Проект вакуумного выпарного аппарата для концентрирования сульфата титанила TiOSO4

КП Бекарева.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Специальность – 18.05.02 Химическая технология материалов современной энергетики
Кафедра – Химической технологии радиоактивных редких рассеянных элементов
ПРОЕКТ ВАКУУМНОГО ВЫПАРНОГО АППАРАТА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СУЛЬФАТА ТИТАНИЛА TIOSO4
Курсовой проект по дисциплине Процессы и аппараты химической технологии
Теоретическая часть6
Аналитический обзор рассматриваемого процесса8
Краткий обзор существующего аппаратурного оформления процесса9
Выпарные аппараты со свободной циркуляцией9
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией11
1Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой13
2Выпарные аппараты с подвесной нагревательной камерой15
3Выпарные аппараты с выносными циркуляционными трубами16
4Выпарные аппараты с выносной нагревательной камерой17
5Выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения18
Прямоточные (пленочные) аппараты19
1Роторные прямоточные аппараты21
Аппараты с принудительной циркуляцией22
1Выпарные аппараты с тепловым насосом23
Обоснование выбора типа аппарата25
Технологическая часть26
Технологическая схема26
Материальный расчет27
Аппаратурный расчет42
Механический расчет48
Гидравлический расчет50
Список использованных источников55
Диоксид титана является самым распространенным белым пигментом что определяется особенностями его физических свойств (высокой преломляющей и рассеивающей способностью). Мировое производство диоксида титана на 2012 год составило около 53 млн тонн [1]. За последние 10 лет этот показатель увеличился более чем на 20 %. 60 % произведенного в мире диоксида титана используется в лакокрасочной промышленности где постепенно вытесняются из производства краски на основе цинка бария и свинца. Около 12 % диоксида титана используется как пигмент при производстве бумажных изделий и 20 % расходуется на производство пластмасс. Основными потребителями TiO2 в мире являются США и страны Западной Европы. В России потребляется 70-80 тыс. тонн TiO2 в год что составляет 15 % от мирового уровня. Общая мощность отечественных предприятий – 1006 тыс. тонн в год [2].
Сырьем для получения диоксида титана являются (%): титановые шлаки – 37 ильменитовый концентрат – 33 синтетический рутил – 16 природный рутил – 14 [3]. При этом используются две технологические схемы – хлорный и сульфатный методы последний из которых наиболее распространен. Суть сульфатного метода заключается в получении растворов сульфатов титана путем обработки титаносодержащих природных материалов серной кислотой очистке их от примесей железа гидролиза и последующей термообработки гидратов диоксида титана. Концентрирование раствора и гидролиз сульфатов титана осуществляется кипячением раствора в выпарных установках.
Актуальность работы определяется растущей потребностью в производстве диоксида титана и металлического титана недостаточной мощностью отечественных предприятий для обеспечения нужд страны а также широкой распространенностью сернокислотного метода его получения необходимым элементом технологической линии которого является выпарная установка.
Выпаривание – процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя испарением при его кипении. При этом раствор разделяется на две части: в случае раствора нелетучего вещества на раствор с более высокой концентрацией и чистый растворитель в случае летучего – на растворы с большей и меньшей концентрацией растворенного вещества.
В промышленности выпаривание применяется для:
концентрирования растворов;
выделения растворителя из раствора (дистилляция);
кристаллизации растворенных веществ.
Для осуществления процесса выпаривания необходим подвод теплоты к исходному раствору. По способу передачи тепла выпарные аппараты подразделяются на следующие типы:
)горячий теплоноситель перемещается по межтрубному пространству греющей камеры в трубах кипит выпариваемый раствор;
)горячий теплоноситель перемещается внутри змеевика между двойными стенками;
)горячий теплоноситель непосредственно контактирует с выпариваемым раствором;
)передача тепла производится излучением (солнечным тепловым и т.д.).
Аппараты четвертого типа в настоящее время практически не используются ввиду малого значения коэффициента теплопередачи. Аппараты третьего типа имеют специфическое применение так как зачастую разделение контактирующих сред после процесса выпаривания затруднено. Наиболее распространенными типами являются первый и второй которые объединяют под названием «поверхностные» так как теплообмен производится через поверхность разделяющей среды стенки.
В роли теплоносителей могут выступать различные вещества чаще всего используется водяной пар который в этом случае называется первичным. Образующийся при выпаривании кипящего раствора пар называют вторичным.
Для того чтобы между горячим теплоносителем и исходным раствором происходил теплообмен необходимо поддерживать разность температур между ними которая называется полезной разностью температур.
Выпаривание может осуществляться при атмосферном повышенном или пониженном давлении (под вакуумом). Выбор параметров осуществляют с учетом особенностей растворов и растворенных веществ возможностью использования вторичного пара. Выпаривание под вакуумом позволяет концентрировать растворы неустойчивых к высоким температурам веществ а также уменьшить площадь поверхности теплообмена или температуру горячего теплоносителя без понижения производительности. При выпаривании под высоким давлением становится возможным использование вторичного пара как носителя тепла в многокорпусных установках.
