Министерство образования и науки Украины

Национальный Технический Университет

«Харьковский Политехнический Институт»

Кафедра Общей химической технологии, процессов и аппаратов
Курсовой проект
Тема проекта:

Расчет трехкорпусной выпарной установки непрерывного действия
Проектировал студент

Шорин В. В..

гр. Н-48

Руководитель проекта

Новикова Г. С.
Харьков 2010 г.


Введение
Технологическая схема выпарной установки

В химической промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Принципиальная технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рис.1.1.

Исходный раствор подается из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3 в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки.

Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в третий корпус 6 , обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в емкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в котором при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в конденсаторе) и через не плотности трубопроводов, отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом.

Смесь охлаждающей воды и конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9.Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков.

Выбор выпарных аппаратов

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами раствора.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа∙с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Растворы чувствительные к повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию – в прямоточных аппаратах с восходящей пленкой.

Типы и основные размеры выпарных аппаратов представлены в ГОСТ 11987–81, и каталогах УКРНИИХИММАШа [11,12].





Задание на расчет выпарной установки

Цель расчета выпарной установки – расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеров основного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего в технологическую схему установки.

Задание на курсовое проектирование

Рассчитать и спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для концентрирования водного раствора  по следующим данным:

1.        Производительность установки по исходному раствору –8000 кг/ч;

2.        Концентрация раствора: начальная – 5% масс.; конечная – 15 % масс.;

3.        Давление греющего пара –Р=0,4 МПа;

4.        Давление в барометрическом конденсаторе –,Р=0,0147 МПа;

5.        Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения;

6.        Схема выпаривания - прямоточная; циркуляция естественная




1.      
Определение

поверхности

теплопередачи выпарных аппаратов
Технологический расчёт выпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи
,           (1.1)
где  – поверхность теплопередачи, м²;

 – тепловая нагрузка, Вт;

 – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К);

 – полезная разность температур, К.

Для определения тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезных разностей температур необходимо знать распределение упариваемой воды, концентрации растворов по корпусам и их температуры кипения. Первоначально определим эти величины по материальному балансу, в дальнейшем уточним их по тепловому балансу.
1.1 Расчёт концентраций выпариваемого раствора
Производительность установки по выпариваемой воде определяем по формуле:
,           (1.2)
где  – производительность по выпаренной воде, кг/с;

 – производительность по исходному раствору, кг/с;

 – соответственно начальная и конечная концентрация раствора, масс. доли,


 кг/с.
На основании практических данных принимаем, что выпариваемая вода распределяется между корпусами в соотношении

Тогда:








Проверка:


W₁+
W₂+
W₃=
W=0,45+0,49+0,54=1,76 кг/с.

Рассчитываем концентрации растворов в корпусах:









Концентрация раствора в третьем корпусе  соответствует заданной концентрации упаренного раствора .
1.2 Определение температур кипения раствора
Температура кипения раствора в корпусе  определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса  и температурных потерь
, (1.3)
где  – соответственно температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, К.


Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆P распределяется между корпусами поровну:
,           (1.4)
где P_Г1 – давление греющего пара в первом корпусе, МПа;

P_бк – давление в барометрическом конденсаторе, МПа.

Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет:


P_Г1=0,4МПа

P_Г2 = P_Г1 – ∆P = 0,4 – 0,1284 = 0,2716 МПа

P_Г3 = P_Г2 – ∆P = 0,2716 – 0,1284 = 0,1432 МПа

P_бк = P_Г3 – ∆P = 0,1432 – 0,1284 = 0,0148 МПа


По давлению греющего пара находим его температуру и теплоту парообразования  (табл. 2.1) по корпусам.
Таблица 1.1 – Температуры и теплоты парообразования



1.2.1 Определение температурных потерь

Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной , гидростатической  и гидродинамической  депрессиями.

