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.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
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.
Патентный обзор
Этот раздел включает в себя краткое описание патентов на изобретения по теме выпаривание за 1991-2002 годы.
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.
РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА
Тепловой баланс
Кожухотрубчатые подогреватели предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве.Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве которого нагревается от 25 °С до 98 °С раствор CuSO4. Тепловой поток, принимаемый исходной смесью и, соответственно, отдаваемый насыщенным водяным паром:
Q=Gн∙c1∙(tк-tн), (4.1)
G - массовый расход жидкостной смеси, кг/с, с – средняя теплоемкость, Дж/кг∙с; t – начальная температура раствора, °С; t – конечная температура раствора, °С.
Q=5∙4029∙(98-25)=1531020 Вт
В качестве теплоносителя использовать насыщенный водяной пар с параметрами: t=142,9 °С.
По определенной по уравнению (4.1) тепловой нагрузке определяется расход второго теплоносителя c учётом потерь:
G=1,03∙Q/r (4.2)
где r – теплота конденсации пара.
G=1,03∙1531020/2141∙103=0,7365 кг/с
Выбор теплообменника
Примем ориентировочное значение Re=15000 Что соответствует развитому турбулентному режиму течения жидкости в трубах. Такой режим течения возможен в теплообменнике с числом труб, приходящихся на один ход: для труб диаметром dн=20´2 мм.
N/z=4∙G1/p∙d∙Reop∙m1 (4.5)
N/z=4∙5/3,14∙0,016∙15000∙0,000552=48
Из табл.2.3 [2] выбираем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена F=31 м2 и длиной труб l= 4 м, число ходов z=2; число труб n= 100, диаметром кожуха Dк=0,4м
Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды gb определяют из теплового баланса конденсатора:
Gв=w2*(Iбк-cв*tк)/(cв*(tк-tн)), (5.1)
где Iбк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг; tн - начальная температура охлаждающей воды, °С;tк - конечная температура смеси воды и конденсата, °С.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 град. Поэтому конечную температуру воды tк на выходе из конденсатора примем на 3 град ниже температуры конденсации паров;
При tбк=47,42°С
tк=tбк-3,0=47,42-3=44,42 °С
Тогда при tн=20 °С
Gв=2,091 (2585∙10З-4,19∙10З∙44,42)/(4,19∙10З∙(44,42-20))=49,09 кг/с
Диаметр конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора dбк:
dбк=(4∙w2 /(ρ∙π∙v))0,5, (5.2)
где ρ - плотность паров, кг/куб.м; v - скорость паров, м/с.
При остаточном давлении в конденсаторе порядка 104 Па скорость паров v=15-25 м/с. Тогда при v=20 м/с:
dбк=(4∙2,091/(3,14∙20∙0,067))0,5=1,41м.
По нормалям НИИХИММАШа [12] подбираем конденсатор диаметром, равным расчётному или ближайшему большему. Определяем его основные размеры. Выбираем барометрический конденсатор диаметром dбк=1600 мм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте был рассмотрен процесс выпаривания и произведены расчеты основного оборудования, а также было подобрано вспомогательное из стандартного. В результате расчетов были получены следующие результаты:
Выпарной аппарат (по ГОСТ 11987-81): номинальная поверхность теплообмена -125 м2; диаметр труб -38мм; высота труб-4м;
теплообменник для нагрева исходной смеси (ГОСТ 15118 - 79): поверхность теплопередачи 31 м2, диаметр кожуха 400мм; число ходов 2; число труб 100, длиной 4м;
барометрический конденсатор: диаметр -1600 мм, высота – 9,55 м;
вакуум-насос: марки ВВН-25: при оптимальных условиях работы: производительность 3,67 м3/мин, остаточное давление - 75 мм. рт. ст, мощность N=48 кВт.
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
Дата: 2019-07-24, просмотров: 308.
