Типовые конструкции выпарных аппаратов

Содержание.

Содержание……………………………………………………………………………………………………………..…2

Задание на проектирование…………………………………………………………………………………..…3

Введение………………………………………………………………………………………………………………….…4

1. Аналитический обзор………………………………………………………………......................6

1.1 Типовые конструкции выпарных аппаратов………………………………………………..……6

1.1.1 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией……………………………..…7

1.1.2 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией……………………….….8

1.1.3 Пленочные выпарные аппараты………………………………………………………….….8

1.2 Патентный обзор…………………………………………………………………………………………………9

1.2.1 Вертикальный выпарной аппарат……………………………………………………………9

1.2.2 Выпарная установка………………………………………………………………………………...9

1.2.3 Способ выпаривания алюминатных растворов и установка

для его осуществления……………………………………………………………………………10

1.3 Выбор конструкции выпарных аппаратов……………………………………………………….10

1.4 Области применения выпарных аппаратов…………………………………………………….10

2. Технологическая часть…………………………………………………………………………………12

3. Технологические расчеты……………………………………………………………………………14

3.1 Материальный баланс выпаривания………………………………………………………………14

3.2 Определение температур и давлений в узловых точках

технологической схемы……………………………………………………………………………………..15

3.3 Тепловой баланс выпарного аппарата……………………………………………………………..18

3.3.1 Расход теплоты на выпаривание……………………………………………………………….18

3.3.2 Определение расхода греющего пара………………………………………………………19

3.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата…………………………………………………20

3.5 Расчет подогревателя начального раствора…………………………………………………….21

3.5.1 Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для

подогрева раствора нитрата аммония перед подачей в выпарной аппарат….21

3.5.2 Подробный расчет теплообменного аппарата в турбулентном режиме..24

3.5.2.1 Теплоотдача в трубах……………………………………………………………………….24

3.5.2.2 Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара……………25

3.5.2.3 Расчет коэффициента теплопередачи и выбор аппарата………………26

3.5.3 Подробный расчет теплообменного аппарата в ламинарном режиме…33

3.5.3.1 Теплоотдача в трубах……………………………………………………………………….33

3.5.3.2 Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара……………34

3.5.3.3 Расчет коэффициента теплопередачи и выбор аппарата.……………..35

3.6 Расчет барометрического конденсатора…………………………………………………………..41

3.7 Расчет вакуум-насоса…………………………………………………………………………………………43

3.8 Расчет холодильника упаренного раствора……………………………………………………..44

3.9 Определение расходов греющего пара и воды на всю установку………………….46

Выводы по проекту……………………………………………………………………………………………………..47

Приложения………………………………………………………………………………………………………………..48

Список использованной литературы…………………………………………………………………………61

 

Задание по курсовому проектированию № 9В.

Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания водного раствора NH₄NO₃. Аппарат с кипением в трубах и естественной циркуляцией раствора.

Сделать подробный тепловой расчет и вычертить подогреватель начального раствора.

Основные данные:

1. Производительность по концентрированному раствору G_к = 6 т/ч

2. Содержание растворенного вещества:

начальное х_н = 5% (масс)

конечное х_к = 15% (масс)

3. Вакуум в конденсаторе 250 мм.рт.ст.

4. Температура раствора:

начальная t_н = 30°С

конечная t_к = 15°С

5. Давление греющего пара Р_абс = 2 ат

6. Температура охлаждающей воды t_в = 10°С

 

 

Введение.

Выпаривание – это процесс повышения концентрации растворов нелетучих веществ путем испарения части растворителя. В химической промышленности выпариванию подвергаются растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара. Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при температуре кипения. Движущей силой является разность температур горячего теплоносителя и температурой кипения раствора.

Процесс может осуществляться под избыточным, атмосферным давлением и вакуумом. Если процесс осуществляется под избыточным давлением, то вторичный пар (пар, образующийся в результате кипения раствора) используется для обогрева других аппаратов или каких-либо технологических нужд. Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ, кроме того необходимо использовать греющие агенты с более высокой температурой. Если процесс ведется под атмосферным давлением, то вторичный пар сбрасывается в атмосферу как низкотемпературный продукт, но это наименее экономичный способ выпаривания. При выпаривании под вакуумом, вторичный пар идет в барометрический конденсатор. Также существуют у этого метода свои плюсы:

· Понижение температуры кипения раствора;

· Увеличивается движущая сила процесса;

· Возможно использование греющего пара более низкого давления.

Недостатки выпаривания под вакуумом:

· Вакуумная выпарная установка должна содержать дополнительное оборудование: барометрический конденсатор, вакуум-насос, вакуумсборники.