а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают  = 1,0 – 1,5 ºС на корпус. Примем  = 1 ºС, тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:


t_вп1 = t_Г2 +  = 129,78+1=130,78 ºС

t_вп2 = t_Г3 +  = 110,4+1=111,4С

t_вп3 = t_бк + =53,71+1=54,71 ºС
Сумма гидродинамических депрессий:
 ºС


По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2.2).
Таблица 1.2 – Давления и теплоты парообразования




б) Гидростатическая депрессия  обусловливается наличием гидростатического эффекта, заключающегося в том, что вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата температура кипения раствора по высоте труб неодинакова. Величина  не может быть точно рассчитана ввиду того, что раствор в трубах находится в движении, причем величина  зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб. Приблизительно расчет  возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильных труб. Величина  определяется как разность температуры кипения в среднем слое труб  и температуры вторичного пара ():
              (1.5)
Для того, чтобы определить  нужно найти давление в среднем слое (P_ср) и по этому давлению определить температуру в среднем слое (по таблице свойств насыщенного водяного пара). Плотность парожидкостной эмульсии в трубах при пузырьковом режиме кипения принимается равной половине плотности раствора. Плотность раствора (при 100 °С) определяется в зависимости от концентрации раствора в корпусе.

Давление в среднем сечении кипятильных труб (в МПа) равно сумме давлений вторичного пара в корпусе и гидростатического давления столба жидкости (∆P_ср ) в этом сечении трубы длиной H:


P_ср =
P_вп + ∆
P_ср =
P_вп +
Для выбора значения H нужно ориентировочно определить поверхность теплопередачи выпарного аппарата. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q
 = 10000 ÷ 30000 Вт/м². Примем q = 10000 Вт/м². Тогда поверхность теплопередачи первого корпуса ориентировочно будет равна:

По ГОСТ 11987—81 для выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой ближайшая будет поверхность – 63 м² при диаметре труб 38x2 мм и длине труб Н = 4000 мм.


Давления в среднем слое кипятильных труб корпусов равны:


P_1ср =
P_вп1 + МПа

P_2ср =
P_вп2 + МПа

P_3ср =
P_вп3 + МПа


Этим давлениям соответствуют следующие температуры кипения и теплоты парообразования (табл. 1.3):
Таблица1.3 – Температуры кипения и теплоты парообразования



Определяем гидростатическую депрессию по корпусам





Сумма гидростатических депрессий составляет:

в) Температурная депрессия определяется по уравнению:



, (1.6)
где Т_ср =(t_ср + 273), К;

 – температурная депрессия при атмосферном давлении, ºС;

 – теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

Определяется величина  как разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя (воды) при атмосферном давлении. Температуры кипения раствора при атмосферном давлении в зависимости от концентрации даны в справочной литературе.

Находим значение  по корпусам:
 ºС

 ºС

 ºС
Сумма температурных депрессий равна:

Тогда температуры кипения растворов по корпусам равны:
 ºС

 ºС

 ºС

1.8 Определение толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции  находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:
,                            (1.22)
где  – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции к воздуху, Вт/(м² К) ;

 – температура изоляции со стороны воздуха, °С; Для аппаратов, работающих внутри помещения  выбирают в пределах 35 ÷ 45 ºС, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время – в интервале 0 ÷ 10 ºС.;

 – температура изоляции со стороны аппарата, ºС (температуру t_ст1 можно принимать равной температуре греющего пара, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции);

 – температура окружающей среды (воздуха), ºС;

 – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мК).

В качестве изоляционного материала выбираем совелит, который содержит 85% магнезии и 15 % асбеста. Коэффициент теплопроводности совелита

Толщина тепловой изоляции для первого корпуса:

Такую же толщину тепловой изоляции принимаем для второго и третьего корпусов.


2. Расчет вспомогательного оборудования
2.1 Расчет барометрического конденсатора
Для создания вакуума в выпарных установках применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качество охлаждающего агента используют воду, которая подается в конденсатор чаще всего при температуре окружающей среды (около 20 ºС). Смесь охлаждающей воды и конденсата выходит из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянного вакуума в системе вакуум-насос постоянно откачивает неконденсирующиеся газы.
2.1.1 Определение расхода охлаждающей воды

Расход охлаждающб ей воды G_в (в кг/с) определяем из теплового баланса конденсатора:
, (2.1)
где  – энтальпия пара в барометрическом компенсаторе, кДж/кг;

 – теплоёмкость воды, кДж/(кг К);

С _в =4190 кДЖ/(кгК);

- начальная температура охлаждающей воды, ºС;

t _н = 10 20 ºС

 - конечная температура смеси воды и конденсата, ºС.

