Проектирование однокорпусной вакуум-выпарной установки для выпаривания 5-процентного раствора Na2CO3 - Курсовая работа

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. 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. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов), по ее расположению в пространстве (аппараты с горизонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора. Выпарные аппараты делят 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. В аппаратах данного типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократно организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб.В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор Na2CO3 под вакуумом. Исходный раствор Na2CO3 Р1 из емкости Е1 подается центробежным насосом Н1 в теплообменник АТ1, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, подогревается вторичным паром, который поступает в верхнюю часть теплообменника. Пар, сконденсировавшийся в межтрубном пространстве теплообменника, выводится из нижней части теплообменника с помощью конденсатоотводчика КО1. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. В барометрическом конденсаторе КБ вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар - снизу, вода - сверху).По давлению в сепараторе мы можем найти температуру кипения раствора в верхних слоях ткон, °С (Приложение 1 п.5) Определим температуру и давление в барометрическом конденсаторе t0, P0 По температуре в барометрическом конденсаторе мы можем найти давление в барометрическом конденсаторе P0, атм. Где (rp-rв) - разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения, если температуре кипения неизвестна то можно взять при t=20°С [2], с.252 Найдем температуру кипения раствора в среднем слое кипящего раствора тср, °С: Определим гидростатическую депрессию: D``= tcp - t1 (9)Среднюю температуру воды найдем как среднее арифметическое твод.ср., °С: твод.ср= (тнач.в ткон.в)/2 (28) твод.ср= (20 11)/2=15,5 °С Количество теплоты, которое необходимо отвести от раствора для его охлаждения: Q= Gкон скон (ткон-t’кон) (30) Так как вся отводимая от раствора теплота передается охлаждающей воде, то ее расход можно найти по формуле: (31) Найдем по ГОСТУ ближайшую стандартную площадь: Найдем по стандартной площади скорость и число Рейнольдса для раствора: Зададимся критерием Рейнольдса для воды: Re2=10000 Плотность воды (Приложение 1 п.1): Найдем скорость воды: Найдем площадь поперечного сечения: Найдем по ГОСТУ стандартную площадь: Найдем по стандартной площади скорость и число Рейнольдса для воды: Температуры стенки со сторон холодного и горячего теплоносителей будем искать с помощью метода итераций.Расход охлаждающей воды Gв определим из теплового баланса конденсатора: (33) гдеіб.к. Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 градусов. Поэтому температуру воды тк на выходе из конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров тбк: (34) Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода: (36) гдеr - плотность паров, кг/м3; Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчетному, или ближайшему большему.Производительность вакуум-насоса Gвозд, кг/с определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора: (35) где0,000025 - количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров. кг/с Объем

Оглавление

Введение

1. Аналитический обзор

2. Технологическая часть

3. Расчет выпарного аппарата

4. Расчет подогревателя исходного раствора

5. Расчет холодильника упаренного раствора

6. Расчет барометрического конденсатора

7. Расчет производительности вакуум-насоса

8. Расчет трубопроводов для растворов

Выводы по курсовому проекту

Приложения

Список литературы

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.

В этом курсовом проекте используется выпарная установка, работающая под вакуумом. Для создания вакуума в выпарной установке обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаются чаще всего при температуре охлаждающей среды (около 20°С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

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 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 кипением в трубах. 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.

Высота парового пространства должна обеспечивать сепарацию из пара капелек жидкости, выбрасываемых из кипятильных труб.

Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

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

Поскольку циркуляционная труба не обогревается, создаются условия для интенсивной циркуляции раствора. При этом плотность раствора в выносной циркуляционной трубе больше, чем в циркуляционных трубах, размещенных в греющих камерах, что обеспечивает сравнительно высокую скорость циркуляции раствора и препятствует образованию отложений на поверхности нагрева.