выпарной аппарат. Курсовой проект. Выпарная установка для концентрирования 15 тонн. Курсовой проект тема Студент Колтыга И. А. Руководитель Смирнов Н. Н

• Название: Курсовой проект тема Студент Колтыга И. А. Руководитель Смирнов Н. Н
• Анкор: выпарной аппарат
• Дата: 11.04.2023
• Размер: 0.64 Mb.
• Имя файла: Курсовой проект. Выпарная установка для концентрирования 15 тонн.doc
• Тип: Курсовой проект; #1052955
• страница: 2 из 3

Аппараты с выносными циркуляционными трубами

Как отмечалось, естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор, на опускном участке циркуляционного контура будет охлаждаться. Этим увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами / Приложение 1, рис 2 /. При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры 1 может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата / Приложение 1, рис.1 /, а циркуляционные трубы 2 компактно размещены вокруг нагревательной камеры. На рис. 2, показан аппарат с одной циркуляционной трубой, причём центробежный брызгоуловитель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределы сепарационного (парового) пространства 4 аппарата.

Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но вних 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.

Аппараты с выносной нагревательной камерой.

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

Аппарат с выносной нагревательной камерой / Приложение 1, рис.3 /, имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. 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 1 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 2. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, 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. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 3, у которого удалена циркуляционная труба.

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.
Аппараты с вынесенной зоной кипения.

При скоростях 0.25-1.5 м/с с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, описанных ранее, не удаётся предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппарата для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизирующихся растворов можно значительно уменьшить путём увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

В аппарате с вынесенной зоной кипения / Приложение 1, рис.4 /, выпариваемый раствор поступает снизу в нагревательную камеру 1 и, поднимаясь по трубам (длиной 4-7 м) вверх, вследствие гидростатического давления не закипает в них. По выходе из кипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубу вскипания 2, установленную над нагревательной камерой в нижней части сепаратора 3. Вследствие понижения давления в этой трубе раствор вскипает и, таким образом, парообразование происходит за пределами нагрева.

Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

Вследствие большой поверхности испарения, которая создаётся в объёме кипящего раствора и частичного самоиспарения капель, унесённых вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.

Ввиду значительного перепада температур (до 30 С) между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает 1.8-2 м/с.

Увеличение скорости приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 вт/(м²К).

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

Области применения выпарных аппаратов.

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 теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата 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 некристаллизующихся растворов большой вязкости, 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 растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

2. Технологическая часть.
Описание технологической схемы.
В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор щелочи натрия под вакуумом.

Исходный раствор NaOH Р1 из емкости Е1 подается центробежным насосом Н в теплообменник Т, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, подогревается греющим паром, который поступает в верхнюю часть теплообменника. Пар, сконденсировавшийся в межтрубном пространстве теплообменника, выводится из нижней части теплообменника. Теплообменник Т работает под избыточным давлением. Затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата АВ. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. 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 КБ и вакуум-насосом НВ. В барометрическом конденсаторе КБ вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по барометрической трубе. Конденсат греющих паров из выпарного аппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчиков КО. Вакуум в системе поддерживается вакуум-насосом, который установлен ниже конденсатора и присоединяется к конденсатору в верхней его части.

Концентрированный раствор NaOH Р2 после выпарного аппарата подается в одноходовые холодильники Х1 и Х2, где охлаждается до определённой температуры. Концентрированный раствор охлаждается холодной водой. Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборник Е2. Вакуум-сборник опорожняется периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора Е3. После чего идёт далее на производство.

3. Технологические расчеты.
3.1 Расчёт выпарного аппарата.
3.1.1. Материальный баланс процесса выпаривания.
Основные уравнения материального баланса:
(1)
(2)
где - массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

х_нач, х_кон – массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с:


кг/с
кг/с
3.1.2. Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы.
3.1.2.1 Определение давления и температуры в сепараторе Р₁,t₁

(3)

По паровым таблицам ({1}, стр. 550), находим t₁
t₁=80.3 Цельсия
3.1.2.2. Определение давления и температуры вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀,t₀ . Определение давления и температуры в выпарном аппарате Р₁,t<sub>1

.</sub>

Определим температуру в барометрическом конденсаторе t₀:

Давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р₀, Па,
Найдем по паровым табл. Исходя из t₀ :






=100.3 С(!!!!!!!!!!!!)

2. 
   Тепловой баланс выпарного аппарата.
   

