Разработка технологической схемы трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Выбор выпарных аппаратов

2. Выбор конструкционного материала аппаратов и трубопроводов

3. Тепловой расчет выпарной установки

4. Прочностной расчет выпарных аппаратов

5. Расчет основных параметров элементов конструкции выпарной установки

Заключение

Список литературы

Введение

В химической промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Принципиальная технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рис. 1.

Исходный раствор подается из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3 в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки.

Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в третий корпус 6 , обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в емкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в котором при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в конденсатор) и через не плотности трубопроводов, отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом.

Смесь охлаждающей воды и конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9. Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков.

Рис. 1

1. Выбор выпарных аппаратов

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление. А также простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами раствора.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа•с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Растворы чувствительные к повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию - в прямоточных аппаратах с восходящей пленкой.

2. Выбор конструкционного материала аппаратов и трубопроводов

Растворы, для которых ведется проектирование выпарной установки, являются коррозионно-опасными. Поэтому корпуса выпарных аппаратов и соприкасающиеся с выпариваемым раствором другие элементы установки изготавливаются, из нержавеющей стали, например, марки Х18Н10Т. Для изготовления остальных элементов допускается применение материалов с меньшими требованиями по коррозионной стойкости, например, стали Ст3сп.

3. Тепловой расчет выпарной установки

1. Производительность установки по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса, кг/с.

2. Принимаем, что производительность по выпариваемой воде распределяется между аппаратами в соотношении.

,

3. Производительность по выпариваемой воде для каждого аппарата определяется в соответствии с принятым соотношением:

,

4. Концентрация растворов в выпарных аппаратах, %.

,

Концентрация раствора в последнем аппарате соответствует заданной конечной концентрации .

5. Общий перепад давлений в установке, МПа.

6. Давления греющих паров определяются в предположении, что перепад давлений между ступенями распределяется поровну

.

7. По давлениям насыщенных водяных паров находят их температуры и энтальпии: а также энтальпии конденсата

Табл. 1

=0,419	=145	=2740	=610,65
=0,216	=126	=2718,5	=525,05
=0,0123	=50	=2589

8. Сумма гидродинамических депрессий составляет, К.

На основании экспериментальных данных гидродинамическая депрессия для каждого j-го аппарата принимается одинаковой и равной К.

9. Температуры вторичных паров в сепараторах выпарных аппаратов равны, 0С.

.

10. По температурам вторичных паров в каждом j-м аппарате определяются их давления насыщения , энтальпии и теплоты парообразования .

Табл. 2

=127	=0,2343	=2718,5	=2193
=51	=0,0126	=2588,5	=2380

11. Температурные депрессии определяются в соответствии с формулой.

где - температурная депрессия при нормальном атмосферном давлении, определяется при концентрации раствора в соответствующем аппарате.

Сумма температурных депрессий находится по формуле:

.

12. Температуры кипения раствора в аппаратах будут

.

Поскольку в аппаратах заданного типа кипение раствора происходит в трубе вскипания, то температура кипения раствора определяется без учета гидростатической депрессии

13. Поверхность нагрева выпарных аппаратов оценивается (применительно к первому аппарату) по формуле, м2:

м2,

где q - удельная тепловая нагрузка аппарата с естественной циркуляцией (принимаем q = 40кВт/м2).

Тогда:

Длина труб греющей камеры l=5м.

Диаметр и толщина стенки трубы 38 и 2 мм,

Высота трубы вскипания Н1=2,55м.

Высота аппарата H=16,10м.

Поверхность теплообмена аппарата принимаю F=630м2.

14. Массовый расход циркулирующего в аппарате раствора, кг/с.

где - плотность раствора, кг/м3; - скорость движения раствора, м/с.

Для аппаратов с вынесенной греющей камерой и вынесенной зоной кипения с естественной циркуляцией скорость раствора в трубах =0,6…0,8 м/с.

.

15. Перегрев раствора в j-м аппарате может быть найден из внутреннего баланса теплоты, К:

где - удельные теплоемкости растворителя (воды) в аппарах, кДж/(кг·К); - массовое количество раствора в единицу времени, поступающее в j-й аппарат, кг/с;

- удельные теплоемкости растворов, поступающих в аппараты, кДж/(кг·К).

Табл. 3

СВ1= 4,27кДж/(кг·К)	С1=4227 Дж/(кг·К)=4,227 кДж/(кг·К)
СВ2=4,18 кДж/(кг·К)	С2=3692 Дж/(кг·К)= 3,692 кДж/(кг·К)

.

