Курсовая работа: Расчет и проектирование выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора CuSO4

Курсовая работа: Расчет и проектирование выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора CuSO4

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Белорусский государственный технологический университет

Кафедра процессов и аппаратов химических производств

Расчётно-пояснительная записка к курсовой работе

по курсу “Процессы и аппараты химической технологии”

на тему “Расчет и проектирование выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора CuSO4”

Выполнил: студент 4 курса

2 группы ф-та ХТиТ

Колтунов А.П.

Руководитель:

Кузьмин В.В.

Минск 2005

РЕФЕРАТ

Курсовая работа содержит пояснительную записку и 2 листа формата А1 графического материала. Пояснительная записка содержит 41 страницу, 5 таблиц, 7 рисунков.

ВЫПАРИВАНИЕ, ВЫПАРНОЙ АППАРАТ, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, ТЕПЛООБМЕННИК, БАРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР, ВАКУУМ – НАСОС, КОНЦЕНТРАЦИЯ, РАСТВОР.

Целью курсового проекта является разработать проектно-конструкторскую документацию на выпарную установку непрерывного действия. В данном курсовом проекте разработана установка для выпаривания водного раствора CuSO4. Представлен полный расчет выпарного аппарата, подробно рассчитан теплообменник для подогрева исходного раствора, барометрический конденсатор, вакуум-насос.

ВВЕДЕНИЕ

Выпаривание – процесс концентрирования растворов нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Процесс выпаривания относится к числу широко распространенных. Последнее объясняется 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 (для сокращения объемов тары и транспортных расходов) они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространенных технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. На выпаривание растворов расходуется огромное количество тепла, а на создание выпарных установок – большое количество углеродистых и легированных сталей, никеля и других металлов. Поэтому в каждом конкретном случае необходима рациональная организация процесса выпаривания, что позволяет обеспечить максимальную производительность выпарной установки при минимальных затратах тепла и металла.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Теоретические основы процесса выпаривания

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении.

Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Выпаривание ведется таким образом, чтобы при заданной производительности получить сгущенный раствор требуемой концентрации надлежащего качества без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе топлива.

Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространенных технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. Это объясняется тем, что многие вещества, например гидроксид натрия, гидроксид калия, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт (для сокращения объемов тары и транспортных расходов) они должны поступать в виде концентрированных продуктов. На выпаривание растворов расходуется огромное количество тепла, а на создание выпарных установок – большое количество углеродистых и легированных сталей, никеля и других металлов. Поэтому в каждом конкретном случае необходима рациональная организация процесса выпаривания, что позволяет обеспечить максимальную производительность выпарной установки при минимальных затратах тепла и металла.

Особенностью процесса выпаривания является то, что в парах кипящих растворов нормально содержатся только пары чистого растворителя, а растворённое вещество является нелетучим. Это положение, лежащее в основе теории и методов расчета выпарных аппаратов для большинства растворов твердых веществ вполне оправдывается.

Удаляемый в парообразном состоянии растворитель чаще всего представляет собой водяной пар, носящий название вторичного пара. Общий материальный баланс аппарата выражается уравнением:

Gн=Gк+W, (1.1)

где Gн – количество поступающего исходного раствора с концентрацией bн; Gк – количество удаляемого упаренного раствора с концентрацией bк; W – количество растворителя.

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, находящемуся в растворе:

, (1.2)

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют насыщенный или слегка перегретый водяной пар, который называется греющим, или первичным /3/. Первичным служит либо пар, получаемый 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 прикосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями. Также может применяться электрический обогрев.

Уравнение теплового баланса:

Q+Gнснtн= Gкскtк+W·iвт+Qпот±Qд, (1.3)

где Q – расход теплоты на выпаривание; сн, ск – удельная теплоемкость начального (исходного) и конечного (упаренного) раствора; tн, tк – температура начального раствора на входе в аппарат и конечного на выходе из аппарата; iвт – удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата; Qпот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду; Qд – теплота дегидратации.

Передача тепла от теплоносителя к кипящей жидкости возможна при наличии температурного перепада (полезной разности температур) между ними. Это объясняется тем, что теплопередача, как и все естественные процессы, всегда идёт от высшего уровня к низшему, поэтому температура конденсации пара должна быть выше температуры кипения раствора что означает, что давление пара в греющем пространстве должна быть выше, чем в паровом.

