Расчёт выпарной установки для выпарки хлористого кальция - курсовой

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ВЫПАРКИ

1.1 Теоретические основы процесса выпаривания

1.2 Основные технологические схемы

1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса выпаривания

2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

2.1 Обоснование выбора двухкорпусной выпарной установки

2.2 Описание технологической схемы производства

3 ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ АППАРАТА

4 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС УСТАНОВКИ

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ГРЕЮЩЕГО ПАРА

6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ, ВЫБОР ТИПА ИСПОЛНЕНИЯ ВЫПАРНОГО АППАРАТА

7 РАСЧЁТ И ВЫБОР ТЕПЛООБМЕННИКОВ ИСХОДНОЙ СМЕСИ И БАРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА

7.1 Расчёт подогревателя экстрапаром

7.2 Расчёт подогревателя острым паром

7.3 Расчёт барометрического конденсатора

8 ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

8.1 Выбор конденсатоотводчика

8.2 Выбор насоса исходной смеси

8.3 Выбор вакуум-насоса

9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

10 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Литературный обзор по теории и технологии процесса выпарки

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.

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. 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.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата. Применение вакуума 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, вакуум-насосы), а также 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. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ.

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

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание, под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Экономия первичного пара может быть достигнута также в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового насоса (например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат.

Основные технологические схемы

Принцип действия многокорпусных аппаратов заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путём последовательного соединения нескольких однокорпусных 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 5060 оС 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.

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.

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. 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 кипения раствора в корпусах.

По принципу работы выпарные установки разделяются на непрерывно и периодически действующие. В установках непрерывного действия неконцентрированный раствор непрерывно подаётся в аппарат, а упаренный раствор непрерывно отводится из него. Такие аппараты более экономичны в тепловом отношении, поскольку в них отсутствуют потери, связанные с расходом теплоты на периодический разогрев аппарата. 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.

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.

Современное аппаратурнотехнологическое оформление процесса выпаривания

Для экономии греющего пара в современных выпарных установках используют паровые эжекторы или механические компрессоры. При этом вторичный пар сжимается до необходимого давления. Эжектор или компрессор можно устанавливать за любым корпусом установки. Чем ниже давление всасываемого пара, тем полнее утилизация теплоты, но требуется больше энергии на сжатие. Место установки ступени сжатия должно определяться на основании технико-экономических расчетов. Установка парового эжектора в трехкорпусной выпарной установке позволяет добиться такой же экономии пара, как установка еще одного дополнительного корпуса.

В 1991 году в научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте металлургической теплотехники цветной металлургии и огнеупоров изобретен выпарной аппарат для солесодержащих растворов. Служит для упаривания солесодержащих растворов и может быть использован в металлургической, химической и пищевой отраслях промышленности. Аппарат отличается тем, что на конце восходящего циркуляционного трубопровода, обращенном ко второй греющей камере, установлена инжекционная насадка, а вторая греющая камера размещена в нижней части сепаратора. Использование этого изобретения обеспечивает повышение эффективности упаривания за счет превращения прямолинейного движения потока в вихревое, уменьшение брызгоуноса и габаритов аппарата.

В 2002 году В. П. Черных изобрел выпарной аппарат, отличающийся от аналогов тем, что патрубок для ввода раствора установлен на крышке. Сосуд выпарного аппарата не имеет «конденсатора», поэтому все рабочее пространство в сосуде используется рационально для осуществления процесса выпаривания раствора. Это повышает удельную производительность аппарата. Выпарной аппарат новой конструкции позволяет получить полимерные металлоорганические соединения редких металлов высокой химической частоты.

В настоящее время резко возросла роль автоматизации в процессе выпаривания. Это объясняется высокой скоростью протекания процесса, а также необходимостью постоянно поддерживать в заданных пределах ряд параметров. Поэтому в последнее время активно развиваются системы автоматического регулирования процесса выпаривания.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

Обоснование выбора двухкорпусной выпарной установки

В промышленности применяются многокорпусные выпарные установки, обеспечивающие экономию первичного греющего пара. С увеличением числа корпусов уменьшается удельный расход пара, а, следовательно, и расход топлива. Однако с увеличением числа корпусов увеличивается расход металла, начальные затраты на установку и амортизационные отчисления, расходы на текущие ремонты и, кроме того, усложняется эксплуатация. Выбор числа ступеней выпарной станции производится на основе технико-экономических расчётов. В большинстве случаев на практике применяют выпарные установки с греющими поверхностями нагрева с 2-4 корпусами.

Выпарные аппараты с паровым обогревом можно разбить на три группы: с естественной циркуляцией раствора, с принудительной циркуляцией раствора и плёночные аппараты. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.