16. Полезные разности температур в аппаратах, К:

.

Общая полезная разность температур:

.

17. Проверка общей полезной разности температур:

18. Расход греющего пара в первый аппарат DГ, производительность каждого аппарата по выпаренной воде W1,W2,W3 и тепловые нагрузки аппаратов Q1, Q2, Q3, определяются из совместного решения уравнений теплового баланса для каждого аппарата и уравнения материального баланса по выпариваемой воде для всей установки:

Температура кипения исходного раствора рассчитывается при давлении в первом аппарате по формуле:

.

Выразим производительность каждого аппарата через его расход греющего пара:

Далее решаем уравнение:

.

Тогда расход греющего пара в первом аппарате будет равен:

.

Тепловые нагрузки аппаратов:

.

19. Для всех двух аппаратов значения производительности по выпариваемой воде различаются менее чем на 5% от предварительно принятых в п. 3.

20. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего греющего водяного пара к наружной поверхности стенки трубы греющей камеры каждого аппарата, Вт/(м2·К):



где - разность температур конденсации пара и наружной поверхности стенки, К.

Поскольку на данном этапе расчета значения не известны, то с последующим уточнением принимаем =2…10 К. Меньшее значение относится к первому аппарату, большее - к последнему.

Значения для каждого аппарата определяются при средней температуре водяной пленки:

Вычислим средние температуры водяной пленки в аппаратах:

21. Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности греющих труб к циркулирующему в них раствору в каждом аппарате рассчитывается с использованием уравнения подобия:

Числа Рейнольдса Rej и Прандтля Prj определяются при средней температуре циркулирующей жидкости:

.

Число Прандтля выбирается при средней температуре стенки греющих труб:

.

Находим числа Re:

Определяем числа Прандтля:

Табл. 4

Pr1=1,17 Pr2=2,55	PrC1=1,26 PrC2=1,47

Подставляя найденные значения в уравнение подобия, получим:

Тогда коэффициенты теплоотдачи:

22. Коэффициент теплопередачи для каждого аппарата, Вт/(м2·К):

где - толщина стенки греющих труб, м; - коэффициент теплопроводности материала стенки греющих труб, Вт/(м·К), - толщина слоя загрязнений (накипи) на внутренней поверхности стенки греющих труб, м; - коэффициент теплопроводности слоя загрязнений (накипи), Вт/(м·К)

Для стали Х18Н10Т, из которой изготавливаются греющие трубы, =16 Вт/(м·К). Для слоя загрязнений можно принять =0,5·10-3м; =2,4 Вт/(м·К).

23. Уточненное значение разности температур конденсации пара и наружной поверхности стенки греющих труб:

24. Расхождения полученных уточненных значений Дtjс предварительно принятыми превышает 25%, следовательно, расчет повторяем при уточненном значении Дtj.

Принимаем:

,

Вычислим средние температуры водяной пленки в аппаратах:

,

,

Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности греющих труб к циркулирующему в них раствору в каждом аппарате рассчитывается с использованием уравнения подобия:

Числа Рейнольдса Rej и Прандтля Prj определяются при средней температуре циркулирующей жидкости:

.

Число Прандтля выбирается при средней температуре стенки греющих труб:

.

Находим числа Re:

.

Определяем числа Прандтля.

Табл. 5

Pr1=1,17 Pr2=2,55	PrC1=1,26 PrC2=1,535

Подставляя найденные значения в уравнение подобия, получим:

.

Тогда коэффициенты теплоотдачи:

.

Коэффициент теплопередачи для каждого аппарата, Вт/(м2·К):



где - толщина стенки греющих труб, м; - коэффициент теплопроводности материала стенки греющих труб, Вт/(м·К), - толщина слоя загрязнений (накипи) на внутренней поверхности стенки греющих труб, м; - коэффициент теплопроводности слоя загрязнений (накипи), Вт/(м·К)

Для стали Х18Н10Т, из которой изготавливаются греющие трубы, =16 Вт/(м·К). Для слоя загрязнений можно принять =0,5·10-3м; =2,4 Вт/(м·К).

.

Уточненное значение разности температур конденсации пара и наружной поверхности стенки греющих труб:

.

25. Полезные разности температур в аппаратах установки находятся из условия равенства их поверхностей нагрева:

;

.

Проверка общей разности температур

.

