Анализ современных методов концентрирования жидких смесей на примере раствора карбамида. Сущность технологии процесса упаривания. Конструкция выпарного аппарата, обеспечивающего заданную производительность, оптимизация его теплообмена по минимуму затрат.
Аннотация к работе
Карбамид (мочевина) СО(NH2)2 представляет собой амид карбаминовой кислоты. Карбамид выпускается в виде гранул или кристаллов. По внешнему виду гранулы карбамида белые или слабо окрашенные. Реагируя с формальдегидом при нагревании в присутствии щелочи, карбамид образует различные высокомолекулярные продукты, которые применяются в промышленности для изготовления пластических масс. Карбамид легко растворяется в жидком аммиаке, образуя соединение СО(NH2)2NH3 с массовой долей 71,9 % карбамида и 22,1 % вес аммиака и существующее только в растворах.Испарители 1-ой ступени и II-й ступени выпаривания представляют собой кожухотрубные теплообменники, совмещенные в верхней части с сепаратором. Пар 0,2?0,45 МПА подается в межтрубное пространство подогревателя поз. На II-ой ступени выпарки раствор упаривается при абсолютном давлении не более 5,0 КПА и температуре 135-140 °С (TIC 2342) до массовой доли карбамида в плаве не менее 99,7 %. Пар давлением 0,4-0,8 МПА подается в межтрубное пространство испарителя поз. По окончании вывода узла выпаривания на НТР плав подается на грануляторы, линия циркуляции плава промывается конденсатом от насоса поз.Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов) и по ее расположению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной иногда наклонной греющей камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Различают выпарные аппараты с неорганизованной, или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией раствора. Выпарные аппараты делятся также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора. Аппараты более компактные, чем аппараты с рубашками, и отличаются несколько большей интенсивностью теплопередачи. В аппаратах с выносными циркуляционными трубами достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход метала на 1м2 поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.Поверхность теплопередачи корпуса выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи: (3.1) где F-площадь теплообменника, м2; Q-количество передаваемой теплоты, Дж; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Dtп - полезная разность температур, К.На выпаривание поступает кг/с исходного раствора с концентрацией хн и удаляется Gk кг/с упаренного раствора с концентрацией хк. Если в аппарате выпаривается W кг/с растворителя, то общий материальный баланс выражается уравнением: Производительность аппарата по упаренному раствору: Производительность установки по выпариваемой воде: В аппарат входит поток № 401 со следующим составом: - карбамид - 95%; С аппарата выходят потоки № 402 и 709 со следующим составом: № 402 № 709 карбамид - 99,8%; - карбамид - 12,02%;Раствор карбамида Раствор карбамида в том числе: в том числе: 1 (NH2)2CO 26655,48 95 1 (NH2)2CO 26654,98 99.7Расход греющего пара в корпусе, производительность корпуса по выпариваемой воде и тепловую нагрузку корпуса определим путем совместного решения уравнений : (3.3) где 1.03-коэффициент учитывающий 3% потери тепла в окружающую среду; сн - теплоемкость раствора карбамида КДЖ/КГК; тнач-начальная температура кипения исходного раствора С0; ткон - температура кипения раствора в корпусе С0 (Ткон=Тк=132С0); I2 ,I1-энтальпии сухого насыщенного греющего пара и энтальпия конденсата, КДЖ/кг; Івт.п.Для составления теплового баланса определим приход и расход тепла. Тепло в аппарат приходит с исходным раствором и греющим паром, а уходит с упаренным раствором, вторичным паром, паровым конденсатом и потерями тепла в окружающую среду.Приход тепла Расход тепла № п/п Статья прихода Вт № п/п Статья расхода ВтВыбираем конструкционный материал стойкий к среде кипящего раствора карбамида-CO(NH2)2 в интервале изменения концентраций от 95 до 98,8%.Коэффициент теплопередачи для корпуса выпарного аппарата определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений: (3.6) где a1-коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке, Вт/(м2К); Sd/l - Суммарное термическое сопротивление, м2К/Вт; a2-коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору, Вт/(м2К). Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки dct/lct и накипи dн/lн (/lн=2Вт/МК). Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке рассчитывается по формуле: (3.8) где r1 - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; rж, lж, мж-соответственно плотность (кг/м3), теплопроводность Вт/м*К, вязкость (Па*с) конденсата при средней температуре пленки тпл=тг.п.- Тогда получим: Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение: (3.9) где q - удельная т
План
Содержание
1. Введение
2. Общая часть
2.1 Общие сведения о процессе
2.2 Выбор выпарного аппарата
3. Технологический расчет
3.1 Материальный баланс
3.2 Определение тепловых нагрузок
3.3 Тепловой баланс
3.4 Выбор конструкционного материала
3.5 Расчет коэффициента теплопередачи
4. Конструктивный расчет
4.1 Расчет поверхности теплопередачи
4.2 Определение толщины тепловой изоляции
4.3 Выбор штуцеров
5. Гидравлический расчет
6. Прочностной расчет
6.1 Расчет толщины стенок
6.1.1 Расчет толщины стенки сепаратора
6.1.2 Расчет толщины стенки греющей камеры
6.2 Расчет крышек и днищ выпарного аппарата
6.2.1 Расчет крышек и днища сепаратора
6.2.2 Расчет крышки и днища греющей камеры
6.3 Расчет фланцев и болтовых соединений
6.4 Расчет опор
7. Литература
Введение
Карбамид (мочевина) СО(NH2)2 представляет собой амид карбаминовой кислоты.