Аналитический обзор рассматриваемого процесса
Поскольку комплексы титана содержат переменное количество групп SO42- для описания сульфатных растворов используют такие понятия как активная кислота и кислотный фактор. Активная кислота – суммарная концентрация свободной и связанной H2SO4. Определяется титрованием щелочью. Кислотный фактор aS – отношение весовых концентраций активной кислоты и двуокиси титана.
Для получения пигментной двуокиси титана сернокислотным методом наиболее пригодны растворы содержащие от 200 гл ТiO2 и имеющие кислотный факторaS = 20. Растворы с более низкой концентрацией ТiO2 и аS ниже (17-18) нестабильны при гидролизе их образуется гидроокись дающая при прокаливании крупнодисперсный ТiO2 [4]. После стадий вскрытия концентрата и очистки полученного раствора от примесей он содержит обычно (140-150) гл TiO2 (25-30) гл Fe (II)
(280-300) гл активной кислоты. Поэтому возникает необходимость частичного упаривания таких растворов которое проводят при (55-57) °C и остаточном давлении 60-80 мм рт. ст. [5]. Такие параметры процесса используют для избежания преждевременного гидролиза сульфатов титана.
Краткий обзор существующего аппаратурного оформления процесса
Как было сказано выше наибольшее распространение получили поверхностные аппараты где в качестве теплоносителя выступает водяной пар. Общая схема вакуум-выпарки представлена на рисунке 1. Ниже будут рассмотрены аппараты по виду и кратности циркуляции выпариваемого раствора в порядке усложнения их конструкции.
Рисунок 1 – Схема вакуум-выпарки [5]
– напорный бак 2 – выпарной аппарат (испаритель) 3 – выносная греющая камера 4 – барометрический конденсатор 7 – сборники
– гидравлический затвор
Выпарные аппараты со свободной циркуляцией
Неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб стенки которых служат поверхностью теплообмена. Аппаратурно данный тип аппаратов представлен в виде змеевиковых аппаратов и аппаратов с рубашками.
Аппараты с рубашками представляют собой открытые или закрытые чаши работающие соответственно под атмосферным давлением или под вакуумом окруженные паровыми (чаще всего) рубашками. В растворе возникают малоинтенсивные неупорядоченные токи (свободная циркуляция) обусловленные свободной конвекцией. Как следствие коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах очень низки они имеют небольшие размеры и производительность.
Более распространенными являются аппараты змеевикового типа устройство которого аналогично устройству змеевиковых погружных теплообменников. Змеевики по которым движется горячий теплоноситель полностью погружены в жидкость над уровнем которой остается объем
необходимый для сепарации вторичного пара. При этом высота слоя жидкости в рабочей части аппарата не должна превышать 10 м. При высоте превышающей данное значение возникает перегрев нижних слоев жидкости под давлением верхних слоев что обусловлено низкой интенсивностью свободных конвекционных токов. Отношение величины поверхности теплообмена к объему выпариваемого раствора в этих аппаратах также сравнительно невелико. Большей величины поверхности теплообмены можно добиться горизонтальным расположением труб.
Рисунок 2 – Змеевиковый выпарной аппарат [9]
– корпус 2 – паровые змеевики 3 – брызгоуловитель
Выпарные аппараты со свободной циркуляцией в настоящее время довольно редко применяются в основном для выпаривания агрессивных или очень вязких жидкостей в малых промышленных масштабах. Основные их недостатки – трудность очистки межтрубного пространства а также внутренней поверхности корпуса при выпаривании кристаллизующихся растворов низкая производительность громоздкость.
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией
Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе состоящей из необогреваемой опускной (циркуляционной) трубы 1 и обогреваемых подъемных (кипятильных) труб 2 (рисунок 3) [7].
Рисунок 3 – Схема естественной циркуляции [7]
– циркуляционная (опускная) труба; 2 – кипятильная (подъемная) труба
Возникновение естественной циркуляции по пути подъемные трубы – паровое пространство – опускные трубы – подъемные трубы и т.д. объясняется разностью давлений в трубах возникающей при нагревании жидкости в подъемной трубе. Если температура нагрева достигает или превышает температуру кипения жидкости в трубе образуется парожидкостная смесь плотность которой меньше плотности самой жидкости.
Для естественной циркуляции требуются два условия: 1) достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси необходимую скорость; 2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах чтобы парожидкостная смесь имела малую плотность [7].
Преимущества аппаратов с естественной циркуляцией обусловливают их большую распространенность. Естественная многократная циркуляция горячего теплоносителя повышает коэффициенты теплоотдачи раствору а также препятствует отложению накипи на стенках труб.
Развитие конструкций аппаратов данного типа направлено на интенсификацию естественной циркуляции чего можно достичь посредством:
)увеличения высоты подъемных труб и повышения интенсивности парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси образующейся из кипящего раствора;
)улучшения естественного охлаждения опускных труб для повышения плотности жидкости в них;
)поддержания в опускных трубах определенного уровня жидкости для уравновешивания столба парожидкостной смеси в подъемных трубах при заданной скорости ее движения [9]. Если уровень жидкости в опускных трубах недостаточен парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб что сопровождается резким снижением производительности аппарата.
