Выпаривание как процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара, варианты реализации данного процесса и его обеспечение. Выбор конструкции аппарата, его критерии. Тепловые нагрузки корпусов.
Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб. Раствор, находящийся в кипятильных трубках закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. Так как при упаривании раствора (NH4)2SO4 возможно выделение незначительного осадка, удаляемого механическим путем, то выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой - тип 1 исполнение 2 ГОСТ 11987 - 81 [3 c. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар из первого корпуса подается во второй в качестве греющего пара, а вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор КБ, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.
Введение
Выпаривание - процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.
Этот процесс подучил широкое распространение в химической промышленности, в связи с 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 они должны поступать в виде концентрированных продуктов.
Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.
Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении.
Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых очень разнообразны, что значительно усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.
Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей: - кипятильник (греющая камера) в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;
- сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.
В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают: - выпарные аппараты со свободной циркуляцией;
- выпарные аппараты с естественной циркуляцией;
- выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;
- пленочные выпарные: аппараты.
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются высокой производительностью и широко используются для упаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.
Раствор, находящийся в кипятильных трубках закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.
Существует несколько типов аппаратов с естественной циркуляцией: с центральной; циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т.д.
Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение изза простоты конструкции и легкости очистки и ремонта. В тоже время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.
1. Выбор конструкции аппарата
Так как при упаривании раствора (NH4)2SO4 возможно выделение незначительного осадка, удаляемого механическим путем, то выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой - тип 1 исполнение 2 ГОСТ 11987 - 81 [3 c. 182].
Рис. 1. Схема аппарата (тип 1, исполнение 2): 1-греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляционная труба.
2. Выбор конструкционного материала
Так как водный раствор (NH4)2SO4 при температуре кипения является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильноагрессивных средах до температуры 600°С.
3. Технологическая схема
Рис. 2. Технологическая схема двухкорпусной выпарной установки
Исходный раствор центробежным насосом Н подается в кожухотрубный теплообменник Т, где нагревается до температуры кипения и поступает в первый корпус выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой АВ1. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в линию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упаренный раствор из 1-го корпуса поступает во второй корпус АВ2 выпарного аппарата. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар из первого корпуса подается во второй в качестве греющего пара, а вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор КБ, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата.
4. Материальный расчет
Производительность установки по выпариваемой воде: W = Gн(1 - хн/хк) = 2,78 (1 -18/39,1) = 1,5 кг/с, где Gн = 10000/3600 = 2,78 кг/с - массовый расход исходного раствора.
Производительность установки по упаренному раствору: Gk = Gн - W = 2,78 - 1,5 = 1,28 кг/с.
Распределение количества выпариваемой воды по корпусам
Для упрощения приближенного расчета составляем тепловые балансы без учета тепловых потерь и принимаем, что из каждого корпуса в последующий раствор поступает при средней температуре кипения.
По условию раствор попадает на выпарку подогретым до температуры кипения в 1 корпусе.
Тогда расход теплоты в 1 корпусе: Q1 =W1 r1 = 0,714 2171 = 1577 КВТ
Q2 =W2 r2 = 0,786 2270 = 1784 КВТ
7. Поверхность теплообмена
Тепловое сопротивление стенки. Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем. Получим: lct=46,5 Вт/м?К - теплопроводность стали [1 c. 529]; S(d/l) = 0,002/46,5 0,0005/2= 3,1?10 -4 м?К / Вт.
Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке (первый корпус)
где m1 = 0,210?10-3 Па?с - вязкость конденсата [1 c. 537];
l1 = 0,686 Вт/м?К - теплопроводность конденсата;
r1 = 935 кг/м3 - плотность конденсата;
Dt1 - разность температуры конденсации пара и температуры стенки со стороны пара, предварительно принимаем Dt1 = 1 °C;
Выбираем по ГОСТ 11987-81 аппарат с ближайшей большей поверхностью теплообмена F = 125 м2 [3 c. 183]: диаметр греющей камеры, не более -1000 мм;
диаметр сепаратора, не более - 2200 мм;
диаметр циркуляционной трубы, не более 700 мм;
высота аппарата, не более 13500 мм;
масса аппарата, не более 11500 кг.
8. Механический расчет
Число нагревательных трубок диаметром 38?2, высотой 4 м: n = F/pdcp L где dcp = 0,036 м - средний диаметр трубки. n = 160/p0,036?4,0 = 354 шт. Площадь суммарного сечения всех кипятильных трубок: ftp = 0,785ndвн2 = 0,785?354?0,0342 = 0,32 м2.
Ск = 0,001 м - поправка на коррозию. d = 1,0?0,3/2?138?0,8 0,001 = 0,003 м.
Принимаем толщину обечайки d = 8 мм.
Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533-78, толщина стенки днища d1 =d = 8 мм.
Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26-428-79.
Максимальная масса аппарата: Gmax = Ga Gв, где Ga = 11500 кг - масса аппарата, Gв - масса воды заполняющей аппарат.
Gв = 1000?0,785D2H = 1000?0,785?12?13,5 =12598 кг, где Н = 13,5 м - высота аппарата.
Gmax = 11500 12598 =24098 кг = 0,22 МН.
Принимаем, что аппарат установлен на 4 опорах, тогда нагрузка, приходящаяся на одну опору: Gоп = 0,22/4 = 0,055 МН.
Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,063 МН, конструкция которой приводятся на рисунке:
Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле: d = , где G - массовый расход теплоносителя, r - плотность теплоносителя, w - скорость движения теплоносителя в штуцере.
Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для пара w = 20 м/с, тогда диаметр штуцера для входа греющего пара d1 = (1,28/0,785?20?1,39)0,5 = 0,242 м, принимаем d1 = 250 мм. диаметр штуцера для выхода конденсата: d1 = (1,28/0,785?1?935)0,5 = 0,041 м, принимаем d1 = 500 мм. диаметр штуцера для входа раствора: d1 = (2,78/0,785?1?1095)0,5 = 0,056 м, принимаем d1 = 65 мм. диаметр штуцера для выхода раствора: d1 = (1,28/0,785?1?1138)0,5 = 0,038 м, принимаем d1 = 40 мм.
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80. dусл D D2 D1 h n d
40 130 100 46 14 4 13
65 160 130 78 14 4 13
250 370 335 273 20 12 18
9. Определение толщины тепловой изоляции
Расчет тепловой изоляции. В качестве материала тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности lи = 0,09 Вт/м?К. Принимаем температуру наружной поверхности стенки тст.в.=40°С; температуру окружающей среды тв = 18°С, тогда толщина слоя изоляции: , где ав- коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду: ав = 9,3 0,058 тст.в. = 9,3 0,058?40 = 11,6 Вт/м2?К. dи = 0,09 (127,4-40)/11,6 (40-18) = 0,031 м.
Принимаем толщину тепловой изоляции 40 мм.
Список литературы
выпаривание аппарат тепловой конструкция
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.:Химия, 1987, 576 с.
2. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры - Л. «Машиностроение», 1975.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