Карбамид выпускается в виде гранул или кристаллов. В данном производстве карбамид выпускается в виде гранул. По внешнему виду гранулы карбамида белые или слабо окрашенные. Чистый карбамид СО(NH2)2 содержит 46,6 % азота в амидной форме. Раствор карбамида в воде обладает слабощелочными свойствами. Физико-химические свойства карбамида: Таблица 1.1.
Температура плавления при атмосферном давлении, ОС 132,7
Удельная теплоемкость при 20 ОС, КДЖ. 1,34
Теплота плавления, КДЖ/кг 242
Теплота образования из простых веществ при 25 ОС, КДЖ/моль 333,27
Теплота растворения, КДЖ/кг 242
Теплопроводность плава при 35 ОС, Вт/(м к) 0,42
Динамическая вязкость при 132,7 ОС , МПА? с 2,58
Угол естественного откоса гранулированного продукта, град 35
С некоторыми солями карбамид образует комплексные соединения. При смешении в определенных соотношениях с аммиачной селитрой карбамид образует комплексные соединения, более растворимые, нежели каждая соль в отдельности.
Комплексные соединения карбамид образует с нормальными углеводородами и их производными. Реагируя с формальдегидом при нагревании в присутствии щелочи, карбамид образует различные высокомолекулярные продукты, которые применяются в промышленности для изготовления пластических масс. Продукт, полученный путем конденсации карбамида с формальдегидом в кислой среде представляет собой карбамидо-формальдегидное удобрение, содержащее до 40 % азота, большая часть которого находится в труднорастворимой, но полностью усвояемой растениями форме.
В воде карбамид растворяется хорошо. При повышении температуры его растворимость увеличивается.
Значительно труднее растворяется карбамид в метиловом, этиловом и др. спиртах. В эфире он мало растворим и нерастворим в хлорбензоле.
Карбамид легко растворяется в жидком аммиаке, образуя соединение СО(NH2)2NH3 с массовой долей 71,9 % карбамида и 22,1 % вес аммиака и существующее только в растворах. С повышением температуры растворимость карбамида в аммиаке значительно возрастает.
Твердый карбамид, нагретый под вакуумом до 120-130 ОС возгоняется без разложения. Нагревание сухого карбамида при атмосферном давлении выше температуры плавления 132,7 ОС приводит к образованию биурета, а при 180-190 ОС - циануровой кислоты: амелида и др.
Карбамид выпускается по ГОСТ 2081-92Е, который соответствует требованиям к карбамиду, изготовляемому для нужд сельского хозяйства и для поставки на экспорт: Таблица 1.2.
№ п/п Наименование показателей Норма марки Б
Высший сорт 1-й сорт 2-й сорт
1 Массовая доля азота в пересчете на сухое вещество, %, не менее 46,2 46,2 46,2
2 Массовая доля биурета, %, не более 1,4 1,4 1,4
3 Массовая доля воды, %, не более: метод высушивания 0,3 0,3 0,3 метод Фишера 0,5 0,5 0,6
4 Рассыпчатость, %. 100 100 100
5 Гранулометрический состав, %. массовая доля гранул размером, мм: От 1 до 4 мм, не менее 94 94 94
От 2 до 4 мм, не менее 70 50 -
Менее 1 мм, не более 3 5 5
Остаток на сите 6 мм, не более Отсутствие
6 Статическая прочность гранул, кгс/гранулу, не менее 0,7 0,5 0,3
Карбамид находит широкое применение как в сельском хозяйстве, так и в промышленности. В сельском хозяйстве он используется как азотное удобрение и кормовое средство.
Исходя из повышенных требований сельского хозяйства к качеству карбамида (грансоставу и прочности гранул), обусловленных переходом на бестарное хранение и отгрузку карбамида, возникла необходимость обработки карбамида карбамидоформальдегидной смолой, в результате чего карбамид приобретает свойство текучести.
Это свойство дает гарантию рассыпчатости продукта, кроме того обработанный карбамид, внесенный в почву более полно усваивается сельскохозяйственными культурами.
В промышленности карбамид применяют в производстве пластических масс, синтетических клеев. Широко применяется в фармацевтической промышленности, расходуется на изготовление ряда лекарственных препаратов.
В больших количествах используется в производстве карбамидоформальдегидных полимеров (КФП) получаемых путем конденсации карбамида с формальдегидом.
В связи с этим важное значение приобретает кооперирование производства карбамида и формальдегида.