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:
Q = Q_нагр+ Q_исп+ Q_пот (8)
где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;

Q_нагр – расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

Q_исп– расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

Q_пот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;
3.1.3.1. Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Q_пот при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (Q_нагр+ Q_исп)

/ 2, с 247 /. Следовательно:
Q = 1.05(Q_нагр+ Q_исп) (9)
Температуру исходного раствора t_нач, поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 5С меньше t_кон:
t_нач= t_кон-3
t_нач=89.1-3=86.1 С

2. 
   Расход теплоты на нагрев:
   

Q_нагр= G_начс_нач(t_кон-t_нач) (10)
где G_нач – производительность по разбавленному раствору

с_нач – удельная теплоёмкость раствора при t_нач и начальной концентрации Х_нач , Дж/(кгК)

с_нач=3.994 Дж/(кгК)

Q_нагр=4.17*3994*(89.1-86.1)=49965 Вт

3. 
   Расход теплоты на испарение:
   

Q_исп=W(i_вт.п - с_вt_кон) (11)
где i_вт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t₁, из таблицы / 2, табл.LVI /, кДж/кг;
с_в – удельная теплоёмкость воды при t_кон, Дж/(кгК) по формуле (приложение 1 п.3)
i_вт.п =2657 кДж/кг,
с_в=4223.6+2.476*87.6*log(87.6/100)=4210 Дж/(кгК)
Q_исп=3.34*(2657000-4210*89.1)=7622*10^3 Вт
Q=(49965+7622*10^3)*1.05=7672*1.05=8056 кВт

2. 
   Расчёт поверхности теплообмена выпарного аппарата.
   

Для расчёта поверхности теплообмена выпарного аппарата запишем уравнение теплопередачи:
Q=KFt_{полезн.} (12)
где К – коэффициент теплопередачи Вт/(м²К)

F – площадь поверхности теплообмена, м²;


(13)
F=Q/(K*t_п)


Примем К по инженерным соображениям 1300 Вт/м^2*К. Полезная разность температур как правило составляет 30 град. Рассчетная поверхность теплопередачи выпарного аппарата равна:
F=8056000/1300*30=207 м²

3. 
   Выбор выпарного аппарата по каталогу.
   

Произведём выбор аппарата по каталогу / 3,приложение 4.2 /. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.
F_в.п.=1.2F
F_в.п.=1.2207=248 м²
где F_в.п. – площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м²;
Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией, кипением в трубах и вынесенной греющей камерой Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 250 м²;
Таблица 1. Основные размеры выпарного аппарата (по ГОСТ 1198781)

F=250

Fдейств.=267

Lтр.=4000

Nтр.=626

Dциркул.тр.=500
Определение параметров греющего пара.

1. 
   Определение гидростатической депрессии.
   

Оптимальная высота уровня определяется по формуле.

т.к. плотности и надо брать при температуре кипения раствора, пока неизвестной, приходится ею задаваться. Примем

Здесь плотности и равны 1191 и 962 соответственно (приложение 1, пункт 1).
Гидрастатическое давление в середине высоты труб при :

Температура кипения воды при 0.62 кгс/см^2 ([1],табл. LVII)

Гидростатическая депрессия

Зная эту величину можно определить температуру кипения раствора в трубах:

Температура греющего пара должна быть больше температуры кипения раствора в трубах на полезную разность температур - :

а по температуре греющего пара определяется давление пара , поэтому необходимо, чтобы, температура была бы величиной , имеющейся в паровой таблице ¹¹ LVII. С этой целью примем т.е. , что строго соответствует давлению греющего пара 2.0 кгс/см^2 . Теперь в связи с корректировкой окончательно примем значение коэффициента теплопередачи
1332
Определим расход греющего пара

По табл. LVII (1, 550) по давлению греющего пара определим удельную теплоту парообразования

Рекомендуемое значение для влажности пара


Удельный расход греющего пара при этом составит:

Расчет барометрического конденсатора

3.3. Расчёт барометрического конденсатора
3.3.1 Расход охлаждающей воды.
Расход охлаждающей воды G_в определим из теплового баланса конденсатора:

где i_б.к. - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

t_н – начальная температура охлаждающей воды, С;

t_к – конечная температура смеси охлаждающей воды и конденсата, С;
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 градусов. Поэтому температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 3 градуса ниже температуры конденсации паров t₀:
t_k=t₀–3
t_k= 79.1-3=76.1 С
Энтальпия паров в барометрическом конденсаторе i_б.к, при температуре t₀ / 2, табл LVI /:
i_б.к,=263310³ Дж/кг;
Удельная теплоёмкость воды с_в :
с_в=4190 Дж.(кгК)
кг/с
3.3.2. Диаметр барометрического конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода:

где  - плотность паров, кг/м³;

 - скорость паров, м/с.
При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров =15-25 м/с
Возьмём: =20 м/с
Плотность паров  при температуре t₀ / 2, табл. LVI /
=0.284кг/м³
м
3.3.3. Выбор барометрического конденсатора.
Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему большему / 3, приложение 4.6 /.

Барометрический конденсатор: внутренний диаметр d_б.к.=1000 мм

Условный проход штуцера для барометрической трубы d_б.т=200 мм
3.3.3. Высота барометрической трубы
Скорость воды в барометрической трубе равна:


Высота барометрической трубы / 3, формула 1 /:

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

 - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

 _тр - коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.
Вакуум в барометрическом конденсаторе В, Па;
В=Р_атм-Р₀
В=1*10^5-45797=5.4210⁴ Па
Сумма коэффициентов местных сопротивлений :

где _вх, _вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.


