Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Выпаривание - процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Этот процесс подучил широкое распространение в химической промышленности, в связи с тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, 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.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых очень разнообразны, что значительно усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

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

- сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

- выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

- выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

- выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

- пленочные выпарные: аппараты.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.

Раствор, находящийся в кипятильных трубках закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

Существует несколько типов аппаратов с естественной циркуляцией: с центральной; циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т.д.

Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение из-за простоты конструкции и легкости очистки и ремонта. В тоже время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

1. Выбор конструкции аппарата

Так как при упаривании раствора (NH4)2SO4 возможно выделение незначительного осадка, удаляемого механическим путем, то выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой - тип 1 исполнение 2 ГОСТ 11987 - 81 [3 c. 182].

Рис. 1. Схема аппарата (тип 1, исполнение 2): 1-греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба.

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор (NH₄)₂SO₄ при температуре кипения является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильноагрессивных средах до температуры 600С.

3. Технологическая схема

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Технологическая схема двухкорпусной выпарной установки

Исходный раствор центробежным насосом Н подается в кожухотрубный теплообменник Т, где нагревается до температуры кипения и поступает в первый корпус выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой АВ1. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в линию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упаренный раствор из 1-го корпуса поступает во второй корпус АВ2 выпарного аппарата. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар из первого корпуса подается во второй в качестве греющего пара, а вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор КБ, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.

4. Материальный расчет

Производительность установки по выпариваемой воде:

W = Gн(1 - хн/хк) = 2,78 (1 -18/39,1) = 1,5 кг/с,

где Gн = 10000/3600 = 2,78 кг/с - массовый расход исходного раствора.

Производительность установки по упаренному раствору:

Gк = Gн - W = 2,78 - 1,5 = 1,28 кг/с.

Распределение количества выпариваемой воды по корпусам

Принимаем, что w1:w2 = 1: 1,1, тогда

w1 = 1W/(1+1,1) = 11,5/2,1 = 0,714 кг/с.

w2 = 1,1W/(1+1,1) = 1,11,5/2,1 = 0,786 кг/с.

Концентрация раствора по корпусам

x1 = Gнхн/(Gн - w1) = 2,780,18/(2,78 - 0,714) = 0,242 = 24,2%.

x2 = Gнхн/(Gн - w1 - w2) = 2,7870,18/(2,78 - 0,714 - 0,786) = 0,391 = 39,1%.

Концентрация раствора в последнем корпусе х2 соответствует заданной концентрации упаренного раствора хк.

5. Температура кипения раствора

Перепад давлений

Общий перепад давлений в установке:

Роб = Рг1 - Рвп2 = 0,3 - 0,08 = 0,22 МПа

Принимаем, что перепад давлений между корпусами распределен как 1:1, тогда

Рг1 = 0,3 МПа tг1 = 132,9 С,

Рг2 = 0,3 - 0,221/2 = 0,19 МПа tг2 = 118 С,

Рбк2 = 0,08 МПа tбк = 93 С,

Гидродинамическая депрессия

Принимаем гидростатическую депрессию , = 1С, тогда температура и давление вторичного пара:

tвп1 = tгп2 + , = 118 + 1 = 119 С Рвп1 = 0,195 МПа,

tвп2 = tбк2 +, = 93+1 = 94 С Рвп1 = 0,081 МПа,

Гидростатическая депрессия

Оптимальная высота раствора в трубках:

hопт = Н [0,26+0,0014 ( - в)];

где Н = 4 м - высота кипятильных трубок;

₁ = 1138 кг/м3 - плотность раствора [2 c. 539];

₂ = 1228 кг/м3;

hопт1 = 4 [0,26+0,0014 (1138-1000)] = 1,8 м.

hопт2 = 4 [0,26+0,0014 (1228-1000)] = 2,31 м.

Давление в среднем слое раствора:

Рср= Рвп + 0,5hоптg

Рср1= 0,195106 + 0,51,811389,8 = 0,205 МПа,

Рср2= 0,081106 + 0,52,3112289,8 = 0,095 МПа,

Этим давлениям соответствуют следующие температуры и теплоты испарения [1 c. 550]:

Pcp1 = 0,205 МПа tcp1 = 122 C, rвп1 = 2208 кДж/кг,

Pcp2 = 0,095 МПа tcp2 = 97,6 C, rвп2 = 2267 кДж/кг.

Гидростатическая депрессия:

= tcp1 - tвп1 = 122 - 119 = 3 С.

= tcp2 - tвп2 = 97,6 - 94 = 3,6С.