1 Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой
На рисунке 4 представлена схема выпарного аппарата с внутренней греющей камерой и центральной циркуляционной трубой. Нагревательная камера 2 расположенная в нижней части корпуса состоит из кипятильных труб 3 длиной (2-4) м закрепленных в трубных решетках. Циркуляционная труба 4 расположена по оси камеры имеет больший диаметр нежели кипятильные трубы. В межтрубное пространство камеры подается греющий пар. Раствор поступает в аппарат над верхней трубной решеткой движется вниз по циркуляционной трубе начинает подниматься по кипятильным трубам вскипает на некотором расстоянии от их верхнего края и далее движется в виде парожидкостной смеси. На выходе из кипятильных труб содержание пара в смеси максимально. Пар поступает в паровое пространство 5 где выпариваемая влага с помощью брызгоуловителя 6 удаляется через верхний штуцер. Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер.
Рисунок 4 – Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой [9]
– корпус 2 – нагревательная камера 3 – кипятильные трубы
– циркуляционная труба 5 – сепарационное пространство
Отношение поверхности теплообмена кипятильных труб к объему выпариваемого раствора намного больше чем поверхности циркуляционной трубы. Это обусловливает возникновение достаточной для естественной циркуляции разности плотностей жидкости.
К числу недостатков этих аппаратов можно отнести жесткое крепление труб в трубных решетках и следовательно трудность очистки и невозможность изменения их конструкции.
Эти недостатки устраняются в аппаратах с подвесной нагревательной камерой.
2 Выпарные аппараты с подвесной нагревательной камерой
В этих аппаратах (рисунок 5) нагревательная камера имеет собственную обечайку за счет которой свободно расположена внутри корпуса. Принцип действия аналогичен аппаратам с внутренней греющей камерой. На рисунке представлена схема аппарата снабженного перфорированной трубой для его периодической промывки и сливными трубами для отвода конденсата вторичного пара.
Рисунок 5 – Выпарной аппарат с подвесной нагревательной камерой [9]
– нагревательная камера 2 – корпус 3 – паровая труба
– брызгоуловитель 5 – сливные трубы 6 – перфорированная труба для промывки
Свободный подвес нагревательной камеры делает возможным ее демонтаж и замену устраняет проблемы с креплением труб к трубным решеткам. Однако расход металла на единицу поверхности теплообмена для этих аппаратов выше чем для аппаратов с центральной циркуляционной трубой [9]. Рассмотренные выше два типа аппаратов непригодны для выпаривания вязких и кристаллизующихся растворов так как интенсивность циркуляции раствора в них недостаточно высока.
3 Выпарные аппараты с выносными циркуляционными трубами
Скорость естественной циркуляции может быть увеличена лучшим охлаждением опускных труб контура для чего их выносят за пределы аппарата. При этом вынесенные элементы можно сделать более компактными чем при расположении внутри корпуса.
Рисунок 6 – Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой [9]
– нагревательная камера 2 – циркуляционная труба 3 – центробежный брызгоуловитель 4 – паровое пространство
На рисунке 6 показан аппарат с одной выносной циркуляционной трубой а также вынесенным за пределы сепарационного пространства центробежным брызгоуловителем. Конструкция таких аппаратов сложнее но они выигрывают в интенсивности теплопередачи простоте в обслуживании и экономичности материалов при изготовлении по сравнению с аппаратами рассмотренными выше.
4 Выпарные аппараты с выносной нагревательной камерой
В таких аппаратах интенсивность выпаривания повышается помимо методов рассмотренных выше за счет увеличения длины кипятильных труб которая достигает 7 м.
Рисунок 7 – Выпарной аппарат с выносной нагревательной камерой [9]
– нагревательная камера 2 – сепаратор 3 – циркуляционная труба
Скорость циркулирующей жидкости может достигать 15 мс поэтому допустимо выпаривание концентрированных и кристаллизующихся растворов однако полностью отказаться от периодической чистки невозможно. Более интенсивная циркуляция обусловлена тем что циркуляционная труба не обогревается а подъемный и опускной участки контура имеют значительную высоту. Выносная нагревательная камера I легко отделяется от корпуса аппарата что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. При подключении к аппарату двух нагревательных камер ремонт и чистку одной из них можно проводить без остановки всего аппарата. Исходный раствор может подаваться как в циркуляционную трубу так и к нижней трубной решетке.
5 Выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения
Более интенсивная циркуляция раствора вкупе с вынесением зоны кипения за пределы нагревательной камеры позволяет значительно уменьшить загрязнение накипью внутренних поверхностей аппарата. Это отражается на стоимости его эксплуатации так как чистку такого аппарата можно проводить реже.
Рисунок 8 – Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения [9]
– нагревательная камера 2 – труба вскипания 3 – сепаратор
– необогреваемая циркуляционная труба 5 – отбойник
В аппарате с вынесенной зоной кипения (рисунок 8) исходный раствор поступая к нижней части нагревательной камеры и проходя вверх по трубам длиной (4-7) м не закипает из-за высокого гидростатического давления в них. Вскипание раствора происходит в расширяющейся трубе вскипания 2 в которой гидростатическое давление ниже. Таким образом парообразование локализуется в верхней части аппарата. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена что уменьшает образование слоя накипи а значит не искажаются коэффициенты теплопередачи со временем. В данном типе аппаратов они достигают
Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости [7 9].