Протекание теплоносителей в греющей камере происходит под действием напора, создаваемого извне. Скорость течение теплоносителей по трубкам в большинстве случаев определяется естественной циркуляцией, зависящей от разности удельных весов закипающего в греющей камере раствора, пронизанного пузырьками пара, и раствора, опускающегося по циркуляционной трубе.

1.2   Основные технологические схемы

Процесс выпаривания осуществляется либо в аппарате однократного, либо многократного действия. В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается. В промышленных условиях наиболее распространены аппараты многократного действия /З/.

Расход греющего пара на выпаривание растворов в однокорпусных аппаратах весьма велик и в ряде производств составляет значительную долю себестоимости конечного продукта /1/. Для уменьшения расхода греющего пара широко используют многокорпусные выпарные аппараты.

Принцип действия многокорпусных аппаратов заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путём последовательного соединения нескольких одно корпусных аппаратов, позволяющем использовал вторичный пар каждого предыдущего корпуса для обогрева последующего. Для практического осуществления такого многократного использования одного и того же количества тепла требуется, чтобы температура вторичных паров каждого последующего корпуса была выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Это требование легко выполняется путем понижения рабочего давления в корпусах по направлению от первого к последнему. С этой целью устанавливается сравнительно высокая температура кипения в первом корпусе и температура 50-60о С в последнем корпусе выпарной установки под разряжением, который соединяется с конденсатором, снабженным вакуум-насосом.

Если греющий пар и жидкий раствор поступают в первый, «головной», корпус выпарной установки, то последняя называется прямоточной (Рис. 1). По такому принципу работает большинство выпарных установок. Если же греющий пар поступает в первый по порядку корпус, а жидкий раствор - в последний и переходит из последнего корпуса к первому, то установка называется противоточной (Рис. 2.)

Такое встречное движение пара и раствора применяется в случае упаривания растворов с высокой вязкостью и большой температурной депрессией в целях повышения коэффициентов теплопередачи. Однако одновременно усложняется и обслуживание аппарата в связи с тем, что подобная схема требует установки между каждыми двумя корпусами установки насосов для перекачки раствора, движущегося по направлению возрастающих давлений, не говоря уже об дополнительных затратах на расход энергии на насосы.

При выпаривании кристаллизующихся растворов их перегон из корпуса в корпус может сопровождаться закупоркой соединительных трубопроводов и нарушением нормальной работы установки /4/. При этом часто используют аппараты с параллельным питанием корпусов. Здесь раствор выпаривается до конечной концентрации в каждом корпусе, а пар, как и в предыдущих двух схемах, движется последовательно по направлению от первого корпуса к последнему. В этом же направлении снижаются рабочие давления и температуры каления раствора в корпусах.

Рис. 1 - Многокорпусная прямоточная вакуум - выпарная установка: 1-3 – корпуса установки; 4 – подогреватель исходного раствора; 5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – вакуум-насос

Рис. 2 - Многокорпусная противоточная выпарная установка: 1-3 – корпуса установки; 4-6 – насосы

В химической промышленности применяются в основном непрерывно-действующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а также при выпаривании растворов до высоких конечных концентрации; иногда используют аппараты периодического действия.

При периодической выпарке в аппарат загружают определенное количество раствора начальной концентрации, подогревают его до температуры кипения и выпаривают до заданной концентрации. Затем упаренный раствор удаляют из аппарата, вновь заполняют ею свежим раствором и процесс повторяют. Установки периодического действия обычно выполняются в виде отдельных аппаратов. Осуществить многоступенчатую выпарную установку с выпарными аппаратами периодического действия невозможно, так как не удастся согласовать режимы работы и производительность отдельных аппаратов.

Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разряжением, под избыточным и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Потребляя пар относительно высокого давления и многократно используя его теплосодержание для выпаривания воды из раствора, выпарные аппараты могут использовать почти все количество потребляемого вторичного пара в виде экстра-паров более низких давлений, отбираемых из отдельных корпусов, что происходит в многокорпусных аппаратов без всякого ущерба для основного процесса.

Установки, в которых последняя ступень находится под некоторым избыточным давлением, называются выпарными установками с противодавлением Уменьшение давления вторичного пара последней ступени связано с уменьшением полезною перепада температур на установку, т.е. приводит к уменьшению кратности использования пара, что снижает экономические показатели.

