Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3

Задание на проектирование

«Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3»

Рассчитать и запроектировать по следующим данным:

Производительность по сырью – 10 т/ч

Концентрация раствора: начальная – 10%, конечная – 27%

Число корпусов – 3

Давление греющего пара – 4 ата= 392266Па

Давление в последнем корпусе – 0,2 ата= 19613,3Па

Температура воды на входе в конденсатор - 8℃

Начальная температура раствора – tкип=101,5℃

Коэффициент теплопередачи определить расчетом

Введение

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых 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. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры 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.

Выпаривание может проводится под вакуумом, избыточным давлением и под атмосферным давлением. При выпаривании под вакуумом существуют несколько преимуществ:

Понижение температуры кипения раствора;

Увеличивается движущая сила процесса;

Возможно использования греющего пара более низкого давления;

Недостатки выпаривания под вакуумом:

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

Выпаривание при атмосферном давлении: вторичный выбрасывается в атмосферу, но наименее экономичный способ выпаривания.

При выпаривании под повышенным давлением температура раствора повышается (повышается температура вторичного пара, а его используют для других целей.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м2 в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В данном курсовом проекте для расчетов принята прямоточная трехкорпусная выпарная установка. Конструкция выпарного аппарата: с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. Выбор конструкции обусловлен малой вязкостью выпариваемого раствора, повышенной интенсивностью выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Нитрат натрия (чилийская селитра) применяют как удобрение, в производстве солей Na и нитритов, как компонент закалочных ванн в металлообрабатывающей промышленности, теплоаккумулирующих составов, окислитель в ВВ, в ракетных топливах, пиротехнических составах, в производстве стекла, как компонент жидких солевых хладагентов (селитряной смеси), консервант пищевых продуктов.

1. Аналитический обзор

Выпаривание

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ ( водные растворы щелочей, солей и др.), а 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 целей.)

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

Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.)

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным.

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

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 топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

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).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного грею чего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуотационные 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.

Вторичной пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением 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.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Многокорпусные выпарные установки

В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. Выше было показано, что в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпусной выпарной установке. Как указывалось, принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 1.

Рис. 1. Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка:

1-3 - корпуса установки; 4 — подогреватель исходного раствора; 5 — барометрический конденсатор; 6 — ловушка; 7 — вакуум-насос.

Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.

Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.

Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.

Вторичный пар из последнего корпуса ( в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку - брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор. Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур греющего пара и кипящего раствора.

Вместе с тем, давление вторичного пара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно.

Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением.

Области применения выпарных аппаратов

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.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~8 10-3 Па с, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка ~0.1 Па с, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

2. Технологическая часть

2.1 Технологическая схема

1-емкость исходного раствора; 2, 9-насосы; 3, 4, 5-выпарные аппараты; 6-емкость упаренного раствора; 7-гидрозатвор; 10-барометрический конденсатор

2.2 Выбор конструкционного материала аппарата

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора NaNO3 в интервале изменения концентраций от 10 до 27 %. В этих условиях подходит сталь марки X17 с коэффициентом теплопроводности λст = 25,1 Вт/м˚К. Скорость коррозии ее менее 0,1 мм/год.

2.3 Технологические расчеты

Расчёт выпарного аппарата

Определяем общее количество выпаренной воды из уравнения материального баланса

В первом приближении количество выпаренной воды по кор­пусам принимаем равным, т.е.

3) Конечная концентрация раствора по корпусам

Таблица 1.

Определение температур кипения растворов

Общий предел давлений в установке:

Давления греющих паров в корпусах:

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Гидродинамическая депрессия, обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Примем для каждого корпуса Δґґґ = 1 град. Температуры вторичных паров в корпусах:

˚С

˚С

˚С

Сумма гидродинамических депрессий:

˚С

По температурам вторичных паров определим их давления:

Гидростатическая депрессия. Давление в среднем слое кипящего раствора каждого корпуса:

По ГОСТу [2] аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках имеют высоту кипятильных труб Н=4 м при диаметре труб dН = 38 мм и толщине стенки σСТ = 2 мм.

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет ε=0,4 - 0,6. Примем ε = 0,5. Плотность водных растворов NaNO3 [3] по корпусам при t = 20℃ равна: ρ1=1067кг/м3, ρ2=1143кг/м3, ρ3=1209кг/м3

Давление в среднем слое кипятильных труб:

Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя:

Гидростатическая депрессия по корпусам:

˚С

˚С

˚С

Сумма гидростатических депрессий:

˚С

Температурная депрессия ∆ определяется по уравнению:

Температурная депрессия при атмосферном давлении [3]:

Температурная депрессия по корпусам:

˚С

˚С

˚С

Сумма температурных депрессий равна:

Температуры кипения растворов в корпусах:

˚С

˚С

˚С

Расчет полезной разности температур

Общая полезная разность температур:

Полезные разности температур по корпусам:

˚С

˚С

˚С

˚С

Проверка суммарной полезной разности температур:

℃

Определение тепловых нагрузок

Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:

1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду. При решении этих уравнений можно принять: Iвп1≈Iг2; Iвп2≈Iг3; Iвп3≈Iбк. Теплоемкости растворов: сн=3,91 Дж/(кг·К); с1=3,84 Дж/(кг·К); с2=3,61Дж/(кг·К), св=4,19Дж/(кг∙К)

Решение системы уравнений дает следующие результаты:

D=0,651 кг/с; ω1=0,628 кг/с; ω2=0,567 кг/с; ω3=0,554 кг/с; Q1=1413 кВт;

Q2=1404 кВт; Q3=1337 кВт;

Параметры растворов и паров по корпусам:

Таблица 2

Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим:

Физические свойства кипящих растворов NaNO3 и их паров:

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке:

Расчет α1 ведем методом последовательных приближений. Примем Δt1=0,98℃, A(при р=4атм)=10650Вт/м2

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

Перепад температур на стенке:

℃

℃

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора равен:

Проверим равенство приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Далее рассчитываем коэффициент теплоотдачи для второго корпуса: ∆t1=8,9℃

Коэффициент теплопередачи для третьего корпуса: ∆t1=25,4℃