= 3+3,6 =6,6С.

Температурная депрессия

где - температурная депрессия при атмосферном давлении,

= 2 С, =7 С [1 c. 535],

= 16,2 (273+122)22/2208000 = 2,3 C.

= 16,2 (273+ 97,6)27/2267000 =6,9 C.

= 2,3+6,9 = 9,2 С.

Температура кипения растворов

tк1 = tг2+ ++= 118+1+3+21,3=124,3 C

tк2 = tвп2++ = 94+3,6+6,9=104,5 C.

Полезная разность температур

tп1 = tгп1 - tк1 = 132,9 - 124,3 = 8,6 С,

tп2 = tгп2 - tк2 = 118 - 104,5 = 13,5 С,

tп = tп1 + tп2 = 8,6+13,5 = 22,1 С.

Проверяем полезную разность температур

tп = tг1 - tбк - (+ +) =

132,9 - 93 - (9,2+6,6+2) = 22,1 С.

6. Тепловые нагрузки корпусов

Для упрощения приближенного расчета составляем тепловые балансы без учета тепловых потерь и принимаем, что из каждого корпуса в последующий раствор поступает при средней температуре кипения.

По условию раствор попадает на выпарку подогретым до температуры кипения в 1 корпусе.

Тогда расход теплоты в 1 корпусе:

Q1 =W1 r1 = 0,714 2171 = 1577 кВт

Q2 =W2 r2 = 0,786 2270 = 1784 кВт

7. Поверхность теплообмена

Тепловое сопротивление стенки. Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим: ст=46,5 Вт/мК - теплопроводность стали [1 c. 529]; (/) = 0,002/46,5 + 0,0005/2= 3,110 -4 мК / Вт.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (первый корпус)

где 1 = 0,21010-3 Пас - вязкость конденсата [1 c. 537];

₁ = 0,686 Вт/мК - теплопроводность конденсата;

₁ = 935 кг/м3 - плотность конденсата;

t1 - разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем t1 = 1 C;

₁ = 2,04 (0,686393522171000/0,21010-314)0,25 =10614 Вт/м2К.

Для установившегося процесса теплопередачи справедливо уравнение для удельного теплового потока:

, тогда

tст = =1061413,110-4 = 3,3 С,

t2 = tп - t1 - tст = 8,6 - 3,3 - 1 = 4,3 С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору

₂ = Aq0,6

,

Теплофизические свойства кипящих растворов (NH4)2SO4

Параметр	Корпус
	1	2
Теплопроводность , Вт/(мК) Плотность , кг/м3 Теплоемкость С, Дж/(кгК) Вязкость , мПас Поверхностное натяжение , Н/м Теплота парообразования r, кДж/кг Плотность пара п, кг/м3	0,610 1138 3680 0,52 0,082 2171 1,618	0,620 1228 3600 1,18 0,095 2208 0,470

A=7800,6101,311380,51,6180,06/[0,0820,521710000,60,5790,6636800,3(0,5210-3)0,3] = 9,3

₂ = A(1t1)0,6 = 9,3 (106141)0,6 = 2421 Вт/м2К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q1 = 1t1 =106141 = 10614 Вт/м2,

q2 = 2t2 = 24214,3 = 10410 Вт/м2.

Условие q1 q2 выполняется.

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса

К1 = 1/(1/10614+ 3,110-4 + 1/2421) = 1224 Вт/м2К.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (второй корпус)

Принимаем предварительно t1 = 2 С.

₁=2,04 (0,688395322208000/0,20610-324)0,25=8626 Вт/м2К.

tст = 1t1(cт/ст) = 862623,110-4 = 5,3 С,

t2 = tп - t1 - tст = 13,5 - 5,3 - 2 = 6,2 С.

Коэффициент теплопередачи от стенки к раствору

A = 7800,6201,312280,50,4700,06/

[0,0950,522080000,60,5790,6636000,3(1,1810-3)0,3] = 7,6

₂ = A(1t1)0,6 = 7,6 (86262)0,6 = 2891 Вт/м2К.

Проверяем равенство удельных тепловых потоков:

q1 = 1t1 = 86262 = 17252 Вт/м2,

q2 = 2t2 = 28916,2 =17924 Вт/м2.

Условие q1 q2 выполняется.

Коэффициент теплопередачи для второго корпуса

К2 = 1/(1/8626 + 3,110-4 + 1/2891) = 1288 Вт/м2К.