В выпарных установках под разряжением удается получить, возможно, больший перепад температур между паром, греющим первую ступень и вторичным паром последней ступени. Это позволяет применить наибольшую кратность использования пара в установке, но связано с лотерей тепла со вторичным паром последней ступени, который из выпарной установки направляется непосредственно в конденсатор.

Используются и выпарные установки с ухудшенным вакуумом. В этих схемам предусматривается частичное использование вторичного пара последней ступени для покрытия тепловой нагрузки низкого потенциала, остальная часть пара направляется в конденсатор. При выпаривании под вакуумом температура кипения снижается; эго обстоятельство используется при сгущении растворов, для которых. во избежание порчи продукта, нельзя допустить высоких температур кипения.

При выпаривании под атмосферным давлением (проводят в однокорпусных выпарных установках) вторичный пар используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным. Экономия вторичного пара может быть также достигнута в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового насоса (например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат.

Многокорпусная установка позволяет значительно снизить расход тепла за счет многократного использования пара. Предельно выгодное или оптимальное число корпусов зависит одновременно от расхода пара и его стоимости, от единовременной стоимости выпарной установки, срока ее амортизации и др. На практике число корпусов обычно не превышает 5-6.

1.3 Конструкции выпарных аппаратов

Наибольшее распространение в химической и смежных отраслях промышленности получили высокопроизводительные выпарные аппараты непрерывного действия, особенно трубчатые выпарные аппараты различных типов. 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.

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.

1.3.1 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. Скорость (кратность) циркуляции здесь невелика (скорость движения парожидкостной смеси составляет 0,3-0,8 м/с). Поэтому коэффициенты теплопередачи также относительно низкие. Несмотря на достаточную простоту, аппараты этого типа заменяются на другие - с более интенсивной циркуляцией.

На рис. 3. показан выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой 2. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, следовательно раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. Разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильных трубах 1 и раствора в циркуляционной трубе больше, чем в аппаратах с центральной циркуляционной трубой, поэтому кратность циркуляции и коэффициенты теплопередачи несколько выше. Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах уменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться при концентрировании растворов.

Рис. 3 - Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой: 1- нагревательная камера; 2 - циркуляционная труба; 3 - центробежный брызгоуловитель; 4 - сепарационное (паровое) пространство

Существенного снижения отложения солей можно достичь при использовании аппаратов с вынесенной зоной кипения. В таких аппаратах вследствие увеличенного гидростатического давления столба жидкости кипения в трубах нагревательной камеры не происходит, упариваемый раствор только перегревается. При выходе перегретого раствора из этих труб в трубу вскипания он попадает в зону пониженного гидростатического давления, где и происходит интенсивное его закипание.

Таким образом, предотвращается возможность отложения накипи на теплообменной поверхности труб и, следовательно, увеличиваются коэффициент теплопередачи и время эксплуатации аппарата между профилактическими ремонтами.

1.3.2 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией

Более высокие кратности циркуляции, соответствующие скоростям движения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 4). Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов 4, обладающих высокой производительностью. В связи с более высокими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи - более 2000 Вт/(м2∙К), поэтому такие аппараты могут эффективно работать при меньших полезных разностях температур (равных 3-5°С). В аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успехом концентрировать высоковязкие или кристаллизующиеся растворы.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (см. рис. 4.). В этом случае появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее загрязнении, а иногда к одному сепаратору подсоединять две или три нагревательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющая нагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с соосными греющей камерой и сепаратором (см. рис. 5.) является меньшая производственная площадь, необходимая для его размещения.

Рис. 4 - Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной нагревательной камерой: 1-греющая камера; 2-сепаратор; 3-циркуляционная труба; 4 – электронасосный агрегат

Рис. 5 - Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной циркуляционной трубой: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба; 4 - электронасосный агрегат

К общим недостаткам выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует отнести повышенный расход энергии, связанный с необходимостью работы циркуляционного насоса.

Все рассмотренные выше конструкции аппаратов по структуре движения в них жидкости близки к моделям идеального перемешивания, поэтому при сравнительно большом объеме циркулирующего раствора последний находится при повышенных температурах достаточно длительное время (а отдельные частицы жидкости - бесконечно долго). Это существенно затрудняет выпаривание нетермостойких растворов. Для таких растворов можно использовать пленочные выпарные аппараты.

