Проектирование вакуум-выпарной установки

Содержание

Введение

1 Аналитический обзор

2 Цель и задачи проекта

3 Технологическая схема

4 Инженерные расчеты

4.1 Расчет выпарного аппарата

4.1.1 Материальный баланс процесса выпаривания

4.1.2 Температуры и давления в выпарной установке

4.1.3 Расчет теплового баланса

4.1.4 Расход греющего пара

4.1.5 Расчет площади поверхности теплообмена греющей камеры аппарата

4.2 Расчет барометрического конденсатора

4.2.1 Расход охлаждающей воды

4.2.2 Диаметр барометрического конденсатора

4.2.3 Скорость воды в барометрической трубе

4.2.4 Высота барометрической трубы

4.3 Расчет вакуум-насоса

4.4 Расчет теплообменных аппаратов

4.4.1 Ориентировочный расчет холодильника упаренного раствора

4.4.2 Ориентировочный расчет подогревателя начального раствора

4.4.3 Подробный расчет подогревателя начального раствора

5 Выводы к проекту

Список использованных источников

Введение

Выпариванием называют процесс концентрирования растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях. Процесс выпаривания широко используется в химической, пищевой и смежных отраслях промышленности. Выпариванию подвергают растворы твердых веществ, а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания малым давлением пара (минеральные и органические кислоты, спирты и др.). Иногда выпаривание применяют для выделения растворителя в чистом виде (опреснение морской воды). Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их транспортировку и хранение.

Тепло для выпаривания подводят каким-либо теплоносителем, обеспечивающим доведение до кипения выпариваемого раствора. Наибольшее распространение получил водяной (греющий) пар.

Процесс выпаривания проводят в выпарных аппаратах при атмосферном или повышенном давлении, либо под вакуумом. Самым простым является способ выпаривание при атмосферном давлении, но наименее экономичным. Наиболее эффективным является выпаривание под вакуумом, т. к. можно проводить выпаривание растворов веществ, склонных к разложению при высоких температурах; увеличивается полезная разность температур между греющим паром и раствором, что позволяет уменьшать поверхность нагрева.

Работа, направленная на расчет выпарной установки, вспомогательного оборудования и составление технической документации на выпарную установку, является актуальной задачей данного проекта.

Аналитический обзор

Современные выпарные установки (ВП) представляют собой сложные, высокотехнологичные, автоматизированные системы, изготовленные из высококачественных материалов, обеспечивающие безопасное и эффективное концентрирование растворов различных веществ.

Классифицировать ВП можно по различным признакам:

по количеству корпусов (одно- и многокорпусные);

по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики и др.) и её расположения в пространстве (с вертикальной, горизонтальной, наклонной нагревательной камерой);

по роду теплоносителя (водяной пар, электрический ток и др.);

по типу нагрева (ВП с паровым нагревом, с термической или механической компрессией вторичного пара [1]) и т. д.

Более существенным признаком классификации ВП, характеризующим интенсивность их действия, является вид и кратность циркуляции раствора. В соответствии с этой классификацией различают ВП с циркуляцией 2-х типов:

направленной естественной (свободной)

принудительной

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 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 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. 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 атмосферным давлением) 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 в 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).

В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования.

Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание протекает при малых полезных разностях температур, не превышающих 3-5 К и при значительных вязкостях растворов.

В выпарных аппаратах с тепловым насосом, с помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в нагревательную камеру того же аппарата. В отдельных случаях выпарные аппараты с тепловым насосом могут конкурировать с многокорпусными выпарными установками.

Цель и задачи проекта

Цели курсового проекта:

- спроектировать однокорпусную вакуум-выпарную установку непрерывного действия для выпаривания раствора сульфата магния с начальной массовой концентрацией 0,06;

- обеспечить подогрев исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат и охлаждение концентрированного раствора после выпарного аппарата. Для подогрева исходного раствора использовать вторичный пар. Давление греющего пара выбрать.

Задачи курсового проекта:

- рассчитать материальный и тепловой балансы выпарной установки;

- произвести ориентировочные расчеты теплообменника-холодильника и теплообменниканагревателя;

-произвести подробный расчет нагревателя, выполнить чертежи общего вида теплообменника-подогревателя и технологической схема выпарной установки.

Технологическая схема

Исходный разбавленный раствор из предыдущего цеха подается в подогреватель Т1, а затем – в выпарной аппарат ВА. В качестве теплоносителя в выпарном аппарате используется первичный греющий пар, а в подогревателе вторичный пар. Образующийся конденсат через механический конденсатный насос КН возвращается в котельную. Концентрированный раствор выводится из сепаратора выпарного аппарата через холодильник Т2 и подается поочередно в емкости Е1 и Е2. В емкостях происходит дросселирование до атмосферного давления, а затем насосами Н1 и Н2 подается далее по технологической линии. Охлаждение раствора в холодильнике осуществляется водой. Так как выпарной аппарат работает под вакуумом, емкости Е1 и Е2 соединены с вакуумной линией для обеспечения вывода раствора из аппарата самотеком. Для создания вакуума используется барометрический конденсатор смешения БК, в который поступает вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в выпарном аппарате и охлаждающая вода. Смесь конденсата и охлаждающей воды выводится из конденсатора в емкость Е3 самотеком, при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Для поддержания в барометрическом конденсаторе заданного давления используется вакуум-насос ВН. Для осуществления работы вакуум-насоса к нему обеспечен подвод воды

. Выводы к проекту

По итогу курсовой работы выбраны следующие аппараты:

Выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) по ГОСТ 1198781. Трубы выполнить из нержавеющей стали. Площадь аппарата 560 м2, длина труб 5 м, диаметр труб 38x2 мм.

Барометрический конденсатор с сегментными полками диаметром 1,2 м с барометрической трубой диаметром 0,25 м и высотой 6,96 м.

Вакуум-насос типа ВНН12. Остаточное давление — 23 мм.рт.ст, производительность — 12 м3/мин, мощность — 20 кВт.

Холодильник упаренного раствора по ГОСТ 1512079. Шестиходовой, с площадью теплопередачи 60 м2, длина труб 3 м, проходное сечение трубного пространства 0,009 м2, диаметр кожуха внутренний 600 мм.

Подогреватель начального раствора по ГОСТ 1512279, исполнение М8. Шестиходовой с площадь теплообменна — 40 м2, длина труб — 2 м, наружный диаметр кожуха — 630 мм, площадь проходного сечения — 0,009 м2.

Тех схема.cdw

Нагреватель.cdw