Введение
1 Обоснование и описание технологической схемы
2 Описание конструкции и принципа действия выпарного аппарата
3 Описание конструкции и принципа действия вспомогательного оборудования
3.1 Барометрический конденсатор
3.2 Теплообменник
3.3 Центробежный насос
4 Расчет выпарного аппарата
4.1. Материальный баланс
4.2. Определение приблизительной поверхности теплопередачи
4.3 Определение температуры кипения раствора
4.4 Определение параметров греющего пара и величины полезной разности температур
4.5 Тепловой баланс аппарата
4.6 Расчет коэффициента теплопередачи
4.7 Уточненная поверхность теплопередачи
4.8 Определение толщины тепловой изоляции
5 Расчет вспомогательного оборудования
5.1 Расчет барометрического конденсатора
5.1.1 Определение расхода охлаждающей воды
5.1.2 Расчет диаметра барометрического конденсатора
5.1.3 Расчет высоты барометрической трубы
5.2 Расчет производительности вакуум-насоса
5.3 Расчет подогревателя раствора
5.3.1 Определение тепловой нагрузки
5.3.2 Определение средней разности температур теплоносителей
5.3.3 Определение поверхности теплообмена и выбор теплообменника
Заключение
Список использованных источников
Введение
В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния внутренней структуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями, являющимися основой химико-технологических процессов, последние обычно включают многочисленные физические (в том числе и механические) и физико-химические процессы. К таким процессам относятся: перемещение жидкостей и твердых материалов, измельчение и классификация последних, сжатие и транспортирование газов, нагревание и охлаждение веществ, их перемешивание, разделение жидких и газовых неоднородных смесей, выпаривание растворов, сушка материалов и другие процессы. При этом способ проведения указанных процессов часто определяет возможность осуществления, эффективность и рентабельность производительного процесса в целом. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия машинах и аппаратах.
Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.
В химической промышленности выпариванию подвергают растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара (некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.).
Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием, образующийся из нее водяной пар конденсируют и полученную воду используют для питьевых или технических целей.
В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в специальных выпарных аппаратах.
Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.
В химической промышленности выпариванию подвергают растворы твердых веществ, а также растворы высоко кипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара.
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.
Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном
1 Обоснование и описание технологической схемы
Процесс выпаривания осуществляется либо в аппарате однократного, либо многократного действия. В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается. Для уменьшения расхода греющего пара ши¬роко используют многокорпусные выпарные аппараты.
Принцип действия многокорпусных аппаратов заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путём последовательного соединения нескольких однокорпусных аппаратов, позволяющем использовать 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 предыдущего 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 50—60 ºС 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 (рис 1.). 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 (рис 2.)
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.
2 Описание конструкции и принципа действия выпарного аппарата
В данном курсовом проекте ставится задача рассчитать выпарную установку для упаривания раствора с 7 до 44 % в выпарном аппарате с естественной циркуляцией раствора, вынесенной греющей камерой, (тип 1, исполнение 2). Аппарат (рис. 2.1) состоит из греющей камеры 1, сепаратора 2, циркуляционной трубы 3. Греющая камера 1 представляет собой одноходовой кожухотрубчатый теплообменник, сепаратор – цилиндрический сосуд с верхним эллиптическим и нижним коническим днищами. Внутри сепаратора установлен первичный каплеотбойник, а в верхней части закреплен брызгоотделитель.
Раствор, подлежащий упариванию, подается в аппарат через штуцер В1 (или В2).
При работе аппарата уровень раствора должен поддерживаться по верхней кромке трубы вскипания. Снижение уровня приводит к уменьшению производительности, а повышение вызывает гидравлические удары и повышенный унос раствора вторичным паром. Циркуляция раствора осуществляется по замкнутому контуру: сепаратор – греющая камера – сепаратор. Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер Г. Греющий пар подается в межтрубное пространство греющей камеры через штуцер А.
В таких аппаратах кипение раствора происходит в трубе вскипания, ввиду чего отложение кристаллов на внутренней поверхности греющих труб уменьшается, а работа аппарата улучшается.
