Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
Профессионального образования
Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт
(Технический университет)
Кафедра инженерной защиты окружающей среды
Курсовая работа
Проект однокорпусной выпарной установки
Выполнил: студент ____________________________
____________________________
Проверил: ____________________________
____________________________
Санкт-Петербург
2010г.
Задание на курсовой проект:
Выполнить проект однокорпусной выпарной установки для концентрирования водного раствора . Производительность по исходному раствору Gн=5кг/с. Раствор упаривается от концентрации Хн=10% до Хк=25%. Давление греющего пара Р=0,2МПа, давление в барометрическом конденсаторе Ро=0,04МПа. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору равен К=800Вт/м²К. Исходный раствор перед подачей в выпарной аппарат подогревается греющим паром в кожухотрубчатом теплообменнике от температуры tн=25°С до температуры кипения. Рассчитать поверхности нагрева выпарного аппарата и теплообменника для подогретого разбавленного раствора. Выполнить расчет барометрического конденсатора. Представить схему однокорпусной вакуум-выпарной установки и выполнить чертеж выпарного аппарата.
Оглавление
1. Введение
Процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении, называется выпариванием. Выделение солей из водных растворов в виде кристаллов – типичный процесс в химической технологии. В промышленных масштабах растворы в пересыщенном состоянии можно получать различными способами, однако наибольший практический интерес представляет именно выпаривание.
Выпарные установки и аппараты применяются в химической, металлургической, микробиологической промышленности, в производстве различных минеральных солей, органических полупродуктов и удобрений, белково-витаминных концентратов, кормовых дрожжей и других продуктов, а также для регенерации различных растворов с целью возврата их в технологический цикл и термического обезвреживания промышленных стоков.
Простое выпаривание осуществляется на установках небольшой производительности, когда экономия тепла не имеет большого значения. Кроме того, простое выпаривание на установках периодического действия оправдывается в случае выпаривания растворов, отличающихся высокой депрессией. При простом выпаривании сточную жидкость нагревают до 100°С, что вызывает большой расход тепла. В процессе простого выпаривания после удаления растворителя низкомолекулярные фракции остаются в осадке и, соответственно, снижают прочностные показатели образцов.
Преимущества выпаривания в вакууме обусловливаются следующими обстоятельствами.
1. В разреженном пространстве все жидкости кипят при более низких температурах, чем при атмосферном давлении. Это дает возможность уменьшить величину поверхности теплопередачи в вакуум-выпарном аппарате, так как при пониженной температуре кипения достигается значительно большая разность температур между греющим паром и кипящим раствором. Это же обстоятельство позволяет использовать для нагревания при выпаривании в вакууме пар низкого давления, что имеет большое значение там, где в производстве имеется отработанный мятый пар.
2. Выпаривание в вакууме позволяет концентрировать такие растворы, которые при атмосферном давлении кипят при высоких температурах и кипячение которых при атмосферном давлении, во-первых, может иногда повести к целому ряду побочных процессов, изменяющих свойства раствора (окисление, осмоление, осахаривание и т. п.), и во-вторых, всегда требует нагревания паром высокого давления или топочными газами.
3. Наконец, за счет пониженной температуры кипения в вакуум-выпарных аппаратах потери тепла в окружающую среду, а стало быть и расход греющего пара, идущего на компенсацию этих потерь, будут значительно меньше, чем при простом выпаривании.
Однако вакуумные выпарные установки более сложны в отношении оборудования и в эксплуатации.
Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих
требований, к числу которых относятся: высокая производительность и
интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в
эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра,
ремонта и замены отдельных частей.
Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата
определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами
выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)
Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие
производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции
раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и
уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре
греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается
температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно
учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе
оптимальной конструкции.
Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных
аппаратов различных типов.
Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~8(10-3 Па(с, без
образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные
аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее
эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.
Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости,
достигающей порядка 0.1 Па(с, производят в аппаратах с принудительной
циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в
роторных прямоточных аппаратах.