Прямоточные (пленочные) аппараты
Выпаривание осуществляется без циркуляции раствора при его однократном прохождении по трубам нагревательной камеры. Аппараты пленочного типа получили такое название так как раствор в них выпаривается поднимаясь или опускаясь по поверхности труб в виде тонкой пленки. В центральной части труб движется вторичный пар. Это приводит к резкому снижению температурных потерь обусловленных гидростатической депрессией.
Различают прямоточные аппараты с поднимающейся и опускающейся пленкой. В аппараты с поднимающейся пленкой раствор подается в нижней части нагревательной камеры (рисунок 9) проходит пучок кипятильных труб и поступает в сепаратор расположенный выше. На уровне (14-15) высоты труб раствор начинает интенсивно кипеть вторичный пар начинает быстро подниматься по трубам увлекая за собой раствор за счет сил трения. В сепараторе вторичный пар отделяется от упаренного раствора оба компонента удаляются из аппарата.
Рисунок 9 – Выпарной прямоточный аппарат со всползающей пленкой [9]
– нагревательная камера 2 – сепаратор 3 – отбойник 4 – брызгоуловитель
Высокие коэффициенты теплопередачи достигаются лишь при определенном уровне жидкости который устанавливается опытным путем: при повышении уровня коэффициент теплопередачи снижается; при понижении уровня уменьшается содержание жидкости в парожидкостной смеси что приводит к недостаточному смачиванию верхних концов труб и снижению активной поверхности теплообмена [7].
Аппараты со сползающей пленкой применяются для выпаривания вязких растворов. В них исходный раствор подается сверху и стекает по трубам в виде пленки; сепаратор располагается ниже нагревательной камеры.
Прямоточные аппараты используются для выпаривания маловязких пенящихся термически нестойких растворов и непригодны для кристаллизующихся растворов так как диаметр труб мал и они могут быть забиты образующимися кристаллами. Длина кипятильных труб достигает
(7-9) м поэтому для размещения таких аппаратов необходимы высокие производственные помещения.
1 Роторные прямоточные аппараты
Применяются для выпаривания нестойких к высоким температурам сильно вязких растворов.
Внутри цилиндрического корпуса 1 таких аппаратов вращается ротор 3 который состоит из вертикального вала и шарнирно закрепленных на нем скребков 4. Расстояние между кромкой скребков и стенкой корпуса – менее
мм. Корпус снабжен паровыми рубашками 2. Исходный раствор поступает в верхней части аппарата вращающиеся скребки отбрасывают его к обогреваемым рубашками стенкам корпуса и он стекает по их поверхности в виде турбулентно движущейся пленки. По мере выпаривания пленки на стенках образуется тонкий слой выпариваемого вещества в виде порошка или пасты который удаляется скребками при вращении. Твердый продукт извлекают через секторный затвор в днище аппарата.
Для устранения отложения накипи в трубах скорость циркуляции раствора должна быть равна (2-25) мс. Такая скорость достижима в аппаратах с принудительной циркуляцией которая создается и поддерживается насосом (чаще пропеллерным или центробежным). При этом устраняется необходимость поддержания большой полезной разности температур строгого контроля уровня жидкости в трубах а также становится возможным выпаривание вязких жидкостей.
Рисунок 10 – Роторный прямоточный аппарат [9]
– корпус 2 – паровая рубашка 3 – ротор 4 – скребки
Аппараты с принудительной циркуляцией
Устройство таких аппаратов аналогично аппаратам с естественной циркуляцией (рисунок 8) за исключением наличия в циркуляционном контуре насоса. При больших скоростях движения раствора зона кипения вынесена в концевую часть кипятильных труб. Давление внизу труб больше давления у ее верхнего края на величину гидростатического давления столба жидкости и гидравлического сопротивления грубы [7 9] поэтому на большей части длины труб жидкость перегревается.
Достоинством аппаратов является отсутствие отложений накипи в трубах как было сказано выше а также высокие коэффициенты теплопередачи (в 3-4 раза выше чем в аппаратах с естественной циркуляцией). Очевидный их недостаток – расход энергии на работу насоса.
1 Выпарные аппараты с тепловым насосом
Использование теплового насоса существенно повышает экономичность работы однокорпусного выпарного аппарата. Тепловой насос представляет собой трансформатор тепла он сжимает вторичный пар на выходе из сепаратора до давления первичного и направляет его в паровое пространство нагревательной камеры. Сжатие производится турбокомпрессорами струйными компрессорами (инжекторами).
Рисунок 10 – Схема выпарного аппарата с тепловым насосом [9]
– выпарной аппарат 2 – струйный компрессор (инжектор)
Первичный пар поступает по оси компрессора и инжектирует вторичный пар более низкого давления. Смесь первичного и вторичного пара по выходе из компрессора делится на две части: большая часть смеси направляется в нагревательную камеру выпарного аппарата а его избыточная часть Dизб может быть отведена к другим потребителям тепла.