Для наблюдения за работой аппарата предназначены смотровые окна, а для установки манометров и термометров – бобышки.
Одной из важнейших проблем, возникающих при использовании выпарных аппаратов, является обеспечение высокой эффективности их работы, позволяющее получить высокую производительность при минимальных энергетических и капитальных затратах.
Это даст возможность достигнуть снижения металлоемкости, уменьшения габаритов и уменьшения объемов производственных помещений, в которых они размещены.
Для достижения указанных эффектовнеобходимо, чтобы выпарные аппараты имели максимально возможные коэффициенты теплопередачи, которые зависят от степени совершенства конструкции аппарата и гидродинамического режима его работы. Повышения экономичности можно добиться также увеличением межпромывочного цикла работы аппарата.
3 Описание конструкции и принципа действия вспомогательного оборудования
3.1 Барометрический конденсатор
Барометрические конденсаторы применяют для конденсации пара и созда-ния вакуума в выпарных, дистилляционных, разделительных и других установках. В данной курсовой работе подобран барометрический конденсатор с диаметром 1600 мм и высотой барометрической трубы 1000 мм, давление вторичных паров в конденсаторе 20 кПа (рисунок 3.1).
Полки размещаются таким образом, что струи с вышележащих полок попадают на нижележащие. Часть воды проходит через отверстия в полках, часть перетекает через боковые поперечные планки полок, образуя на них определенный уровень воды.
Охлаждаемая газопаровая смесь при температуре 620С, поднимаясь снизу вверх, встречает на своем пути большое число струй, а также водяную завесу с температурой 200С. Таким образом, в барометрическом конденсаторе создается большая поверхность контакта охлаждаемой смеси с водой. В результате пары охлаждаются.
Конденсат вместе с охлаждающей водой стекает по барометрической трубе в приемный колодец. Сверху из барометрического конденсатора отсасываются газы вместе с частью водяных паров.
Барометрический конденсатор должен быть установлен на высоте, обеспечивающей непрерывный сток воды через барометрическую трубу в колодец для предотвращения заполнения конденсатора водой.
5 Расчет вспомогательного оборудования
5.1 Расчет барометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарных установках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 градусов С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.
5.1.1 Определение расхода охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды Gв определяем из теплового баланса конденсатора:
где Iбк – энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;
tн – начальная температура охлаждающей воды, градусов С;
tк – конечная температура смеси воды и конденсата, градусов С;
св – теплоемкость воды, Дж/(кг-град).
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора принимают на 3 град ниже температуры конденсации паров.
Заключение
На основе материального расчета рассчитаны материальные потоки в аппарате и определены основные параметры корпуса выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой: поверхность теплообмена F = 63 м2, диаметр греющей камеры D = 800 мм, диаметр сепаратора D1 = 1600 мм, диаметр циркуляционной трубы D2 = 500 мм, длинна труб l = 4000 мм. На основе теплового расчета выбраны подогреватель раствора (диаметр кожуха 325 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 30 м2), барометрический конденсатор с внутренним диаметром 400 мм, рассчитан вакуум-насос ВВН-25, определен расход охлаждающей воды и греющего пара.
1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю. И. Дытнерского. М.: Химия, 1991.- 496 с.
2. Павлов К. Ф., Романков И. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.Учебное пособие для вузов – Л: Химия, 1987 – 576 с.
3. Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и много-компонентных растворов неорганических веществ. М.: Химия,1988. – 5 с.
4. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973. 750 с.
5. Вилькоцкий А.И., Марков В.А., Новосельская Л.В. Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование: учеб. пособие для студентов химико-технологических специальностей. Минск:БГТУ, 2011.
6. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М.: Химия, 1975.-816 с
7. СТП 001-2010. Проекты (работы) дипломные. Требования и порядок подготовки, представление к защите и защита.-М.:БГТУ,2010
8. СТП 002-2007. Проекты (работы) курсовые. Требования и порядок подготовки, представление к защите и защита.-М.:БГТУ,2007
