Проектирование однокорпусной выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора производительностью по исходно

Санкт-Петербургский  Государственный Технологический  Институт

(Технический Университет)

 

 

Кафедра процессов  и аппаратов

 

Факультет 8

Курс 3

Группа 

 

Учебная дисциплина: Химико-технологические процессы и производства                                                    

                                                                                                      

Курсовой проект

 

Тема:  Проектирование однокорпусной выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора производительностью по исходному раствору.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель:   Борисова Е.И.                                                          Студент:  Страхова Е. В.

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

Задание по курсовому проектированию № 4

 

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.

 

Дополнительные  указания:

1. Выполнить подробный расчет греющей камеры выпарного аппарата. Тип аппарата: выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора, с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах.
2. Выполнить ориентировочный расчет теплообменных аппаратов (подогревателя для исходного раствора и холодильника концентрированного раствора). Тип аппаратов: кожухотрубчатые теплообменники или теплообменники «труба в трубе»

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

 

Исходные  данные:

Растворенное  вещество:

Производительность  по исходному раствору

Содержание  растворенного вещества:

Начальное –

Конечное –

Давление  в аппарате (изб.)

Начальная  температура раствора

Температура охлаждающей воды .

Температура концентрированного раствора после  охлаждения

Теплообменный аппарат: холодильник.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение                                                                                                                                  4

1 Аналитический обзор  6

2 Цели и  задачи проекта                                                                                                     8

3 Основная  часть                                                                                                                   9

4 Инженерные  расчеты        11

4.1 Расчёт выпарного аппарата                                                                                                11

4.2 Расчёт барометрического конденсатора                                                                        18

4.3Расчёт производительности вакуум-насоса  20

4.4 Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов 21

5 Выводы по  проекту                                                                  24

Список используемых источников 25

 

 

Введение

 

Выпаривание – это процесс концентрирования  растворов твердых 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. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов  до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

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 этом курсовом проекте  используется выпарная установка, работающая под вакуумом. Для создания вакуума  в выпарной установке обычно применяют  конденсаторы смешения  с барометрической  трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаются чаще всего при температуре окружающей среды (около 20°С ). 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.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки  с высокой производительностью  за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м² в единичном аппарате).

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 кипением в трубах. 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.

Высота парового пространства должна обеспечивать сепарацию из пара капелек жидкости, выбрасываемых  из кипятильных труб.

Вторичный пар, проходя  сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

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

Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются  условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом плотность раствора в выносной циркуляционной трубе  больше, чем в циркуляционных трубах, размещенных в греющих камерах, что обеспечивает сравнительно высокую  скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности  нагрева.

 

1.Аналитический обзор

 

Процессы  выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном  давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла  вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при  атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается  расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды). Применение вакуума дает возможность  проводить процесс при более  низких температурах, что важно в  случае концентрировании растворов  веществ, склонных к разложению при  повышенных температурах. Также дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при  применении вакуума удорожается  выпарная установка, поскольку требуются  дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а так же увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд не связанных  с процессом выпаривания. Такой  способ выпаривания позволяет лучше  использовать тепло, чем при выпаривании  под вакуумом. Этот способ применяется  лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, необходимы греющие агенты с более высокой  температурой.

При выпаривании под атмосферным  давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания  является наиболее простым, но наименее экономичным.

Простейшими выпарными аппаратами со свободной  циркуляцией раствора являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы под атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под  вакуумом. Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этих аппаратов очень невелики. Значительно большей поверхностью нагрева в единице объема обладают змеевиковые выпарные аппараты. Выпарные аппараты со свободной циркуляцией раствора в настоящее время вытеснены в большинстве производств выпарными аппаратами более совершенных конструкций, в частности вертикальными трубчатыми аппаратами.

В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при  многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

В аппаратах с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой циркуляционная труба, как и  кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси  и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также  жесткое крепление кипятильных  труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и  корпуса аппарата.

В аппаратах с подвесной нагревательной камерой кольцевой канал имеет  большое поперечное сечение и  находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное  воздействие на циркуляцию раствора. Интенсивность циркуляции в аппаратах  с подвесной нагревательной камерой (как и в аппаратах с центральной  циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка, которых приводит к частым и длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей.

Конструкции аппаратов с выносными циркуляционными  трубами несколько более сложны, но в них достигается более  интенсивная теплопередача и  уменьшается расход металла на 1 м² поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

Аппарат с выносной нагревательной камерой  работает при более интенсивной  естественной циркуляции, обусловленной  тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура  имеют значительную высоту.

В аппаратах с вынесенной зоной  кипения кипящий раствор не соприкасается  с поверхностью теплообмена, что  уменьшает отложение накипи. В  этих аппаратах значительно снижается  брызгоунос, достигается большая скорость циркуляции раствора, что приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизирующихся растворов умеренной вязкости.

Принципиальное  отличие прямоточных аппаратов  с естественной циркуляцией состоит  в том, что выпаривание в них  происходит при однократном прохождении  выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. В таких  аппаратах достигается снижение температурных потерь, обусловленных  гидростатической дисперсией.

В роторных прямоточных аппаратах  достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем  роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой  стоимостью эксплуатации, вследствие вращающихся частей (ротора).