Экономичность применения теплового насоса оценивается как отношение стоимости энергии затрачиваемой на сжатие вторичного пара в компрессоре к стоимости расходуемого первичного пара. В отдельных случаях по этому показателю данные аппараты могут конкурировать с многокорпусными выпарными установками.
Обоснование выбора типа аппарата
Так как вязкость и плотность исходного раствора предположительно небольшие при его выпаривании не образуется больших количеств кристаллизующихся веществ на основании методики [11] и материалов справочника [10] для проектирования был выбран аппарат с выносной нагревательной камерой состоящий из трех корпусов с противоточной схемой питания.
Технологическая часть
Технологическая схема
Технологическая схема аппарата представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 – технологическая схема:
– сепаратор 2 – брызгоулавливатель 3 – греющая камера 4 – необогреваемая циркуляционная труба.
Производительность V1 = 315 м3час
Исходная концентрация TiOSO4 по TiO2 C1(TiO2) = 125 гл
Конечная концентрация TiOSO4 по TiO2 C2(TiO2) = 240 гл
Кислотный фактор aS = 2
Cоставить материальный баланс процесса
В качестве первого приближения примем что при смешении компонентов раствора его общий объем не изменяется. Вычислим отдельно количества свободной и связанной серной кислоты исходя из данной общей концентрации (кислотного фактора). Обозначим C’ G’ – концентрацию и расход связанной кислоты C0 G0 – концентрацию и расход свободной кислоты.
TiO2 + H2SO4 = TiOSO4 + H2O
Общее количество выпариваемой воды:
Масса воды оставшейся в растворе после упаривания:
Итогом данного расчета является сводная таблица материального баланса процесса.
Таблица 1 – Материальный баланс процесса
Вода в виде вторичного пара W
Рисунок 12 – Тепловой граф процесса
)Теплота вносимая с компонентами:
)Теплота для нагрева компонентов:
)Теплота фазового перехода воды:
)Теплота выносимая с компонентами:
)Теплота уносимая со вторичным паром:
Для упаривания раствора необходимо подводить тепло в количестве 439106106 кДжч. Нагрев производится с помощью водяного пара параметры которого примем следующими:
pпара = 101337103 Па (1033 кгссм2)
Удельная теплота парообразования qпара = 2260 кДжкг
Таблица 2 – Тепловой баланс процесса
Теплота вносимая с компонентами в т.ч.
Теплота выносимая с компонентами в т.ч.
Теплота вносимая первичным паром Qвып
Теплота для нагрева компонентов в т.ч.
Теплота фазового перехода воды QфпH2O
Теплота уносимая вторичным паром Qвт
Для обеспечения теплового баланса процесса необходимо подводить к аппарату греющий пар температура которого равна 100 °C давление – 101337103 Па в количестве 194295103 кгч.
Распределение выпариваемой воды по корпусам определяется соотношением полученным на основе опытных данных [11]:
Откуда расход выпариваемой воды в каждом из корпусов равен:
Рассчитаем концентрации растворов по корпусам. При этом для простоты расчета будем считать что в растворе находится только серная кислота так как данные о зависимости температуры кипения раствора от концентрации TiOSO4 в литературе отсутствуют.
Определим температурный режим установки. Общий перепад температур в установке равен:
где t1 – температура греющего пара °С
tбк – температура вторичного пара поступающего в барометрический конденсатор.
Из опытных данных [11] соотношение перепадов температур по корпусам:
Откуда перепад температур в каждом из корпусов равен:
Температура греющего пара в i-ом корпусе:
Величину гидравлической депрессии Δ’’’ обычно принимают равной (05-15) °C. Примем Δ’’’ = 10 °С. Тогда температуры вторичного пара по корпусам определяются:
Гидростатическая депрессия Δ’’ определяется высотой уровня раствора в аппарате. Ее принимают как разницу температур кипения раствора на его поверхности и в середине кипящего слоя:
Температура кипения в середине кипящего слоя определяется соответствующим давлением в середине кипящего слоя:
где ρi – плотность раствора
g – ускорение свободного падения
Hi опт – оптимальный уровень раствора в греющих трубах определяемый из соотношения:
ρH2O – плотность воды при температуре кипения раствора
Для выбора величины H необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. Примем удельную тепловую нагрузку аппарата q = 40000 Втм2 тогда для 1-го корпуса ориентировочная поверхность будет равна:
где Q – тепловая нагрузка корпуса кДж;
r3 – теплота парообразования кДжкг.
Согласно ГОСТ 11987-81 «Аппараты выпарные трубчатые стальные. Типы основные параметры и размеры» аппараты с естественной циркуляцией и выносной греющей камерой (тип 1 исполнение 2) имеют высоту кипятильных труб 4 5 и 7 м при диаметре труб dн = 38 мм и толщине стенки ст = 2 мм. Примем H = 5 м. Плотности растворов в корпусах [13]:
При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составляет (04-06). Примем = 05. Давления в среднем слое кипятильных труб в каждом из корпусов:
Соответственно температуры кипения растворов в среднем слое кипятильных труб и гидростатические депрессии по корпусам равны:
В аппаратах с вынесенной греющей камерой кипение в трубах предотвращается за счет гидростатического столба жидкости происходит ее перегрев по отношению к температуре кипения на верхнем уровне раздела фаз поэтому в этих аппаратах гидростатическую депрессию Δ’’ не учитывают. Расчет выше был произведен для того чтобы определить температуру перегрева раствора в среднем слое кипятильных труб.
