Расчет выпарного аппарата

Задание по курсовому проектированию № 24.

Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания водного раствора MgSO4. Обеспечить подогрев исходного раствора перед подачей в выпарной аппарат и охлаждение концентрированного раствора после выпарного аппарата.

Исходные данные:

Вид данных	Условное обозначение	Значение	Единица измерения
Расход раствора	Исходный разбавл.	G_нач	-	Кг/с
Концентрированный	G_кон		Кг/с
Содержание раствор. вещества	Начальное	X_нач		% (масс)
Конечное	X_кон		% (масс)
Вакуум давление в баром. Конденс.	-	0.044	МПа
Начальная температура исх. раствора	t_исх		̊C
Начальная температура охл. воды	t_в		̊C

Содержание

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

1 Аналитический обзор……………………………………………………………………...5

2 Цели и задачи проекта……………………………………………………………………...7

3 Основная часть….…………………………………………………………………………..7

4 Инженерные расчеты……………………………………………………………………….9

4.1 Расчет выпарного аппарата………………………………………………………….....9

4.1.1 Метод итераций…………………………………………………..….…………16

4.2 Расчёт холодильника …..…….……………..………………………………………...18

4.3 Расчёт подогревателя исходного раствора…………….…………………………….22

4.4 Расчёт барометрического конденсатора……….……………….……………………24

4.5 Расчет производительности вакуум-насоса……….…………….…….……………..26

5 Выводы по курсовому проекту………………………………………….……..………...28

Список использованных источников………….…...………………………...………………..29

Введение

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов 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.

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 греющей камерой и трубой вскипания. 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.

В таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

Аналитический обзор

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды). Применение вакуума дает возможность проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрировании растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Также дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а так же увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд не связанных с процессом выпаривания. Такой способ выпаривания позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Этот способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Простейшими выпарными аппаратами со свободной циркуляцией раствора являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы под атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом. Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этих аппаратов очень невелики. Значительно большей поверхностью нагрева в единице объема обладают змеевиковые выпарные аппараты. Выпарные аппараты со свободной циркуляцией раствора в настоящее время вытеснены в большинстве производств выпарными аппаратами более совершенных конструкций, в частности вертикальными трубчатыми аппаратами.

В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией раствора выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое применение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

В аппаратах с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

В аппаратах с подвесной нагревательной камерой кольцевой канал имеет большое поперечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное воздействие на циркуляцию раствора. Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной нагревательной камерой (как и в аппаратах с центральной циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка, которых приводит к частым и длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей.

Конструкции аппаратов с выносными циркуляционными трубами несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 м² поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

Аппарат с выносной нагревательной камерой работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи. В этих аппаратах значительно снижается брызгоунос, достигается большая скорость циркуляции раствора, что приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизирующихся растворов умеренной вязкости.

Принципиальное отличие прямоточных аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. В таких аппаратах достигается снижение температурных потерь, обусловленных гидростатической дисперсией.

В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации, вследствие вращающихся частей (ротора).

В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования. Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание протекает при малых полезных разностях температур, не превышающих 3-5 К и при значительных вязкостях растворов.В выпарных аппаратах с тепловым насосом, с помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в нагревательную камеру того же аппарата. В отдельных случаях выпарные аппараты с тепловым насосом могут конкурировать с многокорпусными выпарными установками. В аппаратах с подвесной нагревательной камерой кольцевой канал имеет большое поперечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное воздействие на циркуляцию раствора. Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной нагревательной камерой (как и в аппаратах с центральной).

Цели и задачи проекта

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.).

Основная часть

В однокорпусной выпарной установке, принципиальная схема которой показана на рисунке 1, подвергается выпариванию раствор MgSO4 под вакуумом.

Исходный разбавленный раствор из промежуточной ёмкости Е1 подается в межтрубное пространство холодильника Х, где он нагревается, охлаждая концентрированный раствор. Потом попадает в подогреватель П (где нагревается греющим паром уже до температуры, близкой к температуре кипения), а затем – в трубное пространство греющей камеры выпарного аппарата ВА. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате. Греющая камера обогревается греющим паром, который поступает в ее межтрубное пространство. Конденсат греющего пара из выпарного аппарата выводится с помощью конденсатоотводчика.