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора составляет 3 ÷ 5 град., поэтому конечную температуру воды  принимают на 3 ÷ 5 град. ниже температуры конденсации паров:


 ºС
Тогда

2.1.2 Расчет диаметра барометрического конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора ‚ определяем из уравнения расхода
,          (2.2)
где  – плотность пара, кг/м³ выбираемая по давлению пара в конденсаторе P_бк;

 – скорость пара, м/с, принимаемая в пределах 15 ÷ 25 м/с.

По нормалям НИИХИММАШа подбираем барометрический конденсатор диаметром d_бк = 600 мм с диаметром трубы d_бт = 150 мм.
2.1.3 Расчет высоты барометрической трубы

Скорость воды в барометрической трубе



Высота барометрической трубы
,          (2.3)
где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

 – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

 – коэффициент трения в барометрической трубе;

 – высота и диаметр барометрической трубы, м;

0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления.


,
где  – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.

Коэффициент трения  зависит от режима движения воды в барометрической трубе. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

где  – вязкость воды, Па∙с, определяемая по номограмме при температуре воды t_ср.

Для гладких труб при Re = 123250,



2.2 Расчёт производительности вакуум – насоса
Производительность вакуум-насоса G_возд определяется количеством воздуха, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:
,                        (2.4)
где 2,5∙10^-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через уплотнения на 1 кг паров. Тогда



Объёмная производительность вакуум-насоса
,    (2.5)
где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К);

M_в – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;

t_в – температура воздуха, ºС;

Р_в – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.

Температура воздуха
 ºС


давление воздуха



,        (2.6)
где Р_п – давление сухого насыщенного пара при t_в, Па. При температуре воздуха 27,07ºС, Р_п = 0,038∙9,8∙10⁴ Па.
.
Тогда

Зная объёмную производительность воздуха  и остаточное давление в конденсаторе Р_бк, по каталогу подбираем вакуум-насос типа ВВН – 3 мощность на валу .

Удельный расход энергии на тонну упариваемой воды, ,
.
2.3 Определение поверхности теплопередачи подогревателя
Поверхность теплопередачи подогревателя (теплообменника) F_п ,м² определяем по основному уравнению теплопередачи:
,              (2.7)


где  – тепловая нагрузка подогревателя, Вт определяется из теплового баланса теплообменника:  К_п – коэффициент теплопередачи, Вт/(м К), К_п = 120 ÷ 340;

 – средняя разность температур между паром и раствором, ºС;

 – количество начального раствора, кг/с, и его теплоёмкость, Дж/(кг∙К);

 – начальная температура исходного раствора, ºС;

 – температура раствора на выходе из теплообменника, ºС, равная температуре с которой раствор входит в первый корпус.


t_1н = 143,6ºС пар t_1к = 143,6ºС

t_2н = 20ºС раствор t_2к = 129,9ºС

 

Так как отношение , то величину  определим как среднелогарифмическую:

Тогда поверхность теплообменника

Площадь поверхности теплопередачи теплообменника принимается на 10—20 % больше расчетной величины:



На основании найденной поверхности по ГОСТ 15122 – 79 выбираем кожухоторубчатый одноходовой теплообменник с такими параметрами: площадь поверхности теплопередачи F
 = 65 м² , число труб n = 283 длина труб l = 3 м, диаметр труб 25 х 2 мм, диаметр кожуха D = 600 мм .
2.4 Расчёт центробежного насоса
Основными типами насосов, используемых в химической технологии, являются центробежные, осевые и поршневые. Для проектируемой выпарной установки используем центробежный насос. При проектировании обычно возникает задача определения необходимого напора Н и мощности N при заданной подаче (расходе) жидкости Q, перемещаемой насосом. Далее по найденному напору и производительности насоса определяем его марку, а по величине мощности на валу – тип электродвигателя к насосу.

Мощность на валу насоса, кВт,
,      (2.8)
где Q – производительность насоса, м³/c;

Н – напор, развиваемый насосом, м;

 – к.п.д. насоса,  = 0,4 ÷ 0,9;

 – к.п.д. передачи (для центробежного насоса  = 1).