1.3.3 Пленочные выпарные аппараты

Их относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции; процесс выпаривания осуществляется за один проход жидкости по кипятильным трубам, причем раствор движется в них в виде восходящей или нисходящей пленки жидкости. Как правило, эти аппараты работают при прямоточном движении раствора и образующегося вторичного пара, который занимает центральную часть труб. В связи с этим здесь отсутствует гидростатический столб парожидкостной смеси и, следовательно, гидростатическая депрессия. Для обеспечения заданных пределов изменения концентраций упариваемых растворов кипятильные трубы делают длинными (6-10 м).

Выпарной аппарат с восходящей пленкой жидкости (рис. 6) работает следующим образом. Снизу заполняют раствором трубы на 1/4 и 1/5 их высоты, подают греющий пар, который вызывает интенсивное кипение. Выделяющийся вторичный пар, поднимаясь по трубам, за счет сил поверхностного трения увлекает за собой раствор. В сепараторе пар и раствор отделяются друг от друга.

Рис. 6 - Выпарные пленочные аппараты с восходящей пленкой жидкости: 1 – греющая камера; 2 - сепоратор

В выпарном аппарате с нисходящей пленкой жидкости (рис. 7) исходный раствор подают в верхнюю часть греющей камеры 1, где обычно расположен распределитель жидкости, из которого последняя по трубам стекает вниз. Образующийся вторичный пар также движется в нижнюю часть нагревательной камеры, откуда вместе с жидкостью попадает в сепаратор 2 для отделения от раствора.

Рис. 7 - Выпарные пленочные аппараты с нисходящей пленкой жидкости: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор

Для снижения температуры кипения раствора процесс, как правило, проводят под вакуумом. В этих аппаратах удается упаривать также растворы, склонные к интенсивному пенообразованию. Вместе с этим пленочным аппаратам свойствен ряд недостатков. Они очень чувствительны к изменениям нагрузок по жидкости, в особенности при малых расходах растворов. Существует определенный минимальный расход раствора, ниже которого не удается достигнуть полного смачивания поверхности теплопередачи. Это может приводить к местным перегревам трубок, выделению твердых осадков, резкому снижению интенсивности теплопередачи. В таких аппаратах не рекомендуется выпаривать кристаллизующиеся растворы. Для них также требуются большие производственные площади.

Всем трубчатым выпарным аппаратам свойствен существенный недостаток: в них затруднительно, а часто и практически невозможно выпаривать агрессивные растворы. Для таких растворов применяют аппараты, в которых отсутствуют теплопередающие поверхности, а процесс теплообмена осуществляют путем непосредственного соприкосновения теплоносителя (нагретых или топочных газов) с упариваемым раствором.

1.4 Патентный обзор

Этот раздел включает в себя краткое описание патентов на изобретения по теме выпаривание за 1991-2002 годы.

1.4.1 Вертикальный выпарной аппарат(1805571)

Использование: в глиноземном производстве. Сущность изобретения: аппарат состоит из греющей камеры, содержащей, в свою очередь, кожух и пучок греющих труб циркуляционной трубы, установленной внутри трубного пучка, сепаратора, трубных решеток, состыкованных с паровой и конденсатной камерами, а также патрубком для раствора, пара и конденсата. При этом греющая камера установлена внутри сепаратора с зазором относительно верхней трубной решетки, а циркуляционная труба имеет высоту, меньшую, чем греющие трубы.

1.4.2 Выпарная установка(2050908)

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано при регенерации воды из отработанных электролитов и концентрировании сточных вод гальванотехники. Установка содержит камеру испарения с нагревателем и камеру конденсации с охладителем. Камеры соединены замкнутым воздуховодом с вентилятором, снабжены подводящими и отводящими штуцерами и выполнены в виде аппаратов, каждый из которых включает установленные в верхней части циклоннопенное, а в нижней-теплообменное устройство. Теплообменное устройство представляет собой вертикальный концентрический пучок труб, расположенный вокруг центральной трубы, причем нижняя трубная доска пучка установлена над штуцером подвода обрабатываемого продукта в аппарат, а верхняя совпадает с нижней границей окна подвода воздуха под слой жидкости циклонно-пенного устройства.

Страницы: 1, 2