Процессы и аппараты химической технологии

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(Технический университет)

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Учебная дисциплина:

Процессы и аппараты химической технологии

Курсовая работа на тему:

«Проектирование выпарной установки для концентрированного водного раствора хлорида аммония, производительностью 22 кг/с по концентрированному раствору».

IV Курс, III Группа: 491

Студент: Янин Я.А.

Руководитель: Марков А.В.

Оценка за курсовой проект

Санкт-Петербург-2002 г.

Задание по курсовому проектированию № В9

Студент Янин Я.А.

Группа 491

Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания раствора хлорида аммония.

Основные исходные данные

Аппарат с кипением в трубах и естественной циркуляцией раствора.

Производительность по концентрированному раствору 2,2 кг/с

Содержание растворенного вещества

Начальное 12% масс.

Конечное 25% масс.

Начальная температура раствора 23

Температура охлаждающей воды 18

Избыточное давление греющего пара 3

Выполнить

Технологический расчет установки.

Полный расчет тепловой установки.

Приближенный расчет остальных аппаратов.

Содержание

Введение

1 Аналитический обзор

2 Технологическая часть

3 Инженерные расчеты

3.1 Материальный баланс процесса выпаривания

3.2 Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы

3.2.1 Определение температуры конденсации и давления вторичного пара в барометрическом конденсаторе

3.2.2 Определение температур и давлений в выпарном аппарате

3.3 Тепловой баланс выпарного аппарата

3.3.1 Расход теплоты на выпаривание

3.3.2 Определение расхода греющего пара

3.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата

3.5 Полный тепловой расчет подогревателя начального раствора

3.5.1 Ориентировочный расчет теплообменного аппарата для подогрева раствора перед подачей в выпарной аппарат

3.5.2 Подробный расчет теплообменного аппарата

3.5.2.1 Теплоотдача в трубах

3.5.2.2 Теплоотдача при пленочной конденсации водяного пара

3.5.2.3 Расчет коэффициента теплопередачи

3.5.3 Выбор типа аппарата

3.6 Расчет барометрического конденсатора

3.7 Расчет производительности вакуум – насоса

3.8 Приближенный расчет холодильника

3.9 Определение расходов греющего пара и воды на всю установку

Выводы по проекту

Литература

Введение

В данной работе стоит задача спроектировать установку для выпаривания раствора хлорида аммония.

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

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма 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 воду используют для питьевых или технических целях.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температурах кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

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

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.

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.

1 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 много кратной 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 поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

Аппарат в 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 применятся 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.

2 Технологическая часть

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор хлорида аммония под вакуумом.

Исходный раствор хлорида кальция с начальной концентрацией масс. долей из емкости Е1 подается центробежным насосом Н2 в теплообменник АТ1, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения , а затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата 4. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. Выпариваемый раствор, двигаясь в греющей камере по трубе вскипания, нагревается и кипит при средней температуре с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений. В выпарном аппарате давление и температура . В барометрическом конденсаторе вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Давление в барометрическом конденсаторе . Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком при гидрометрической трубе с гидрозатвором.

Концентрированный раствор карбоната калия с концентрацией %масс. после выпарного аппарата подается в двухходовой холодильник AT3, где охлаждается до температуры . Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор с помощью центробежного насоса Н2 подается в емкость упаренного раствора.

3 Инженерные расчеты

3.1 Материальный баланс процесса выпаривания

Основные уравнения материального баланса:

(3.1)

(3.2)

где , - соответственно массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

, - соответственно массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с.

Из формулы 3.2 получаем:

;

кг/с.

Решая совместно уравнения 3.1 и 3.2 получаем:

;

кг/с.

Материальный баланс выпаривания

Таблица 3.1

3.2 Определение температур и давлений в узловых

точках технологической схемы

3.2.1 Определение температуры конденсации и давления вторичного пара в барометрическом конденсаторе

Температуру конденсации вторичного пара в барометрическом конденсаторе мы определяем по формуле:

(3.3)

где - температура конденсации греющего пара, ;

- полезная разность температур, К.

Принимаем = 40 К.

- температурная депрессия, К;

- гидростатическая депрессия, К.

Принимаем = 5 К.

- гидравлическая депрессия, К.

Принимаем = 1 К.

Давление греющего пара:

где - атмосферное давление,

- избыточное давление греющего пара.

По, находим по (/1/, табл. LVII,стр. 549) температуру греющего пара :

.

полагаем равной при и . По (/1/, рис. XIX, стр. 568), находим :

.

Подставляя, найденные значения и в уравнение для получаем:

.

По (/1/, табл. LVI, стр. 548) находим, что при . По (/1/, табл. LVII, стр. 549) находим температуру в барометрическом конденсаторе при давлении :

.

3.2.2 Определение температур и давлений в выпарном аппарате

Температура в сепараторе :

;

.

По [1, табл. LVI] находим давление вторичного пара в сепараторе при температуре :

.

Температура кипения раствора в сепараторе выпарного аппарата, при которой конечный раствор выводится из аппарата определяется по формуле: См. приложение.

; (3.4)

где , , - давление, Па.

.

Уточненное значение температурной депрессии определяем по формуле:

;

.

Оптимальная высота уровня по водомерному стеклу определяем по формуле:

(3.5)

где и - соответственно плотности раствора конечной концентрации и воды при средней температуре кипения , . Так как не известно, то принимаем .- рабочая высота труб, принимаем Плотность воды можно рассчитываем по формуле:

(3.6)