26. Уточним площадь поверхности нагрева каждого выпарного аппарата по формуле:

.

Температура греющего пара:

.

Температура кипения растворов:

.

Температура кипения вторичных паров:

.

4. Прочностной расчет выпарных аппаратов

В наиболее трудных условиях работает материал паровой рубашки греющей камеры выпарного аппарата первой ступени, для которой и выполняются расчеты на прочность. Цилиндрическая обечайка паровой рубашки изготавливается вальцовкой листов с последующей двухсторонней сваркой стыков, отверстия в обечайке укрепленные. Сварные эллиптические днища неразрывно связаны с цилиндрической обечайкой, каждое днище имеет неукрепленное цилиндрическое отверстие для соединения с цилиндрической обечайкой греющей камеры.

Целью расчета является определение толщины обечайки
паровой рубашки и толщины ее днищ.

Исходными данными для расчета являются:

1) избыточное давление греющего пара в выпарном аппарате
первой ступени, МПа;

2) внутренний диаметр обечайки паровой рубашки, м;

3) диаметр отверстия в эллиптическом днище , м;

4) допускаемое напряжение на растяжение материала паровой рубашки , МПа.

Толщина тонкостенной цилиндрической обечайки паровой рубашки рассчитывается по формуле, м:

,

где - коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий; - запас на коррозию, м; - запас на округление результата, м.

Значение вычисляется по давлению пара в греющей камере вычетом атмосферного давления. При МПа, МПа.

Внутренний диаметр обечайки, м:

.

Для стали марки Х18Н10Т в диапазоне температур 135...150°С можно принять МПа, запас на коррозию м. Для заданной конструкции обечайки .

м.

.

,

.

.

5. Расчет основных параметров элементов конструкции выпарной установки

Барометрический конденсатор.

Для конденсации пара и создания вакуума в последней ступени выпарной установки применяется барометрический конденсатор. Это теплообменник смесительного типа (рис. 2).

Рис. 2 - общая схема теплообменника смесительного типа (1 - барометрический ящик; 2 - барометрическая труба; 3 - цилиндрический корпус; 4 - сегментная полка; 5 - газоотделитель).

Основными элементами, которого являются цилиндрический корпус 3, на внутренней поверхности которого расположены сегментные полки 4 с отверстиями, газоотделитель 5, барометрическая труба 2, помещенная в барометрический ящик 1, сообщающийся с атмосферой.

В качестве охлаждающей среды используется вода, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре охлаждающего воздуха. Пар, поступающий через нижний штуцер навстречу каскадно сливающемуся потоку воды, конденсируется. Конденсат совместно с проточной водой удаляется через барометрическую трубу в барометрический ящик. Для поддержания в системе постоянства вакуума из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачиваются неконденсирующиеся газы.

Задачей расчета является определение расхода охлаждающей воды основных размеров корпуса (диаметра и высоты) и барометрической трубы (диаметра d, и высоты нг).

Исходными данными для расчета являются:

1) массовый расход конденсируемого пара поступающего в конденсатор из последнего аппарата выпарной установки, кг/с;

2) давление насыщенного пара в барометрическом конденсаторе, Па;

3) начальная температура охлаждающей воды, °С.

Расчет выполняется в следующей последовательности.

Расход охлаждающей воды определяется из уравнения теплового баланса конденсатора, кг/с:

Энтальпия и температура насыщенного пара определяются по давлению . При МПа, кДж/кг, °С.

Конечная температура воды принимаемся на К ниже температуры насыщенного пара:

°С.

Удельная теплоемкость волы , определяется при её средней температуре.

, кг/с.

Внутренний диаметр корпуса рассчитывается по формуле, м:

где - плотность пара при давлении в конденсаторе, кг/м3; При МПа, кг/м3, - скорость пара в нижней части корпуса конденсатора, м/с. При кг/ч, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10 кПа скорость пара принимается:

3. Ширина сегментных полок определяется с учетом свободного стекания воды по полкам и равномерного распределения по сечению корпуса, м:

м.

Число полок для стандартных конденсаторов равно шести.

4. Внутренний диаметр барометрической сливной трубы, м:

,

где - плотность воды, кг, м3; - скорость воды в барометрической трубе, м с.

В расчетах можно принять м/с.

м.

5. Высота барометрической трубы бы определяется из условия создаваемого вакуума в конденсаторе и потерь напора при движении коды в трубе, м.

,

где - атмосферное давление, Па, - сумма коэффициентов сопротивления на входе воды в трубу и на выходе из неё; - коэффициент сопротивления трения, - кинематический коэффициент вязкости воды, м/С.

Искомая величина, входит как в левую, гак и в правую части уравнения. Поэтому расчет ведется путем последовательных приближений.

Последнее слагаемое в уравнении учитывает возможные колебания вакуума. Сумму коэффициентов местных сопротивлений можно принять .

Коэффициент сопротивления трения зависит от режима течения жидкости, который определяется числом Рейнольдса для барометрической трубы:

.

Для турбулентного режима течения:

,

где - абсолютная эквивалентная шероховатость стенки трубы.
Для стальных труб с незначительной или умеренной коррозией мм. По результатам расчетов выбирается конденсатор. Полученный расчетом внутренний диаметр сливной трубы округляется до ближайшего стандартного размера.

,

,

,

м.

Выбираем конденсатор, характеристики которого:

Табл. 6

Расход конденсируемого пара Dп , кг/ч	Скорость потока в корпусе wп, м/с	Размеры корпуса	Размеры газоотделителя	Диаметр барометрической трубы dТ, мм
1600…2500	20	800	5080	300	400	1350	200

Вакуум-насос.

Для откачивания влажных газов и паров из барометрического конденсатора применяются водокольцевые вакуум-насосы. Их подбор производят по значениям создаваемого остаточного давления и производительности. Значение остаточного давления определяется известным давлением в барометрическом конденсаторе.

Расчет производительности вакуум-насоса ведется в следующей последовательности

Расчет производительности вакуум-насоса ведется в следующей последовательности

Массовый расход отсасываемого из конденсатора воздуха
определяется по формуле, кг/с:

,

где: - количество газов, выделившихся из 1 кг воды; - количество газов, подсасываемых в конденсатор через не плотности на 1 кг конденсата.

кг/с.

Температура влажного воздуха, °С:

.

Парциальное давление воздуха в барометрическом конденсаторе, МПа:

МПа.

Парциальное давление водяного пара определяется при
температуре воздуха.

Объемная производительность вакуум-насоса, м3/мин:

,

где - газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг К).

.

Технические характеристики водокольцевых вакуум-насосов типа ВВН приведены в таблице.

Табл. 7 - Характеристики вакуум-насосов типа ВВН

ВВН-6	Остаточное давление , кПа	Производительность , м3/мин	Мощность на валу , кВт
	4,2	9	12,5

Конденсатоотводчик.

Конденсатоотводчики применяют для отвода конденсата из аппаратов, обогреваемых водяным паром. Наибольшее распространение получили конденсатоотводчики с открытым поплавком типа 45ч4бр.

Задачей расчета является определение диаметра условного
прохода клапана .

Исходными данными для расчета являются:

- массовый расход конденсата через конденсатоотводчик , кг/с;

- давление перед конденсатоотводчиком , Па;

- давление после конденсатоотводчика , Па.

Расчет конденсатоотводчиков выполняется для всех аппаратов использующих для обогрева насыщенный водяной пар (теплообменник для предварительного подогрева слабого раствора, выпарные аппараты). Давление перед конденсатоотводчиком определяется давлением греющего пара в соответствующем аппарате. Давление после конденсатоотводчика равно атмосферному давлению.

Все конденсатоотводчики в выпарной установке работают не неохлажденном конденсате, поэтому при расчете необходимо учитывать падение давления в дроссельном отверстии и самоиспарение конденсата.

Падение давления в дроссельном отверстии седла определяется по уравнению:

где - коэффициент дросселирования, принимаемый равным .

.

.

Па.

Количество образующегося при этом пара вторичного вскипания:

,

где и - соответственно энтальпии пара при давлении перед конденсатоотводчиком и после него. При Па, кДж/кг; при МПа, кДж/кг, - теплота парообразования при давлении . При Па, кДж/кг.

.

Площадь отверстия в седле:

,

Где: - коэффициент расхода, ; - плотность пара при давлении . При Па, кг/м3.

.

Диаметр условного прохода клапана:

.

Табл. 8 - Конденсатоотводчики с открытым поплавком

Номер конденсатоотводчика	Размеры, мм	Масса , кг
	Диаметр условного прохода лапана	Длина,	Высота,	Диаметр корпуса,
4	50	560	635	165	112

Трубопроводы и насосы исходного и концентрированного растворов.