В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются
благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к
повышенным температурам.
Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для
выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.
Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с
поднимающейся пленкой.
В данном проекте представлена однокорпусная вакуум-выпарная установка.
2. Технологическая схема и ее описание.
В данной установке использованы кожухотрубчатый горизонтальный теплообменник (1), выпарной аппарат с естественной циркуляцией и внутренней циркуляционной трубой (2), барометрический конденсатор (3), вакуум-насос (4).
В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор хлорида кальция под вакуумом.
Исходный раствор СаCl2 в теплообменник, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.
Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическим конденсатором и вакуум-насосом. В барометрическом конденсаторе вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по барометрической трубе.
Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения. Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.
В данном выпарном аппарате в нижней части вертикального корпуса находится нагревательная камера, состоящая из двух трубных решёток, в которых закреплены развальцованные кипятильные трубы и циркуляционная труба большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подаётся греющий пар. Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит в следствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и паро-жидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объёма упаренного раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от её диаметра, а объём жидкости в трубе пропорционален квадрату её диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах
должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.
Для создания вакуума в выпарных установках обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды. 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.
3. Основные свойства рабочих сред
Основными средами для данной установки по условиям задачи являются вода, насыщенный водяной пар и раствор хлорида кальция.
Вода – прозрачная жидкость, не имеющая (в малом объеме) цвета и запаха. Химическая формула: . В твердом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном – водяным паром. Молярная масса воды 18г/моль.
|
Давление Р, МПа |
t кипения, °С |
Плотность Ρ, кг/м³ |
Динамич.вязкость μ, 10¯³м²/с |
Теплоемкость С, Дж/кгК |
|
0,1 |
100 |
1 |
0,54 |
4190 |
Пар — газообразное состояние вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазами того же вещества. Процесс возникновения пара из жидкой (твёрдой) фазы — называется "парообразованием". Обратный процесс называется конденсация.
Насыщенный пар — пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твердым телом того же состава. Давление насыщенного пара сильно зависит от температуры.
|
Давление Р, МПа |
Температура t°C |
Энтальпия I, кДж/кг |
|
0,04 |
75,4 |
2632 |
|
0,038 |
76,4 |
2636 |
|
0,052 |
80,9 |
2307 |
|
0,2 |
119,6 |
2607 |
Раствор хлорида кальция. Химическая формула СаСl2. Молярная масса 110,9г/моль. Раствор может быть желтоватого или зеленоватого цвета, а также бывает прозрачным или содержит твердый осадок, слегка замутняющий жидкость. Существует много отраслей, в которых используется хлорид кальция. Применение этого вещества затрагивает химическую промышленность (получение металлического кальция, высушивание газов и жидкостей), холодильное дело, медицину, а также используется в цветной металлургии, лесной, деревообрабатывающей, нефтехимической и нефтедобывающей промышленности, в строительстве, изготовлении строительных материалов. Температура кипения хлорида кальция сильно зависит от давления.
4. Расчетная часть
Условные обозначения:
F – поверхность теплообмена, м²
Q – тепловая нагрузка, кВт
G – массовый расход теплоносителя, кг/с
t – температура, °С
x – концентрация раствора, %
I – энтальпия, кДж/кг
- температурная депрессия, °С
ρ – плотность, кг/м³
c – теплоемкость, кДж/кгК
К – коэффициент теплопередачи
- коэффициент местного сопротивления трубопровода
- коэффициент трения
- относительная шероховатость трубопровода
- динамическая вязкость, м²/с
- скорость потока м/с
Re – число Рейнольдса
- скорость паров, м/с
4.1 Расчет поверхности теплообмена выпарного аппарата.