Температурная депрессия Δ’ определяется по уравнению:
где Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб К
ra – теплота испарения кДжкг
Δ’атм – температурная депрессия при атмосферном давлении определяемая как разность температур кипения раствора и чистого растворителя.
Температурные депрессии растворов по корпусам при атмосферном давлении [13]:
Температурные депрессии при соответствующих давлениях:
Температуры кипения растворов в корпусах с учетом депрессий:
В аппаратах с вынесенной нагревательной камерой и естественной циркуляцией раствора обычно достигаются скорости V = (06-08) мс. Примем V = 07 мс.циркуляционного раствора равна:
где S – сечение потока в аппарате м2.
где dвн – внутренний диаметр труб м.
Температуры перегрева жидкости по корпусам могут быть найдены по формуле:
где Ji в – энтальпии вторичного пара по корпусам. кДжкг
Cв – теплоемкость воды кДж(кгК)
Gi н – расход раствора по корпусам кгс
Ci – теплоемкости раствора по корпусам кДж(кгК).
Полезная разность температур для таких аппаратов определяется формулой:
Суммарная полезная разность температур:
Полученные значения оказались отрицательными значит температура в каждом последующем корпусе будет ниже той которую имеет раствор поступая из предыдущего корпуса. Раствор при переходе из корпуса в корпус вносит с собой теплоту.
Таблица 3 – Параметры раствора и пара по корпусам
Принятая производительность по упариваемой воде Wi кгс
Концентрация раствора i %
Температура греющего пара ti °C
Температура вторичного пара t’i °C
Температура кипения раствора
Определение тепловых нагрузок по корпусам расхода греющего пара в 1-ый корпус а также производительности каждого корпуса по выпаренной воде проводится путем решения системы уравнений тепловых балансов:
где D – расход греющего пара в 1-ый корпус кгс
3 – коэффициент учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду
Ji г Ji в и ii – энтальпии греющих вторичных паров и конденсата соответственно кДжкг (при решении уравнения баланса можно принимать что Ji в Ji+1 г)
Qi конц – теплоты концентрирования по корпусам кВт.
Наибольшая тепловая нагрузка приходится на 1-й корпус т.к. концентрация поступающего в него раствор наибольшая. Проведем расчет теплоты концентрирования для 1-го корпуса:
где Gсух. – производительность аппарата по сухому веществу кгс
Δq – разность интегральных теплот растворения при концентрациях 2 и 1 кДжкг.
Δq найдем из следствия закона Гесса по величинам энтальпий раствора H2SO4.
Ориентировочная нагрузка для 1-го корпуса:
Таблица 4 – Теплофизические свойства раствора и пара по корпусам
Энтальпия греющего пара Ji г кДжкг
Энтальпия вторичного пара Ji в кДжкг
Энтальпия конденсата греющего пара ii кДжкг
Теплота конденсации греющего пара ri кДжкг
Теплоемкость раствора Ci кДж(кг°С)
Энтальпия раствора Hi кДжкг
Теплопроводность раствора λi Вт(м°С)
Теплопроводность вторичного пара λпi102 Вт(м°С)
Плотность раствора ρi кгм3
Вязкость раствора i103 Пас
Теплота конденсации вторичного пара rвi кДжкг
Плотность вторичного пара ρпi кгм3
Плотность вторичного пара при 1 атм. ρ0i кгм3
Q1 конц составляет меньше 3 % от Q1 ор поэтому в уравнениях тепловых балансов пренебрегаем величинами Qi конц.
После решения системы уравнений получаем действительные производительность по упариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам (в первом приближении):
Выбираем конструкционный материал стойкий в среде кипения раствора H2SO4 в интервале изменения концентраций по корпусам [14]. Химически стойкой в данных условиях является сталь марки 185Х34Л коэффициент теплопроводности λст = 180 Вт(м°С).
Расчет коэффициента теплопередачи в первом корпусе:
Рисунок 13 – Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору [11]
Считаем что суммарное термическое сопротивление стенки и накипи равны (без учета термического сопротивления загрязнений со стороны пара):
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара α1 к стенке рассчитывается по формуле методом последовательных приближений:
где r1 – теплота конденсации греющего пара Джкг
ρж1 λж1 ж1 – плотность (кгм3) теплопроводность (Вт(м°С) вязкость (Пас) конденсата при средней температуре пленки соответственно
Δt1 – разность температур конденсации пара и стенки °С.
Примем Δt1 = 20 °C. Тогда:
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо:
где q – удельная тепловая нагрузка Втм2
Δtст – перепад температур на стенке °С
Δt2 – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора °С.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для режима пузырькового кипения в вертикальных пузырьковых трубах при условии естественной циркуляции раствора равен:
По полученным в приближениях данным можно построить графики зависимости удельной тепловой нагрузки от принятой разности температур q = f(Δt1). Определим аналитически из полученных функций значение Δt1 когда q1 = q2.