В качестве теплоносителя используется топочный газ, электрообогрев, высокотемпературные теплоносители, но чаще всего насыщенный водяной пар (называемый так же греющим или первичным), характеризующийся высокой удельной теплой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи. Первичным паром служит либо пар, полученный из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин. Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочным газом или другим газообразном теплоносителем.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу действия 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 данном курсовом проекте используется выпарная установка непрерывно действующая с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева, работающая под вакуумом. Для создания вакуума в выпарной установке обычно применяются конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которую подают чаще всего при температуре охлаждающей среды (около 20°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.

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 относится и аппарат роторного типа.

В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. В этом аппарате циркуляция раствора осуществляется за счет различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз. Высота парового пространства должна обеспечивать сепарацию из пара капелек жидкости, вырабатываемых из кипятильных труб. Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру. В таких аппаратах облегчается очистка поверхности отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры. Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом в выносной циркуляционной трубе больше, чем в циркуляционной трубе, размещенных в греющих камерах, что обеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности нагрева.

 

Аналитический обзор.

 

Современные выпарные аппараты иногда используют для опреснения морской воды, которую используют для питьевых или технических целей. В химической промышленности на малых производствах, а также при выпаривании растворов до высоких концентраций используют выпарные аппараты периодического действия. Нагревательные камеры таких аппаратов могут быть непосредственно соосно соединены с сепараторами в единое устройство. Возможно и устройство, состоящее из двух самостоятельных элементов: нагревательной камеры и сепаратора. Средний коэффициент теплопередачи здесь может быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате. Современные выпарные установки имеют очень большие поверхности нагрева (иногда превышающие 2000 м² в каждом корпусе) и являются крупными потребителями тепла.

Рассмотрим устройство выпарного аппарата на примере непрерывного действующего аппарата с внутренней циркуляционной трубой (Приложение 2).

Аппарат представляет собой теплообменное устройство: нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате или камера может быть выносной и соединена с сепаратором трубами. Камера обогревается как правило водяным насыщенным паром, который поступает в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры. Выпариваемый раствор поднимается по трубам 3, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. В сепараторе 2 происходит отделение пара от жидкости. Освобожденный от капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора. Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе 4 под нижнюю трубную решетку греющей камеры. Вследствие разностей плотностей раствора в трубе 4 и парожидкостной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный (сконцентрированный) раствор удаляется через штуцер в днище аппарата. Если выпаривание производиться под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом.

Типовые конструкции выпарных аппаратов

Выпарные аппараты классифицируются по различным признакам. Наиболее существенной является классификация по принципу организации циркуляции кипящего раствора в аппарате. Различают выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора, пленочные и барботажные аппараты. Хорошая циркуляция раствора в аппарате способствует интенсификации теплообмена, в первую очередь со стороны кипящей жидкости. Как известно, увеличение скорости движения жидкости приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя, снижению его термического сопротивления и повышению коэффициента теплоотдачи. Кроме того, циркуляция раствора предотвращает быстрое отложение на стенках кипятильных труб твердой фазы (накипи). Появляется возможность осуществлять выпаривание кристаллизующихся и высоковязких растворов.

По мимо тех аппаратов, что будут представлены далее существуют еще некоторые типы конструкций:

· Змеевиковые выпарные аппараты (приложение 3). Обладает большой поверхностью нагрева в единице объема, компактны, неплохая интенсивность теплопередачи, очистка и ремонт змеевиков затруднены, выпаривание небольших количеств химически агрессивных веществ, со свободной циркуляцией раствора;

· Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией (приложение 4). Многократная естественная циркуляция, улучшенная теплоотдача к раствору, уменьшение скорости накипи на поверхности труб, компактный, удобны для ремонта и осмотра;

· Выпарной аппарат с подвесной нагревательной камерой (приложение 5). Интенсивность циркуляции недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и кристаллизующихся растворов, частые остановки работы аппарата для очистки, большое поперечное сечение циркуляционного канала благоприятно влияет на циркуляцию раствора;

· Выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения (приложения 6 и 7). Большая стоимость эксплуатации, уменьшенное отложение накипи за счет не соприкосновения кипящего раствора с поверхностью теплообмена, используются для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости;

· Роторные прямоточные аппараты (приложение 8). Выпаривание нестойких к повышенным температурам вязких пастообразных растворов, интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром, высокая стоимость эксплуатации;

· Выпарные аппараты с тепловым насосом. Используются когда невозможно многокорпусное выпаривание