Проектирование вакуум-выпарной установки

                                           Минобрнауки Россия

  федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

                         высшего профессионального образования

  «Санкт-Петербургский  государственный технологический  институт

                                    (технический университет)»

 

 

    УГС                                           240000      Химическая и  биотехнология

    Направление подготовки        240100      Химическая технология

 

   

 

 

    Факультет                                 Химической и биотехнологии

 

    Кафедра                                   Процессов и аппаратов химической

                                                       технологии

 

 

   Учебная дисциплина                 Методы расчета процессов и аппаратов

                                                        химической технологии

 

    Курс   4                                                                                     Группа 9111

 

 

                                             КУРСОВАЯ РАБОТА

    Тема_Проектирование вакуум-выпарной установки

 

 

 

   Студент                                 ____________                         М.А.Никитина

 

   Руководитель,

   доцент                                  ______________                      О.П.Банных

 

 

 

   Оценка за курсовую  работу  ____________                  (подпись руководителя)                                                                                       

 

 

                                               Санкт-Петербург

                                                        2014

 

 

 

Задание на проектирование

Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания водного раствора NH4NO3. Производительность по исходному раствору 10т/ч, концентрация исходного раствора – 3%(масс.), концентрированного раствора – 12 %(масс.). Избыточное давление греющего пара 0.2 МПа. Исходный раствор с температурой 200 С. перед подачей в выпарной аппарат подогревается греющим паром в подогревателе. Концентрированный раствор после выпарного аппарата охлаждается в холодильнике до температуры 250 С. Начальная температура охлаждающей воды 150 С.

Перечень инженерных расчетов

Расчет и выбор по каталогу выпарного аппарата, холодильника концентрированного раствора, подогревателя исходного раствора, барометрического конденсатора с барометрической трубой, вакуум-насоса.

Дополнительные указания

1. Выполнить подробный  расчет греющей камеры выпарного  аппарата. Тип аппарата: выпарной  аппарат с естественной циркуляцией  раствора, с вынесенной греющей  камерой и кипением в трубах.

2. Выполнить ориентировочный  расчет теплообменных аппаратов (подогревателя исходного раствора  и холодильника концентрированного  раствора). Тип аппаратов: кожухотрубчатые теплообменники или теплообменники « труба в трубе».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1 Введение                                                                                                4

2 Сравнительная характеристика аппаратов для данного процесса       5

2.1 Особенности выпаривания раствора NH4NO3                                      10

2.2 Основные зависимости и расчетные формулы:                             13

2.2.1 Расчет выпарного аппарата                                                                 13

2.2.2 Расчет барометрического конденсатора смешения                       15

2.2.3 Расчет вакуум-насоса                                                                               16

2.2.4 Ориентировочный расчет теплообменных аппаратов            16

3 Расчет:

3.1 Технологическая схема  установки                                                    19

3.2 Расчет выпарного аппарата                                                                21

3.3 Расчет барометрического конденсатора  смешения                 28

3.4 Расчет вакуум-насоса                                                                             29

3.5 Ориентировочный расчет теплообменных  аппаратов           29

3.6Ориентировочный расчет холодильника

концентрированного раствора                                                                  30

3.7 Выводы                                                                                                          32

Приложение:

Литература                                                                                                          33                                                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

     За последние десятилетия развитие химической технологии привело к появлению принципиально новых процессов, что поставило химическую технологию на качественно более высокий уровень. В этом отношении весьма перспективным является развитие вычислительной техники, которая создает невиданные до недавнего времени возможности для исследования, моделирования и расчета процессов и аппаратов химической технологии.

     К числу наиболее распространенных процессов относится выпаривание. Это объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, едкий калий, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

     Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

     Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде.

     В качестве примера выпаривания с выделением чистого растворителя из раствора можно привести опреснение морской воды, когда образующийся водяной пар конденсируют и полученную воду используют для различных целей.

     Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно-действующие. Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора. В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

     В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м2 в единичном аппарате). Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия. В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

     В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной зоной кипения.

     Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Для нагрева выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев, но наибольшее применение находит водяной пар (характеризуется высоким коэффициентом теплоотдачи).

2 Сравнительная характеристика аппаратов для данного процесса

     Теплообменники – устройства, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами.

     В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые реакции: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение, затвердевание и сложные комбинированные процессы. Теплообменные аппараты применяются практически во всех отраслях промышленности и, в зависимости от назначения, называются подогревателями, испарителями, конденсаторами, регенераторами, парообразователями, кипятильниками, выпарными аппаратами и т.д.

     В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные, жидкие и твердые среды.

     Установки, состоящие из одиночного аппарата вторичный пар, из которого не используется (при выпаривании под атмосферным давлением или при разряжении) или используется вне аппарата, называются однокорпусными выпарными установками.

     Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединённых друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Образующийся в первом корпусе вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже и т.д., вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор или используется вне установки.

     Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), это позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.

Устройство выпарных аппаратов

     Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.           Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

а) кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

б) сепаратор – пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

     Необходимость в сепараторе составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

1. Выпарные аппараты со  свободной циркуляцией;

2. Выпарные аппараты с  принудительной циркуляцией;

3. Выпарные аппараты с  естественной циркуляцией;

4. Плёночные выпарные  аппараты.

Выпарные аппараты со свободной циркуляцией

      В этих аппаратах неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб. К данной группе относятся аппараты, выполненные в виде чаш или котлов, поверхность теплообмена образована стенками аппарата.

 

 

Рисунок 1- Выпарной аппарат с горизонтальными трубами

     Выпарные аппараты с горизонтальными трубами (пар пропускается по трубам, жидкость – снаружи труб) могут быть изготовлены со значительными поверхностями теплообмена – до 800 м2 и более. Для компенсации удлинения труб и разборки аппарата с целью очистки крепление труб в трубных решётках делают на сальниках или применяют U- образные трубы.

     Основным недостатком является трудность очистки межтрубного пространства, вследствие чего они не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов. Кроме того, такие аппараты имеют невысокий коэффициент теплопередачи, громоздки и требуют значительного количества металла для изготовления. В настоящее время они применяются редко, вытесняясь более совершенными конструкциями.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

    

1 – циркуляционная труба; 2 – кипятильная труба.

Рисунок 2- Схема естественной циркуляции.    

     Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной (опускной) трубы 1 и обогреваемых подъёмных труб 2. Если жидкость в подъёмных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения части жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в подъёмных трубах, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: подъёмные трубы → паровое пространство → опускная труба → подъёмные трубы и т. д.

     Для естественной циркуляции требуется 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, возможно, малую плотность.

     При небольшом уровне жидкости в опускной трубе парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб; при этом не происходит циркуляции, и работа аппарата сопровождается резким снижением производительности и быстрым покрыванием труб накипью.