Концентрированный раствор из выпарного аппарата подается в трубное пространство холодильника Х. Затем раствор отводится в вакуум-сборники Е2-3, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает в емкость концентрированного раствора Е4.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическим конденсатором БК и вакуум-насосом ВН.

Рисунок 1 - Принципиальная схема однокорпусной выпарной установки

Инженерные расчеты

Расчет выпарного аппарата

Основные уравнения материального баланса:

(1)

(2)

где - массовый расход начального раствора, кг/с;

- массовый расход конечного раствора, кг/с;

- массовая доля растворенного вещества в начальном растворе;

- массовая доля растворенного вещества в конечном растворе;

W – расход вторичного пара, кг/с.

Из формулы (2) получаем:

;

кг/с. (3)

Решая совместно уравнения (1) и (2) получаем:

;

кг/с. (4)

Абсолютное давление в барометрическом конденсаторе:

P1=Pабс=Ратм - Рвак =101325-44000=57000=0.057МПа

(5)

По заданному значению давления по таблице свойств насыщенного пара из [2] находим температуру в сепараторе выпарной установки:

Запишем формулу интерполяции:

(6)

∆t_г.

Принимаем .

По формуле (7) рассчитаем

⁰C

Где -– температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе

∆t_г.с - гидравлическая депрессия, или изменение температуры вторичного пара на участке сепаратор - барометрический конденсатор, вызванное падением давления пара из-за гидравлического сопротивления паропровода вторичного пара ∆p_г.с

По найденной температуре по паровой таблице из [2] с помощью интерполяции находим давление в барометрическом конденсаторе :

Конечная температура при которой конечный раствор выводится из аппарата определяется по формуле 5 приложения А при P=P₁=57284 Паи x=x_кон=0,14

; (8)

Оптимальную высоту уровня в кипятильных трубах определяем по [2]:

(9)

где - плотности раствора ;

- плотности воды, ;

- рабочая высота труб, принимаем .

Плотность воды можно рассчитать по приложению А при :

; (10)

Плотность раствора определяем по приложению А при и x=x_кон=0,14:

; (11)

Подставляя найденные значения и в формулу (9) получаем:

Гидростатическое давление в середине высоты труб при определяем по формуле:

; (12)

Подставляя в формулу (8) давление и , находим температуру кипения раствора на середине кипятильных труб:

Найдем температуру греющего пара по формуле:

(13)

где - полезная разность температур

Принимаем = 25 К.

Рассчитаем t_гр.п:

⁰C

По найденной температуре находим давление греющего пара P_гр.п по таблице свойств насыщенного пара из [2]

Тепловая нагрузка выпарного аппарата равна:

где – расход теплоты на нагревание раствора, Вт;

– расход теплоты на испарение влаги, Вт;

– расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду (3-5% от суммы ).

где –удельная теплоемкость разбавленного раствора, определяется при . Ее найдем по формуле

где

–удельная теплоемкость воды, находится по формуле:

Тогда:

где – расход вторичного пара, кг/с;

– удельная теплота парообразования, Дж/кг. Ее определяем по температуре по паровой таблице из [2] путем интерполяции по формуле (6):

Таким образом находим энтальпию вторичного пара по таблице свойств насыщенного пара из [2]:

Вт

Теперь по формуле (14) определим тепловую нагрузку выпарного аппарата Q:

Расход греющего пара в выпарном аппарате определяем по уравнению:

(19)

где - удельная теплота конденсации греющего пара, определяем при температуре по таблице свойств насыщенного пара из [2]

Теперь по формуле (11) определим :

Удельный расход греющего пара:

(20)

Запишем уравнение теплопередачи:

, (21)

где K – коэффициент теплопередачи, ;

F – поверхность теплообмена, ;

-средняя движущая сила процесса теплопередачи, ⁰С.

Коэффициент теплопередачи К определяется по формуле:

, (22)

где , - коэффициенты теплоотдачи, ;

- суммарное сопротивление стенки, .

Найдем по формуле:

, (23)

где , - термические сопротивления загрязнений, ;

- толщина стенки, 2·10^-3м;

- коэффициент теплопроводности стали, 46,5 .