Температура конденсации в барометрическом конденсаторе при
Примем гидравлическую депрессию
Тогда температура вторичного пара в сепараторе:
Давление вторичного пара в сепараторе:
Расчет температуры кипения раствора в сепараторе при давлении
(1)
- температурная депрессия раствора
(2)
– температура кипения при Р=0,038МПа
(2)
(1)
Гидростатическое давление столба кипящего раствора
(3)
Примем
Давление в трубах греющей камеры
(4)
(3)
(4)
Свойства насыщенного водяного пара при
Температурная депрессия в греющей камере
(2)
Температура кипения в трубах греющей камеры
(5)
Расход вторичного пара
(6)
Расход тепла на нагревание поступающего раствора
(7)
(8)
Расход тепла на испарение
(9)
Полезное тепло
(10)
Потерянное тепло
(11)
Затраченное тепло
(12)
Полезная разность температур
(13)
Поверхность теплопередачи
(14)
Рассчитаем численные значения затраченного тепла и поверхность теплопередачи:
(6)
(7)
(8)
, (9)
(10)
(11)
(12)
Температура греющего пара при
t=119.6°C
, (13)
(14)
Поверхность теплообмена рассчитывается по формуле:
(1)
(2)
(3)
, (4)
где - затраченное тепло, - полезное тепло, - потерянное тепло,
- расход тепла на нагревание, - расход тепла на испарение.
(5)
где - расход начального раствора, - теплоемкость начального раствора
(6)
где х – массовая доля в растворе
, (7)
где - температура кипения раствора в сепараторе, - энтальпия насыщенного пара при давлении в сепараторе, - расход вторичного пара, - теплоёмкость воды при температуре кип. раствора в сепараторе:
(8)
, (9)
- температура горячего пара, - температура кипения в трубах
4.2 Расчет поверхности теплообмена кожухотрубчатого теплообменника.
Поверхность теплообмена рассчитывается по формуле:
(17)
Определение тепловой нагрузки:
(18)
Определение средней разности температур:
Если разности температур теплоносителей одинаковы или мало отличаются, то (19)
Поправочный коэффициент выбираем по таблице.
Значение коэффициента теплопередачи
Подставим численные значения
(17)
(18)
(15)
4.3 Расчет барометрического конденсатора
Расход охлаждающей воды
, (20)
- энтальпия паров в барометрическом конденсаторе (),
- начальная температура охлаждающей воды (принимаем ),
- конечная температура смеси воды и конденсата.
Разность температур между паром и жидкостью на выходе их конденсатора должна быть 3-5°С. Поэтому конечную температуру на выходе из конденсатора берем на три градуса ниже:
(21)
Диаметр конденсатора.
, (22)
где - плотность паров кг/м³; - скорость паров
При остаточном давлении паров в конденсаторе порядка Па, скорость паров принимаем
Расчет барометрической трубы.
Высота барометрической трубы рассчитывается по формуле:
, (23)
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па
0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м
(24)
(25)
(26)
Скорость воды в барометрическом конденсаторе
(27)
Подставим численные значения:
(20)
(21)
(22)
По полученному значению подбираем стандартный конденсатор с d=1000мм.
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)
В данном курсовом проекте описан процесс выпаривания раствора CaCl2.
Дано описание технологической схемы и указано назначение ее основных аппаратов, указана сущность, значение и области применения данного процесса.
Определены геометрические размеры выпарного аппарата (F=40м², D=800мм), в качестве вспомогательного оборудования взят кожухотрубчатый теплообменник. Рассчитана поверхность теплообмена (F=221м²) и выбран теплообменник D=1000мм с числом ходов n=1.
Сделан подробный расчет барометрического конденсатора. Определены его геометрически размеры (D=1000мм, Н=15м).
6. Список литературы
1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. Технические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. – М. Химия, 1992г.406с
2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. – М. Химия, 1992г.406с
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химический технологии. – Л. Химия, 1991г.-272с
4. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по курсовому проектированию/ под ред. Дытнерского Ю.И. – М.Химия, 1991г.-272с
5. Перцев Л.П. Ковалев Е.М. Фокин В.С. Трубчатые выпарные аппараты для кристаллизующихся растворов. – М.Машиностроение, 1982г.