На основании вышеизложенного, для концентрирования водного раствора хлорида кальция выбираем двухкорпусный выпарной аппарат непрерывного действия с естественной циркуляцией.

Описание технологической схемы производства

Исходный раствор из емкости центробежным насосом (1) подается в подогреватель экстрапаром (3), а затем в подогреватель греющим паром (4). В теплообменниках исходный раствор подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем подается в первый корпус выпарной установки (5). Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус обогревается острым паром (сухим насыщенным). Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус (6). Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса.

Самопроизвольный перетек раствора и вторичного пара в последующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе (9) смешения, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом (12). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор подается в емкость для упаренного раствора (8).

Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков (7).

Технологическая схема приведена на листе А1 графической части.

Выбор конструкционных материалов аппарата

Выбор конструкционных материалов для проектируемого аппарата определяется особенностями протекающего в нем технологического процесса, свойствами рабочих веществ, их параметрами и характером механической нагрузки. В свою очередь технологические свойства конструкционного материала предопределяют способ изготовления из него деталей аппарата.

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора хлорида кальция в интервале изменения концентраций от 10 до 30%.

При выборе марки стали, прежде всего, учитывается ее коррозионная стойкость в рабочей среде. Рекомендуется применять углеродистые или легированные стали со скоростью коррозии не более 0,1 мм/год, т.е. вполне стойкие. Применим в качестве материала сталь марок 35, 45.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта был произведен расчёт установки для концентрирования водного раствора глицерина, в результате которого по ГОСТ 1198781 был подобран выпарной аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой.

Конструкция выпарного аппарата удовлетворяет ряду общих требований. К их числу относятся:

Высокая производительность и интенсивность теплопередачи при минимальном объеме аппарата и расходе металла на его изготовление;

Простота устройства;

Надежность в эксплуатации;

Легкость очистки поверхности теплообмена;

Удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Для аппарата были рассчитаны и подобраны теплообменники исходной смеси и барометрический конденсатор, а также вспомогательное оборудование: конденсатоотводчики, насос исходной смеси и вакуум-насоса.

Чертёжи к курсовому проекту.dwg

Техническая характеристика 1. Аппарат предназначен для упаривания раствора C3H8O3 от 8% до 38% (по массе) 2. Производительность по исходному раствору 1
кгс 4. Поверхность теплообмена 448 м² 5. Условное давление в греющей камере от 0
Труба циркуляционная
Заглушка 50-3 ГОСТ 12-836-67
Болт М24х100 ГОСТ 7798-70
Гайка М24 ГОСТ5915-70
Шайба 24 ГОСТ 11371-68
Выход вторичного пара
Вход исходного раствора
Выход упарен. раствора
Для сообщения с атмосферой
Для указателя уровня
Условное обозначение
среды в трубопроводе
Вода оборотная (подача)
Вода оборотная (возврат)
Барометрический конденсатор
Установка для концентрирования водного раствора вещества
Технологическая схема
Прибор для измерения давления
установленный на щите
Регистрирующий прибор для измерения
Прибор для измерения температуры
Прибор для измерения уровня
на щите с сигнальным устройством
Прибор для измерения расхода
с сигнальным устройством
b = 18% G = 2845 кгч
G = 12653 кгч t = 20 °C
Прибор для измерения качества продукта
Общий вид выпарного аппарата с принудительной циркуляцией и q*;вынесенной греющей камерой
Техническая характеристика 1. Аппарат предназначен для упаривания раствора глицерина от 18% до 80%. 2. Производительность по исходному раствору 2845 кгч 4. Поверхность теплообмена 100 м². 5. Давление греющего пара 0
МПа. 6. Количество экстропара 0
кгкг. 7. Температура поступающего раствора 20°С
КП-106521003-ДО-2014
Технологическая схема выпарной установки
Вентиль регулирующий
Конденсатор барометрический
Подогреватель экстрапаром
Подогреватель острым паром
Насос исходной смеси
b = 14% G = 8000 кгч
G = 30054 кгч t = 20 °C
G0=1500 кгч b0=10 % t'0=12 °С
Неконцентрированный раствор
Концентрированный раствор
Расчёт выпарной установки для выпарки хлористого кальция
Принципиальная технологическая схема установки
Охл. вода из градирни
Бак с неконцентрированным раствором
Бак с концентрированным раствором
Техническая характеристика xi-2
Аппарат предназначен для упаривания раствора хлорида кальция с начальной массовой концентрацией 10% до концентрации 30%. i0
Производительность по конечному раствору 500 кгч. 4. Поверхность теплообмена 16 м². s*
Давление греющего пара 0
МПа. 6. Количество экстрапара 0
Температура поступающего раствора 12 °С. i0
Паровое пространство
Циркуляционная труба
Расчет выпарной установки для выпарки хлористого кальция
Общий вид выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой