Расчет выпарного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Выпаривание -- это метод химико-технологической обработки для выделения растворителя из раствора, концентрирования раствора, кристаллизации растворенных веществ. Иногда выпаривание проводят до получения насыщенных растворов, с целью дальнейшей кристаллизации из них твёрдого вещества. Выпаривание широко применяется в химической промышленности. Производство многих продуктов производится в жидкой фазе, в виде суспензий и эмульсий, а для получения целевого продукта жидкую фазу следует удалить. Наиболее простым и производительным способом является тепло- и массообмен. Выпаривание принципиально отличается от испарения тем, что при выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объёма раствора при его температуре кипения, а испарение происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В химической и смежных с ней отраслях жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требовании к условиям проведения процесса, а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.

В данной курсовой работе будут проведены различные расчеты и исследования, позволяющие выбрать наиболее подходящий аппарат для упаривания раствора K₂CO₃. Для этого по исходным данным будут найдены различные параметры, влияющие на характеристики аппарата. Его площадь, высота труб и тд.



1. Технологическая схема установки и ее описание

1.1 Схема установки

Рисунок 1 Технологическая схема процесса выпаривания

1.2 Описание технологической схемы

Основные элементы простой выпарной установки - теплообменник I, в котором исходный раствор нагревается до температуры кипения, выпарной аппарат II (или несколько аппаратов, соединенных последовательно) и барометрический конденсатор III.

Материальный баланс установки поддерживается путем сохранения равенства между количеством растворенного вещества, поступающим с исходным раствором, и его количеством, выводимым с отходящим раствором. Обычно в выпарных аппаратах материальный баланс поддерживается регулятором уровня 2, воздействующим на расход раствора, поступающего в аппарат. Такая схема позволяет стабилизировать уровень в каждом из последовательно работающих аппаратов.

При небольших возмущениях по расходу в качестве регулятора уровня можно использовать П-регуляторы, настроенные на малый предел пропорциональности и обладающие весьма большой статической погрешностью. Если возможны большие возмущения, то для регулирования уровня следует применять ПИ-регулятор.

Наиболее сложной является задача регулирования концентрации упаренного раствора. Обычно регулятор концентрации 4 воздействует на клапан, который изменяет расход упаренного раствора на выходе из аппарата (или на выходе из последнего выпарного аппарата батареи). Если концентрация уменьшается по сравнению с заданным значением, то клапан уменьшает расход готового раствора. При этом возрастает время пребывания раствора в аппарате и, следовательно, концентрация его увеличивается. Если концентрация превышает заданную величину, то происходят обратные процессы.

Как объект регулирования концентрации, выпарная установка обладает большой инерцией и запаздыванием. Поэтому в качестве регуляторов концентрации целесообразно использовать ПИ-регуляторы и ПИД-регуляторы.

Для стабилизации процесса выпаривания необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости в греющей линии, поступающей в теплообменник I и греющую камеру выпарного аппарата, что осуществляется регулятором жидкости 1. Кроме того, необходимо поддерживать заданное разрежение в аппарате, что достигается регулированием расхода охлаждающей воды, поступающей в барометрический конденсатор III, с помощью регулятора 3.



2. Конструкция аппарата

Выпарной аппарат должен отвечать ряду требований: быть простым, компактным, надежным в эксплуатации; иметь высокую производительность; допускать возможно большие напряжения поверхности нагрева и высокие коэффициенты теплопередачи при минимальной массе и стоимости.

Разнообразие конструкций выпарных аппаратов усложняет их классификацию. Так, выпарные аппараты могут подразделяться в зависимости:

* от расположения и вида поверхности нагрева;

* конфигурации поверхности нагрева;

* компоновки поверхности нагрева;

* рода теплоносителя;

* взаимного расположения рабочих сред;

* кратности и режима циркуляции.

По методу выпаривания выпарные установки бывают:

* поверхностного типа, в которых раствор контактирует с поверхностью теплообмена;

* контактного типа, в которых нагревание осуществляется без разделяющей поверхности теплообмена;

* адиабатного испарения.

Рассмотрим наиболее распространенные в промышленности конструкции выпарных аппаратов, сравним их и выберем наиболее подходящий для нас конструкцию аппарата.



2.1 Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой

(в соответствии с рисунком 2) имеет нагревательную камеру, состоящую из корпуса 7 с кипятильными трубками 2 и центральной циркуляционной трубой 3 большого диаметра, закрепленными в трубных решетках. Греющий пар подается в межтрубное пространство, конденсируется и отводится из аппарата в виде конденсата. Исходный упариваемый раствор непрерывно подается сверху, а упаренный раствор также непрерывно удаляется через штуцер, находящийся в днище аппарата, или через фонарь 7, который предназначен для поддержания постоянного уровня раствора в аппарате. В нем с помощью трубы 6 поддерживается то же давление, что и в сепараторе 5. Парообразование внутри центральной трубы значительно меньше, чем в кипятильных трубах, так как на единицу объема жидкости в ней приходится меньшая теплопередающая поверхность. Вследствие этого плотность парожидкостной эмульсии (практически жидкости) в центральной трубе больше, чем в кипятильных трубах. Это вызывает естественную циркуляцию раствора: гидростатическим давлением столба жидкости в циркуляционной трубе раствор передавливается в кипятильные трубки, поднимается по ним вверх, частично выпаривается и, освобожденный вверху от пара, возвращается вниз по центральной трубе. Образующийся пар удаляется в верхней части аппарата, пройдя предварительно через каплеуловитель 4. Недостатком данного аппарата является жесткая конструкция греющей камеры, не имеющая температурной компенсации. Аппараты могут быть использованы только для упаривания некристаллизующихся растворов, так как в противном случае в трубах могут образовываться кристаллические пробки.



2.2 Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой

(в соответствии с рисунком 3) состоит из греющей камеры 4, которая свободно подвешивается внутри корпуса 5, опираясь на лапы 6. Греющий пар подается в межтрубное пространство нагревательной камеры по трубе 3, конденсат удаляется по трубе 7. Образующийся вторичный пар проходит сепарационное пространство над греющими трубками и далее инерционный каплеуловитель 1, из которого уловленная жидкость стекает вниз по трубе 2.

Принцип циркуляции здесь тот же: малоэмульгированный раствор из-за большой плотности опускается вниз по кольцевому пространству между корпусом аппарата и нагревательной камерой, передавливая вверх постоянно образующуюся в трубках более легкую парожидкостную эмульсию.

Благодаря большему сечению кольцевого канала гидравлическое сопротивление циркуляционного контура здесь меньше, следствием чего является увеличение скорости циркуляции раствора. Погружение нагревательной камеры в выпариваемую среду препятствует возникновению температурных напряжений, так как в этом случае корпус камеры и трубки находятся в одинаковых температурных условиях. Однако аппараты данного типа обладают несколько большей материалоемкостью, чем с центральной циркуляционной трубой. В них также нельзя обрабатывать высоковязкие и кристаллизующиеся растворы.



2.3 Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой

(в соответствии с рисунком 4) состоит из нагревательной камеры (кипятильника) 2 и сепаратора 6, соединенных между собой патрубком 3 и циркуляционной трубой 8. Через эту трубу большая часть концентрированного раствора возвращается обратно в нижнюю часть кипятильника, смешиваясь с исходным раствором, который подается через патрубок 1. Часть концентрированного раствора отводится из сепаратора в виде готового продукта через патрубок 7. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 5, удаляется из сепаратора через верхний патрубок 4.

Высота трубок в таких аппаратах составляет 5...7 м. Сечение циркуляционной трубы равно или больше площади поперечного сечения всех кипятильных трубок. Следствием большой движущей силы циркуляции (разности давлений столба сплошной, некипящей жидкости в циркуляционной трубе 8 и парожидкостной эмульсии внутри кипятильных трубок) при небольшом гидравлическом сопротивлении циркуляционного контура является значительная скорость циркуляции раствора (до 1,5 м/с). В результате повышается коэффициент теплоотдачи и уменьшается опасность отложения пристенных осадков.

Чистка и замена трубок выпарных аппаратов с выносной нагревательной камерой достаточно удобны.

2.4 Выпарной аппарат с естественной циркуляцией и встроенной греющей камерой

(в соответствии с рисунком 5) Наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатыми греющими камерами. Они относительно компактны и в них обеспечиваются хорошие условия теплопередачи. В конструкциях аппаратов этого типа выпариваемый раствор находится в трубном пространстве. Это обеспечивает возможность удаления отложений с поверхности труб. Аппараты с естественной циркуляцией раствора и встроенной греющей камерой относительно простые о конструкции. Движение раствора вниз происходит по центральной трубе. При длине труб до 5 м обеспечивается скорости циркуляции до 2-3 м/с. Недостатком аппаратов этого типа является парообразование в опускной части циркуляционного контура, уменьшающей скорость циркуляции.

Таким образом, проанализировав различные конструкции аппаратов, определив их достоинства и недостатки выбираем конструкцию аппарата с естественной циркуляцией и встроенной греющей камерой (тип 1, исполнение 1). Достоинствами этих аппаратов является простота конструкции, экономичность, компактность, хорошие условия теплопередачи и легкость в эксплуатации.



3. Технологический расчет аппарата

Целью расчета является определение поверхности греющей камеры выпарного аппарата с сосной греющей камерой и выбор стандартного аппарата.

Исходные данные:

Производительность по исходному раствору G_н = 1,5 кг/с.

Концентрация раствора (масс. доли):

- начальная х_н = 10;

- конечная х_к = 44.

Остаточное давление в сепараторе Р_с = 0,018 Мпа

Давление греющего пара (абс.) Р_гп = 0,3131 МПа

Начальная температура раствора t_н = 20 С

3.1 Материальный баланс

Производительность по выпариваемой воде определим из уравнения материального баланса

кг/с. (1)

3.2 Полезная разность температур

Удельная тепловая нагрузка аппаратов с естественной циркуляцией q, можно принять равной 20000 Вт/м².

Тогда ориентировочная поверхность греющей камеры составит

Где = 2363*10³ Дж/кг - теплота парообразования вторичного пара при давлении 0,018 МПа [1].

По ГОСТ 11987-81 [2] предварительно принимаем выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и сосной греющей камерой (тип 1, исполнение 1). Выбираем данный аппарат, так как упариваемый раствор K2CO3 является растворимым и не образует осадка на греющих трубках. Диаметр труб 38Ч2 мм, поверхность греющей камеры F_ор = 136,9 м². Высота труб 3 и 4 м, примем Н_т = 4 м. Температуру раствора в трубках для таких аппаратов можно определить следующим образом. По справочным данным [1] температура вторичного пара при давлении в сепараторе 0,018 МПа составляет t_в.п = 57,8 С. Температурная депрессия, по правилу Тищенко И.А., составит

где = 7,5 С - температурная депрессия раствора конечной концентрации при атмосферном давлении [1]; Тв.п = 273 + 57,8 = 330,8 К - абсолютная температура вторичного пара.

Температура кипения раствора в трубе вскипания

(4)

Теплоемкость раствора начальной концентрации (при х 0,2) по формуле

Проходное сечение трубного пространства определим по формуле

Скорость циркуляции раствора в аппаратах с естественной циркуляцией составляет 0,8-1,5 м/с. Приняв скорость w = 1 м/с, по уравнению расхода определим массовый расход циркулирующего раствора:

где = 1475 кг/ м3 - плотность раствора конечной концентрации при температуре кипения [1]. Температура перегрева из теплового баланса

где = 2605 кДж/кг - энтальпия вторичного пара при 0,018 МПа [1];

= 4,185 кДж/(кг*К) - теплоемкость воды при температуре 63,4 С [1].

Подставив численные значения, получим

Температура перегретого раствора в трубках составит

Полезная разность температур

где t_г.п = 135 С - температура греющего пара при давлении 0,3131 МПа [1].

3.3 Тепловая нагрузка и расход греющего пара

Теплоту концентрирования определим по формуле

где = 56 кДж/кг - разность интегральных теплот растворения [3]. Тепловую нагрузку на выпарной аппарат определим по уравнению теплового баланса:

где 1,05 - коэффициент, учитывающий 5% потери в окружающую среду;

Подставив численные значения, получим:

(14)

Расход греющего пара из теплового баланса

где I_г.п = 2733 кДж/кг - энтальпия греющего пара [1]; i_к = 568,2 кДж/кг - энтальпия конденсата [1].



3.4 Поверхность греющей камеры и выбор аппарата

выпарный аппарат выпаривание технологический

Теплофизические свойства конденсата греющего пара при давлении 0,3131 МПа и раствора конечной концентрации при температуре tр = 64,32 С, определенные по справочным данным [1,4,5], приведены в табл. П.Б.9.

Таблица П.Б.9

Теплофизические свойства конденсата и раствора

Параметр	Значение
	Конденсат	Раствор
Теплопроводность 1, 2, Вт/(м*К)	0,685	0,611
Плотность 1, 2, кг/м3	929	1450
Теплоемкость с2, Дж/(кг*К)	-	2551
Вязкость 1, 2, Па*с	0,209*10-3	0,697 * 10-3

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке

где = 2165 кДж/кг - теплота конденсации греющего пара [1].

Подставив численные значения, получим

Критерий Рейнольдса и Прандтля для раствора:

Критериальное уравнение теплоотдачи для раствора в трубках:

Коэффициент теплоотдачи к раствору

Суммарное термическое сопротивление трубок с учетом загрязнений

где = 17,5 Вт/(м/К) - теплопроводность нержавеющая сталь [1];

= 0,00025 (м2/К)/Вт - термическое сопротивление загрязнений для воды среднего качества [1].

Уравнение для расчета удельной тепловой нагрузки, полученное совместным решением уравнения теплопередачи, аддитивности термических сопротивлений и значений коэффициентов теплоотдачи:

где А = 231985; б₂= 3270 Вт/(м2/К).

В первом приближении при q₁ = 22247 Вт/м2

Во втором приближении при q₂ = 123900 Вт/м2

Истинное значение q₃ определим по соотношению

Проверим полученное значение:

Такую точность определения корня уравнения можно считать достаточной, и q = 122959 Вт/м² можно считать истинной удельной тепловой нагрузкой.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации греющего пара

Коэффициент теплопередачи по уравнению аддитивности

Расчетную поверхность греющей камеры определим из уравнения теплопередачи:



По ГОСТ 11987-8I [2] выбираем выпарной аппарат со следующими характеристиками:

ь номинальная поверхность теплообмена F = 40 м2;

ь диаметр труб dЧs = 38Ч2 мм;

ь высота труб Нт = 4 м;

ь диаметр греющей камеры D = 800 мм;

ь диаметр сепаратора D₁ = 1200 мм;

ь диаметр циркуляционной трубы D_ц = 500 мм;

ь общая высота аппарата Н 11000 мм;

ь масса аппарата М 3 т.

3.5 Расчет толщины тепловой изоляции

Для расчета толщины изоляции примем температуру окружающего воздуха

Коэффициент теплоотдачи в окружающую среду составляет:

Где - разность температур аппарата и окружающего воздуха.

Принимаем температуру наружной поверхности 40 С. Так как для аппаратов, работающих в закрытом помещении Дt принимаем равным в диапазоне от 35 до 45 С.

Удельный поток тепла определятся по выражению:

Где - температура наружной поверхности изоляции

Тогда, толщина слоя изоляции принимается из выражения:

В качестве материала для тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста) 6, имеющий коэффициент теплопроводности

- расчетная температура наружной поверхности кожуха

Отсюда имеем:

Окончательно принимаем теплоту изоляции 0,039 м.



4. Выводы

В курсовом проекте «Расчет выпарного аппарата» мною была изучена теория по данной теме, технологическая схема общего вида и ее описание. Также в данной работе были произведены расчеты и рассмотрены различные пути определения необходимого аппарата для упаривания раствора K₂CO₃. Для начала была найдена ориентировочная поверхность греющей камеры, рассчитанная по принятому значению удельной тепловой нагрузки. По F_ор и упариваемой соли был ориентировочно выбран тип выпарного аппарата. Но конечной целью проведения расчетов являлось выбирать выпарной аппарат, подходящий под определенные нами характеристики. Для этого была найдена температурная депрессия, разность температур, определены теплофизические свойства конденсата и раствора, а также тепловая нагрузка. После этого был произведен расчет толщины тепловой изоляции для данного аппарата.



Список литературных источников

1. Павлов,К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; под ред. П.Г. Романкова. 10-е изд. Л.: Химия, 2007. 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов [и др.]; под ред. Ю. И. Дытнерского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 2008. 496 с.

3. Справочник химика. В VII т. Т.III, V. М.: Химия, 1962.

4. Зайцев,И.Д. Машинный расчет физико- химических параметров неорганических веществ/ И.Д. Зайцев, И.Ф Зозуля., Г.Г.Асеев. М.: Химия, 1983. 256 с.

5. Зайцев,И.Д. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ: справ. изд./ И.Д. Зайцев, Г.Г. Асеев. М.: Химия, 1988. 416 с.

6. Машины и аппараты химических производств: учебное пособие / Под общ. ред. В.Н. Соколова. Л.: Машиностроение, 1982. 384 с.

Размещено на Allbest.ru

...