Откуда Δt1 = 147 °C. Найдем коэффициент теплопередачи:
Расхождение между q1 и q2 составляет 68 % можно считать что
Расчет коэффициента теплопередачи во втором корпусе:
Расхождение между q1 и q2 составляет 64 % можно считать что
Расчет коэффициента теплопередачи в третьем корпусе:
Расхождение между q1 и q2 составляет 36 % можно считать что
Поверхность теплообмена по корпусам:
По каталогу [12] выбираем выпарной аппарат с соответствующим значением поверхности теплообмена. Так как наибольшее ее значение согласно каталогу составляет 800 м2 необходимо уменьшить нагрузку на одну установку посредством одновременной работы семи одинаковых установок. Тогда поверхность теплообмена одного корпуса составит:
Параметры подходящего аппарата из каталога:
Номинальная поверхность теплообмена Fн = 800 м2
Действительная поверхность теплообмена Fд = 796 м2
Число труб n = 1495 шт.
Диаметр труб d = 38 * 2 мм
Высота труб H = 5000 мм
Диаметр греющей камеры dк = 2000 мм
Диаметр сепараторов dс = 2600 мм
Общая высота аппарата HА = 12000 мм
Общая масса аппарата MА = 36500 кг
Расчет толщины трубной решетки производится по формуле:
где dК – диаметр греющей камеры м
P – расчетное давление в первом корпусе равное разности
д – допускаемое напряжение материала трубной решётки Мнм2;
φ – коэффициент ослабления трубной плиты отверстиями
Σd – сумма диаметров отверстий в трубной плите на диаметре dК м
t – шаг разбивки отверстий по ГОСТу
dН – наружный диаметр труб м.
Принимаем толщину трубной решетки 60 мм.
Толщина обечайки определяется по уравнению:
где PГ1 – давление греющего пара первого корпуса Мнм2
φ1 – коэффициент прочности сварного шва равный φ1 = 085
С – поправка на коррозию принимаемая 2÷8 мм в зависимости от скорости коррозии материала обечайки м.
Принимаем толщину обечайки 8 мм.
Толщина тепловой изоляции И находится из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции и в окружающую среду для первого корпуса:
где αВ – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду Вт(м2°С).
где tст2 – температура изоляции со стороны воздуха принимаемая равной 35÷45 °С
tст1 – температура изоляции со стороны аппарата °С
tв – температура окружающей среды °С
λИ – коэффициент теплопроводности изоляционного материала Вт(м°С).
Выбираем в качестве тепловой изоляции совелит имеющий коэффициент теплопроводности λИ = 009 Вт(м°С).
Ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимают равной температуре греющего пара tГ1.
Толщина тепловой изоляции равна:
Принимаем толщину тепловой изоляции 23 мм.
Гидравлический расчет
Рассчитаем основные параметры вспомогательного оборудования – барометрического конденсатора и вакуум-насоса.
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой где охлаждающим агентом является вода при температуре окружающей среды (около 20 °C). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачиваются неконденсирующиеся газы.
Расход охлаждающей воды в барометрическом конденсаторе:
где JБК – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе Джкг
Св – теплоёмкость воды Дж(кг·°С);
tН – начальная температура охлаждающей воды °С;
tК – конечная температура смеси воды и конденсата °С.
Движущая сила теплопередачи на выходе из конденсатора должна быть (3-5) °С поэтому конечную температуру принимают на (3-5) °С ниже температуры конденсации паров.
Расход по упариваемой воде в последнем корпусе с учетом одновременной работы семи одинаковых установок:
Диаметр барометрического конденсатора:
где ρП – плотность паров в барометрическом конденсаторе кгм3
VП – скорость паров в барометрическом конденсаторе мс.
При остаточном давлении в конденсаторе (1-2)104 Па скорость паров VП принимают (15-25) мс.
По каталогу [12] выбираем барометрический конденсатор с
В соответствии с нормалями внутренний диаметр барометрической трубы равен dБТ = 250 мм.
Скорость воды в барометрической трубе равна:
Высота барометрической трубы:
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе Па
Σ – сумма коэффициентов местных сопротивлений
λ – коэффициент трения в трубе
НБТ dБТ – высота и диаметр барометрической трубы м
ρв – плотность воды кгм3
– запас высоты на изменение барометрического давления м.
В = (1-01)98104 = 882104 Па
Определим режим движения воды в барометрической трубе:
При Re >100000 можно считать что λ = 0013 (для гладких труб).
Производительность вакуум-насоса LВ определяется количеством несконденсированного газа (воздуха) который необходимо удалять из барометрического конденсатора.
где 0025 – количество несконденсированных газов выделяющихся на 1000 кг воды кгс
– количество газов подсасываемых через неплотности в конденсатор на каждые 1000 кг пара кгс.
Объемная производительность вакуум-насоса равна:
где R – универсальная газовая постоянная Дж(моль°С)
MВ – молекулярная масса воздуха кгкмоль
tВ – температура воздуха °С
PВ – парциальное давление в барометрическом конденсаторе Па
PВ – давление сухого насыщенного пара при tВ Па.
По полученным значениям WВ и PБК подбираем вакуум насос – тип ВНН-50 с мощностью на валу 94 кВт.