Коэффициент трения _тр зависит от режима течения жидкости, определим режим течения воды в барометрической трубе:


Коэффициент динамической вязкости воды _в при t_k (Приложение 2, п.2)
_в=0.5410^-3 Пас

При таком значении Re, коэффициент трения _тр равен / 2, рис 1.5 /.

=0,024



Окончательно имеем:




3.4. Расчет производительности вакуум-насоса.
Производительность вакуум-насоса G_возд, кг/с определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
G_возд = 0,000025(W+ G_в) + 0,01W

где 0,000025 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.

G_возд = 0,000025(3.34+ 30.2) + 0,013.34=34*10^-3 кг/с
Объемная производительность вакуум-насоса равна:

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/кмольК;

М_возд - молекулярная масса воздуха, кг/моль;

Т_возд – температура воздуха, К;

Р_возд – парциальное давление сухого насыщенного пара (Па) в барометрическом конденсаторе при t_возд.

Температуру воздуха рассчитывают по формуле / 3, с. 179 /:
t_возд = t_н + 4 +0,1(t_к – t_н)
t_возд= 15 + 4 + 0,1(76.1 – 15) = 25.1 С
Давление воздуха Р_возд. равно:
Р_возд=Р₀ - Р_п
где Р_п – давление сухого насыщенного пара при температуре t_возд / 2, табл LVI /

Р_п=0.0323кгс/см^2

Р_возд=(4.60-0.317)10⁴=4.2810⁴ Па
Объемная производительность вакуум-насоса равна:
м³/с = 4.08 м³/мин

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р₀ по таблице / 3, приложение 4.7 / выбираем вакуум-насос:
Таблица 4 характеристика вакуум-насоса типа ВВН

.

Типоразмер	Остаточное давление, КПа	Производи-тельность, м3/мин	Мощность на валу, КВт
ВВН-6	38	6	12.5

4. Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат.
4.1. Определение средних температур теплоносителей.
t

t_{конд.гр.п.}


Dt_м

t_нач

D t_б
t’_нач
F

Рис. 1 Температурная схема
где t’_нач – начальная температура исходного раствора (по заданию)

Dt_б, Dt_м – большая и меньшая разность температур соответственно, °С;

t_нач – температура исходного раствора после подогревателя, °С ;
Dt_б = t_{конд.гр.п} – t’_нач (24)
Dt_б = 119.6 – 20 = 99.6°С
Dt_м = t_{конд.гр.п} – t_нач (25)
Dt_м = 119.6 –95.4= 24.2°С
Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле:
(26)
°С
Средняя температура раствора:
t_ср.р = t_{конд.гр.п} - Dt_ср (27)
t_ср.р =119.6-53.29=66.31°С
4.2. Тепловой баланс подогревателя.
Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t’_нач до температуры t_нач найдем по формуле (10), приняв значение теплоёмкости раствора при температуре и концентрации Х_нач ( Приложение 2, п.3 )
Q_нагр= G_начс_нач(t_нач - t’_нач)






Расход греющего пара G_гр.п. найдём по формуле:
(28)
где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг; c - степень сухости пара;
c=0.95
Удельная теплота парообразования при температуре t_{конд.гр.п.} / 2, табл. LVI /:
r =2208 кДж/кг
кг/с
4.3. Ориентировочный расчет подогревателя.
Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от конденсирующегося пара к жидкости / 2, табл. 4.8 /:
К_ор=800 Вт/(м²К)
Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);

Для обеспечения интенсивного теплообмена необходимо обеспечить турбулентный режим течения, он достигается при Re более 10000. Зададимся:
Re=15000
Скорость течения раствора в аппарате с диаметром труб d=20 мм рассчитаем

по формуле:
(29)
где w_тр – скорость течения раствора в трубном пространстве м/с; d₂ – эквивалентный диаметр, м;
Значения коэффициентов вязкости раствора m_р и плотности r_р возьмём при температуре t_ср.р.и концентрации Х_нач ( Приложение 2, п.1,п.2 )





м/с;
Проходное сечение трубного пространства S_тр,м²:
(30)


4.3.2 Ориентировочный выбор подогревателя.
Для обеспечения турбулентного режима номинальная площадь проходного сечения должна быть меньше рассчитанной. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара не зависит от режима течения в межтрубном пространстве, следовательно, необязательно рассчитывать скорость движения пара и проходное сечение межтрубного пространства

Выбор теплообменных аппаратов производится по проходному сечению трубного пространства / 3, табл. 2.3 /.
4.3.3. Параметры подогревателя необходимые для уточнённого расчёта.
Подача горячего теплоносителя - в межтрубное пространство

Направление потоков – противоток

Расположение аппарата - горизонтальное

Расположение труб – шахматное

Наличие перегородок – есть

Аппарат шестиходовой

Внутренний диаметр кожуха – D,мм	600
Внутренний диаметр труб – d,мм	16 мм
Толщина стенки труб – d,мм	2 мм
Проходное сечение трубного пространства м2	0,9*10-2
Проходное сечение межтрубного пространства – Sм102 м2	4,8*10-2

Теплопроводность материала труб – l	46,5 Вт/(мК)
Число труб n	316
Число ходов Z	6
Число рядов труб nр	18