Распределение полезной разности температур

Принимаем, что разность температур распределяется по условию равенства поверхности теплообмена корпусов, тогда

tп = tп(Q1/K1)/[(Q1/K1) + (Q2/K2)]

tп1 = 22,1 (1577/1224)/[(1577/1224) + (1784/1288)] = 10,7 С

tп2 = 22,1 (1784/1288)/[(1577/1224) + (1784/1288)] = 11,5 С

Требуемая поверхность теплообмена

F1= Q1/K1tп1 = 1577103/122410,7 = 120 м2.

F2 = 1784103/128811,5 = 120 м2.

Выбираем по ГОСТ 11987-81 аппарат с ближайшей большей поверхностью теплообмена F = 125 м2 [3 c. 183]:

диаметр греющей камеры, не более -1000 мм;

диаметр сепаратора, не более - 2200 мм;

диаметр циркуляционной трубы, не более 700 мм;

высота аппарата, не более 13500 мм;

масса аппарата, не более 11500 кг.

8. Механический расчет

Число нагревательных трубок диаметром 382, высотой 4 м:

n = F/dcpL

где dcp = 0,036 м - средний диаметр трубки.

n = 160/0,0364,0 = 354 шт. Площадь суммарного сечения всех кипятильных трубок:

fтр = 0,785ndвн2 = 0,7853540,0342 = 0,32 м2.

Площадь сечения циркуляционной трубы:

fц = 0,3fтр = 0,30,32 = 0,096 м2.

Диаметр циркуляционной трубы:

dц = (fц/0,785)0,5 = (0,096/0,785)0,5 = 0,350 м.

Принимаем dц = 400 мм.

Диаметр греющей камеры:

,

где = 1,25 - коэффициент шага трубок;

= 60 - при размещении труб по вершинам правильных треугольников;

= 0,8 - коэффициент использования трубной решетки;

dн = 0,038 м - наружный диаметр трубок;

А - площадь, занимаемая циркуляционной трубой.

A = (dц+2dн)2 = (0,40+21,250,036)2 = 0,24 м2

D = (0,41,252sin601600,038/0,84 + 0,24)0,5 = 0,87 м.

Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 1000 мм.

Толщина обечайки:

= DP/2 +Cк

где D = 1,0 м - диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,3 МПа - давление греющего пара;

= 138 МН/м2 - допускаемое напряжение для стали;

= 0,8 - коэффициент ослабления из-за сварного шва;

Cк = 0,001 м - поправка на коррозию.

= 1,00,3/21380,8 + 0,001 = 0,003 м.

Принимаем толщину обечайки = 8 мм.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533-78, толщина стенки днища 1 = = 8 мм.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26-428-79.

Максимальная масса аппарата:

Gmax = Ga + Gв,

где Ga = 11500 кг - масса аппарата,

Gв - масса воды заполняющей аппарат.

Gв = 10000,785D2H = 10000,7851213,5 =12598 кг,

где Н = 13,5 м - высота аппарата.

Gmax = 11500 +12598 =24098 кг = 0,22 МН.

Принимаем, что аппарат установлен на 4 опорах, тогда нагрузка, приходящаяся на одну опору:

Gоп = 0,22/4 = 0,055 МН.

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,063 МН, конструкция которой приводятся на рисунке:

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G - массовый расход теплоносителя,

- плотность теплоносителя,

w - скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для пара w = 20 м/с, тогда диаметр штуцера для входа греющего пара

d1 = (1,28/0,785201,39)0,5 = 0,242 м,

принимаем d1 = 250 мм.

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d1 = (1,28/0,7851935)0,5 = 0,041 м,

принимаем d1 = 500 мм.

диаметр штуцера для входа раствора:

d1 = (2,78/0,78511095)0,5 = 0,056 м,

принимаем d1 = 65 мм.

диаметр штуцера для выхода раствора:

d1 = (1,28/0,78511138)0,5 = 0,038 м,

принимаем d1 = 40 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80.

dусл	D	D2	D1	h	n	d
40	130	100	46	14	4	13
65	160	130	78	14	4	13
250	370	335	273	20	12	18

9. Определение толщины тепловой изоляции

Расчет тепловой изоляции. В качестве материала тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности и = 0,09 Вт/мК. Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст.в.=40С; температуру окружающей среды tв = 18С, тогда толщина слоя изоляции:

,

где в- коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду:

_в = 9,3+0,058 tст.в. = 9,3+0,05840 = 11,6 Вт/м2К.

_и = 0,09 (127,4-40)/11,6 (40-18) = 0,031 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 40 мм.

Список литературы

выпаривание аппарат тепловой конструкция

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.:Химия, 1987, 576 с.

2. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры - Л. «Машиностроение», 1975.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.

Размещено на Allbest.ru