Разработан проект трехкорпусного вакуумного выпарного аппарата для концентрирования сульфата титанила TiOSO4 до
0 гл по TiO2 из раствора содержащего 125 гл по TiO2. Производительность по исходному раствору 315 м3час. На основе выполненных расчетов сделан вывод что для обеспечения необходимой производительности необходима одновременная работа семи трехкорпусных установок со следующими параметрами (из каталога [12]):
Выбрано вспомогательное оборудование – барометрический конденсатор диаметром dБК = 1200 мм и вакуум-насос типа ВНН-50 с мощностью на валу насоса 94 кВт. Расход охлаждающей воды в барометрическом конденсаторе GВ и объемная производительность вакуум-насоса WВ составляют соответственно 3860 кгс и 0170 м3с (102 м3мин).
Список использованных источников
Химия и технология редких и рассеянных элементов: ч. 2 И.В. Шахно и др.; под ред. К.А. Большакова. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа 1978. – 360 с.
Хазин Л.Г. Двуокись титана. – 2-е изд. испр. и доп. – Л.: Химия 1970. – 176 с.
Техническая двуокись титана и ее получение из измененного ильменита сернокислотным методом: монография Я.В. Горошенко и др. – Киев: Наукова думка 1968. – 95 с.
Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. – 2-е изд. в 2 кн. – М.: Химия 1995. – 400 с.
Касаткин А.П. Основные процессы и аппараты химической технологии. – 7-е изд. – М.: Госхимиздат 1961. – 831 с.
Справочник химика: т. V. В VII томах Под ред. Б.П. Никольского и др. – 2-е изд. перераб. и доп. – Л.: Химия 1968. – 972 с.
Расчет выпарных установок: учебное пособие Л.Н. Кузнецова Л.И. Селянина С.И. Третьяков. – Архангельск: Изд-во АГТУ 2004. – 72 с.
Аппараты выпарные трубчатые вертикальные общего назначения: каталог-справочник Сост. А.В. Герасименко Е.М. Ковалев. – М.: ЦИНТИХимнефтемаш 1965. – 52 с.
Справочник сернокислотчика Под ред. К.М. Малина. – 2-е изд. доп. и перераб. – М.: Химия 1971. – 744 с.
Технология серной кислоты: учебное пособие К.М. Малин Н.Л. Аркин Г.К. Боресков М.Г. Слинько. – М.: Госхимиздат 1950. – 570 с.

Zaschita.cdw

При изготовлении аппарата руководствоваться
Корпус аппарата и детали
соприкасающиеся с упариваемым
раствором изготовить из стали 185Х34Л ГОСТ 2176-77
остальные из стали Ст3 ГОСТ 380-71.
Прокладки из паронита ПОИ-1 ГОСТ 481-80.
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически
в горизонтальном положении под давлением 0
Неуказанный вылет штуцеров 120 мм.
Аппарат предназначен для упаривания раствора сульфата титанила
от начальной концентрации 18
содержащего 7 % серной кислоты.
Производительность по исходному раствору 315 м
Поверхность теплообмена 800 кв. м.
Абсолютное давление в аппарате от 0
Температура исходного раствора 25
Среда в аппарате и трубном пространстве - сернокислый раствор сульфата титанила.
Среда в межтрубном пространстве - насыщенный водяной пар и его конденсат.
КП ФЮРА 250.600.14.00
Технические требования
Выход вторичного пара
Вход воды для промывки
Слив из межтрубного пространства
Люк на греющей камере
Сдувка неконденсируемых газов
Техническая характеристика

Специф1.cdw

КП ФЮРА 250.000.000.02 СБ
Пояснительная записка
КП ФЮРА 250.000.000.02 ПЗ
КП ФЮРА 250000.000.02 СБ
КП ФЮРА 250.000.001.02 СБ
КП ФЮРА 250.000.002.02 СБ
КП ФЮРА 250.000.003.02 СБ
КП ФЮРА 250.000.004.02 СБ
Корпус греющей камеры
Труба циркуляционная
КП ФЮРА 250.000.005.02 СБ
КП ФЮРА 250.000.006.02 СБ
КП ФЮРА 250.000.007.02 СБ
КП ФЮРА 250.000.008.02 СБ
КП ФЮРА 250.000.401.02
КП ФЮРА 250.000.402.02
Болт М10 ГОСТ 7798-70
Гайка М20.5 ГОСТ 5915-70

Referat.docx

Цель данной работы – разработка проекта вакуумного выпарного аппарата для концентрирования сульфата титанила. Выпаривание – процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путём частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в газообразное 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.
Практическая и экономическая суть задачи в том что концентрированные растворы и твёрдые вещества получаемые в результате выпаривания легче и дешевле перерабатывать хранить и транспортировать.
Разработана конструкция и рассчитан выпарной аппарат для получения раствора сульфата титанила 240 гл по TiO2 из раствора содержащего 125 гл по TiO2 . Производительность по исходному раствору 315 м3час.
Количество страниц пояснительной записки: 56;
Количество рисунков: 13;
Количество таблиц: 4;
Количество графического материала: сборочный чертеж А1;
Выпаривание выпарной аппарат концентрирование TiOSO4 сульфат титанила TiO2 диоксид титана.