Определению подлежит диаметры следующих трубопроводов: греющего пара, исходного раствора, концентрированного раствора, охлаждающей воды барометрического конденсатора.

Расчет ведут по объемному расходу на расчетном участке:

.

Значения массовых расходов сред известны из теплового расчета выпарной установки и барометрического конденсатора. Плотность исходного раствора берется при температуре концентрированного раствора - при температуре вторичного пара последнего выпарного аппарата . В расчетах используется плотность воды.

Внутренний диаметр трубы рассчитывается по оптимальному значению скорости, которая составляет для насыщенного пара м/с, для жидкости м/с.

Полученный расчетом внутренний диаметр трубы округляется до ближайшего стандартного размера, затем уточняется скорость среды.

При м/с:

м;

При м/с:

м/с.

Табл. 9 - Стальные бесшовные трубы

Условный проход	Наружный диаметр и толщина и , мм	Номинальный внутренний диаметр , мм	Сечение по внутреннему диаметру , мм	ГОСТ
34	45х4	37	0,00107	550-75
150	159х4,5	105	0,0177	550-75

Подбору подлежат насосы исходного и концентрированного растворов.

Напор, развиваемый насосом, рассчитывается по формуле:

,

где - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па; - давление в аппарате, в который подастся жидкость, Па; - геометрическая высота подъема жидкости, м; - снижение напора во всасывающем трубопроводе, м; - снижение напора в нагнетательном трубопроводе, м.

Снижение напора в трубопроводах рассчитывается по формуле:

.

При расчете напора, развиваемого насосом исходного раствора, можно принять: МПа, МПа, м, м, , .

Аналогично для насоса концентрированного раствора: МПа, МПа, м, м, , .

.

.

.

.

.

.

По значениям объемного расхода и напора подбираются центробежные насосы типа Х, предназначенные для подачи коррозионных сред (таблица 10).

Табл. 10

Марка	Подача , м3/с	Напор , м	КПД насоса	Мощность электродвигателя , кВт	КПД электродвигателя
Х90/85		56, 70, 85	0,65	40, 55, 75	0,90

Для проверки возможности использования комплектного электродвигателя, кВт:

,

где -- подача одного насоса; - КПД насоса; - КПД электродвигателя.

.

Для предотвращения кавитации ось насоса должна располагаться ниже минимального уровня раствора в емкости на величину допустимой геометрической высоты всасывания, которая рассчитывается по формуле, м:

,

где - частота вращения вала, мин-1; - кавитационный коэффициент быстроходности; для насосов типа Х .

м.

Заключение

В данном курсовом проекте была спроектирована трехкорпусная выпарная установка для концентрирования водного раствора CaCl2 от начальной концентрации 12% до конечной концентрации 40% с производительностью 17 кг/с.

Так же был подобран двигатель к данной выпарной установке, определены площади поверхностей нагрева выпарных аппаратов каждой ступени. Освоен метод последовательных приближений, с помощью которого осуществлялся расчет и уточнение количества выпариваемой воды, концентраций раствора и температур кипения по каждой из ступеней выпарной установки.

технологический вакуум трехкорпусный химический

Список литературы

1. Гуляев Д.В. Расчет выпарных установок. Методические указания для выполнения курсового проекта по дисциплине "Тепломассообменное оборудование предприятий" / Д.В. Гуляев, И.Б. Зимин. - Великие Луки: Изд - во ФБГОУ ВПО "Великолукская ГСХА", 2011. - 45с.

2. Справочник "Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. Автор: И.Д. Зайцев, Г.Г. Асеев. Издательство Москва "Химия", 1988г.

3. Теплотехника, Автор: Р.А. Амерханов, Б.Х. Драганов. Энергоатомиздат, Москва, 2006 г.

4. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчёты. -- Ленинград: Химия, 1977. - 360с.

5. Овчинников Л.Н., Гусев Е.В. Расчет и проектирование выпарных установок. Учебное пособие. Иваново. 1999.

6. Дж. Перри «Справочник инженера химика». Том 1. Ленинград, Химия, 1969 г.

7. П.Г. Алексеев, М.К.Захаров «Методические указания по курсовому проектированию прямоточных многокорпусных выпарных установок с равными поверхностями нагрева». Москва, МИТХТ, 1999 г.

• 8. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии. 10-е изд., перераб. и доп. - Ленинград: Химия. 1987. - 576с.

Размещено на Allbest.ru

...