего качества без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе топлива.

Концентрирование растворов  методом выпаривания – один из наиболее распространенных технологических  процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. Это объясняется тем, что многие вещества, например гидроксид натрия, гидроксид калия, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт (для сокращения объемов тары и транспортных расходов) они должны поступать в виде концентрированных продуктов. На выпаривание растворов расходуется огромное количество тепла, а на создание выпарных установок – большое количество углеродистых и легированных сталей, никеля и других металлов. Поэтому в каждом конкретном случае необходима рациональная организация процесса выпаривания, что позволяет обеспечить максимальную производительность выпарной установки при минимальных затратах тепла и металла.

Особенностью процесса выпаривания является то, что в парах кипящих растворов нормально содержатся только пары чистого растворителя, а растворённое вещество является нелетучим. Это положение, лежащее в основе теории и методов расчета выпарных аппаратов для большинства растворов твердых веществ вполне оправдывается.

Удаляемый в парообразном состоянии  растворитель чаще всего представляет собой водяной пар, носящий название вторичного пара. Общий материальный баланс аппарата выражается уравнением:

 

G_н=G_к+W,                                                                                                                  (1.1)

 

где G_н – количество поступающего исходного раствора с концентрацией b_н; G_к – количество удаляемого упаренного раствора с концентрацией b_к; W – количество растворителя.

Материальный баланс по абсолютно  сухому веществу, находящемуся в растворе:

 

,                                                                                                            (1.2)

 

Тепло для выпаривания можно  подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют насыщенный или слегка перегретый водяной пар, который называется греющим, или первичным /3/. Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин. Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном прикосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями. Также может применяться электрический обогрев.

Уравнение теплового баланса:

Q+G_нс_нt_н= G_кс_кt_к+W·i_вт+Q_пот±Q_д,                                                                             (1.3)

где Q – расход теплоты на выпаривание; с_н, с_к – удельная теплоемкость начального (исходного) и конечного (упаренного) раствора; t_н, t_к – температура начального раствора на входе в аппарат и конечного на выходе из аппарата; i_вт – удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата; Q_пот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду; Q_д – теплота дегидратации.

Передача тепла от теплоносителя к кипящей жидкости возможна при наличии температурного перепада (полезной разности температур) между ними. Это объясняется тем, что теплопередача, как и все естественные процессы, всегда идёт от высшего уровня к низшему, поэтому температура конденсации пара должна быть выше температуры кипения раствора что означает, что давление пара в греющем пространстве должна быть выше, чем в паровом.

Протекание теплоносителей в греющей камере происходит под  действием напора, создаваемого извне. Скорость течение теплоносителей по трубкам в большинстве случаев определяется естественной циркуляцией, зависящей от разности удельных весов закипающего в греющей камере раствора, пронизанного пузырьками пара, и раствора, опускающегося по циркуляционной трубе.

 

2. Основные технологические схемы

 

Процесс выпаривания осуществляется либо в аппарате однократного, либо многократного действия. В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается. В промышленных условиях наиболее распространены аппараты многократного действия /З/.

Расход греющего пара на выпаривание растворов в однокорпусных аппаратах весьма велик и в ряде производств составляет значительную долю себестоимости конечного продукта /1/. Для уменьшения расхода греющего пара широко используют многокорпусные выпарные аппараты.

Принцип действия многокорпусных аппаратов заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путём последовательного соединения нескольких одно корпусных аппаратов, позволяющем использовал вторичный пар каждого предыдущего корпуса для обогрева последующего. Для практического осуществления такого многократного использования одного и того же количества тепла требуется, чтобы температура вторичных паров каждого последующего корпуса была выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Это требование легко выполняется путем понижения рабочего давления в корпусах по направлению от первого к последнему. С этой целью устанавливается сравнительно высокая температура кипения в первом корпусе и температура 50-60^о С в последнем корпусе выпарной установки под разряжением, который соединяется с конденсатором, снабженным вакуум-насосом.

Если греющий пар  и жидкий раствор поступают в  первый, «головной», корпус выпарной установки, то последняя называется прямоточной (Рис. 1). По такому принципу работает большинство выпарных установок. Если же греющий пар поступает в первый по порядку корпус, а жидкий раствор - в последний и переходит из последнего корпуса к первому, то установка называется противоточной (Рис. 2.)

Такое встречное движение пара и раствора применяется в случае упаривания растворов с высокой вязкостью и большой температурной депрессией в целях повышения коэффициентов теплопередачи. Однако одновременно усложняется и обслуживание аппарата в связи с тем, что подобная схема требует установки между каждыми двумя корпусами установки насосов для перекачки раствора, движущегося по направлению возрастающих давлений, не говоря уже об дополнительных затратах на расход энергии на насосы.

При выпаривании кристаллизующихся  растворов их перегон из корпуса в корпус может сопровождаться закупоркой соединительных трубопроводов и нарушением нормальной работы установки /4/. При этом часто используют аппараты с параллельным питанием корпусов. Здесь раствор выпаривается до конечной концентрации в каждом корпусе, а пар, как и в предыдущих двух схемах, движется последовательно по направлению от первого корпуса к последнему. В этом же направлении снижаются рабочие давления и температуры каления раствора в корпусах.

 

Рис. 1 - Многокорпусная прямоточная вакуум - выпарная установка: 1-3 – корпуса установки; 4 – подогреватель исходного раствора; 5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – вакуум-насос

Рис. 2 - Многокорпусная противоточная  выпарная установка: 1-3 – корпуса  установки; 4-6 – насосы

 

В химической промышленности применяются в основном непрерывно-действующие  выпарные установки. Лишь в производствах  малого масштаба, а также при выпаривании  растворов до высоких конечных концентрации; иногда используют аппараты периодического действия.

При периодической выпарке  в аппарат загружают определенное количество раствора начальной концентрации, подогревают его до температуры  кипения и выпаривают до заданной концентрации. Затем упаренный раствор  удаляют из аппарата, вновь заполняют  ею свежим раствором и процесс повторяют. Установки периодического действия обычно выполняются в виде отдельных аппаратов. Осуществить многоступенчатую выпарную установку с выпарными аппаратами периодического действия невозможно, так как не удастся согласовать режимы работы и производительность отдельных аппаратов.

Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются  по давлению вторичного пара в последнем  корпусе. В соответствии с этим признаком  установки делятся на работающие под разряжением, под избыточным и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Потребляя пар относительно высокого давления и многократно  используя его теплосодержание  для выпаривания воды из раствора, выпарные аппараты могут использовать почти все количество потребляемого вторичного пара в виде экстра-паров более низких давлений, отбираемых из отдельных корпусов, что происходит в многокорпусных аппаратов без всякого ущерба для основного процесса.

Установки, в которых  последняя ступень находится  под некоторым избыточным давлением, называются выпарными установками  с противодавлением Уменьшение давления вторичного пара последней ступени  связано с уменьшением полезною перепада температур на установку, т.е. приводит к уменьшению кратности использования пара, что снижает экономические показатели.