Значения , определяем из [2]:

Теперь по формуле (23) найдем суммарное термическое сопротивление стенки:

Коэффициенты теплоотдачи , определяются по формулам:

(24)

(25)

Определим величины, входящие в эти уравнения:

Величину функции A_t находим из [2] при температуре t_гр.п =116.05⁰С путем интерполяции:

Безразмерная величина b определяется по формуле:

(26)

где - плотность раствора;

- плотность пара;

определяем по формулам (5) и (6) при t= t_кип=88.35⁰С и x=x_кон=0,14:

определяем по таблице свойств насыщенного пара из [2] путем интерполяции при t_кип= :

Теперь определим по формуле (26) безразмерную величину b:

Для кипящего раствора MgSO4 коэффициент теплопроводности мы рассчитываем по формуле 4 приложения А при t= t_кип= 91.05⁰С и x=x_кон=0,14:

(27)

- коэффициент теплопроводности воды, .

(28)

Тогда по формуле (27) получаем:

Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле 2а приложения А:

(29)

- вязкость воды, . Находим по формуле 2б приложения А:

(30)

При температуре t= t_кип= и x=x_кон=0.14 получаем:

Ранее мы определили плотность раствора при t=t_кип=91.05⁰С и x=x_кон=0.14:

Кинематическая вязкость ν находится по формуле:

(31)

Где - динамический коэффициент вязкости,

Найдем кинематическую вязкость ν по формуле (31):

Поверхностное натяжение σ берем из [2] путем интерполяции при t_кип=88.35:

Метод итераций

Примем температуру стенки со стороны пара Тогда

Находим по формуле (24):

Удельный тепловой поток от пара к стенке равен:

Находим температуру стенки со стороны раствора

Находим поформуле (25), где

Температуру кипения переведем в систему СИ:

Удельный тепловой поток от стенки к раствору

Найдем погрешность

Погрешность в пределах нормы.

По полученным данным найдем коэффициент теплопередачи по формуле (22):

Поверхность теплообмена выразим из уравнения теплопередачи (21):

С учетом запаса в получим .

По полученной поверхности теплообмена по [1] выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой.

Таблица 2. Основные размеры выпарного аппарата.

, м²	, мм	, мм не менее	, мм не более	, мм не более	, мм не более	, кг не более

–диаметр греющей камеры

–диаметр сепаратора

–диаметр циркуляционной трубы

–высота аппарата

–масса аппарата

–длина трубы

–номинальная поверхность теплообмена

Расчет холодильника.

Рисунок 2 - Температурная схема движения теплоносителей в холодильнике

(дана в задании)

(нашли в 3.2.2)

(задаем сами)

Конечную температуру разбавленного раствора определим из условий теплового баланса:

где расходы разбавленного и концентрированного раствором соответственно, кг/с

начальные теплоемкости растворов,

Теплоемкость раствора будем искать по формуле (16):разбавленного – при , концентрированного –при

Тогда конечная температура разбавленного раствора

Теперь можем найти среднюю разность температур:

где – большая и меньшая разности температур, .

;

Определим средние температуры теплоносителей. Так как разность температур на входе и на выходе для разбавленного раствора меньше, то его среднюю температуру найдем как среднее арифметическое начальной и конечной температур:

Температуру концентрированного найдем в виде суммы температуры разбавленного и :

Теперь рассчитаем теплоту, выделяемую раствором при охлаждении:

Для этого заново найдем теплоемкость концентрированного раствора (формула (16)) при

Принимаем по [2] ориентировочный коэффициент теплопередачи . Рассчитываем ориентировочную поверхность по формуле (38):

С учетом запаса в 20% площадь теплообмена составит

Запишем критерий Рейнольдса для трубного пространства:

где –средняя скорость потока, м/с;

–эквивалентный диаметр, м;

–плотность раствора, кг/м³;

–динамический коэффициент вязкости, .

По заданию режим течения теплоносителей должен быть турбулентный, т.е.

. Пусть .

Найдем плотность и вязкость концентрированного раствора при по формулам (12) и (29) соответственно:

Таблица 3. Основные параметры выбранного теплообменника «труба в трубе» (холодильник).

Диаметр трубы, мм	Площадь проходного сечения,	Поверхность теплообмена, м²	Длина труб, м
теплообменной	кожуховой	внутри теплообменной трубы	в кольцевом пространстве