Напор насоса
,   (2.9)


где Р₁ – давление жидкости для исходного раствора (атмосферное), Па; Р₂ – давление вторичного пара в первом корпусе, Па;

Н_Г – геометрическая высота подъема раствора, м,

Н _Г = 8 ÷ 15 м; h_п – напор, теряемый на преодоление гидравлических сопротивлений (трения и местных сопротивлений) в трубопроводе и теплообменнике, м.

Потери напора


,                (2.10)
где  и  – потери напора соответственно в трубопроводе и в теплообменнике, м. В связи с громоздкостью расчета потери напора в теплообменнике можно не рассчитывать и принимать их в пределах , в зависимости от скорости движения раствора в трубах теплообменника, длины, количества труб и числа ходов теплообменника;

w – скорость раствора, м/с, w = 0,5 ÷ I,5 м/с;

l и d – длина и диаметр трубопровода, м; l = 10 ÷ 20 м;

 – коэффициент трения;

 – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Определим диаметр трубопровода из основного уравнения расхода:



Для определения коэффициента трения  рассчитываем величину Rе:


,            (2.11)
где  плотность, кг/м³ и вязкость, Па∙с исходного раствора; при концентрации x = 5%;

Для гладких труб при Re = 49168 по задачнику

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений :

Коэффициент местных сопротивлений равны:

вход в трубопровод  = 0,5;

выход из трубопровода  = 1,0;

колено с углом 90º (дл--+я трубы d = 54 мм);  = 1.1;

вентиль прямоточный  =  (для трубы d
 = 24,6 мм);
;
Примем потери напора в теплообменнике  и  аппарата плюс 2 метра,Н_Г = 6,5 + 2 = 8,5 м.



Тогда, по формулам (2.8) и (2.9)
;

.
По приложению табл. П11 устанавливаем, что данным подаче и напору больше всего соответствует центробежный насос марки X8/30, для которого в оптимальных условиях работы Q = 2,4 10^-3 м³/с, H = 30 м. Насос обеспечен электродвигателем АО2 – 32 – 2 номинальной мощностью N
 = 4 кВт.

По мощности, потребляемой двигателем насоса, определяем удельный расход энергии:

2.5 Расчёт объёма и размеров емкостей
Большинство емкостей представляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндрические аппараты. При проектировании емкостей основными руководящими документами являются нормали и Государственные стандарты.

По номинальному объему аппарата выбирают его основные конструктивные размеры (диаметр, высоту), которые должны соответствовать ГОСТ 9941 – 72, ГОСТ 9671 – 72.

Длина (высота) емкостей принимается равной (1 ÷1,5) D_н.

Расчет емкостей для разбавленного и упаренного раствора ведем из условий шестичасовой (сменной) работы выпарного аппарата, т.е. ч.

0бъём емкости для разбавленного (исходного) раствора


,                        (2.12)
где  – количество (кг/ч) и плотность (кг/м³) исходного раствора;

 – коэффициент заполнения емкости,  = 0,85 - 0,95. Для удобства работы устанавливаем три емкости объемом 20м³. Принимаем диаметр емкости равным D = 2,6м. Тогда длина ее l = 3,8, м.

Объем емкости упаренного раствора
,                     (2.13)
где  – количество (кг/ч) и плотность (кг/м³) упаренного раствора.

Устанавливаем емкость объемом 8 м³ диаметром 2 м и длиной 2,6 м.
3.6 Определение диаметра штуцеров
Штуцера изготовляют из стальных труб необходимого размера. По ГОСТ 9941 – 62 применяют трубы следующих диаметров:

14, 16, 18, 20, 22, 25, 32, 38, 45, 48, 57, 70, 76, 90, 95, 108, 133, 159, 194, 219, 245, 273, 325, 377, 426.

Диаметр штуцеров определим из основного уравнения расхода:
, (2.14)
где V_c – расход раствора или пара, м³/с; w – средняя скорость потока, м/с. Диаметр штуцера для разбавленного раствора



Диаметр штуцера для упаренного раствора

Диаметр штуцера для ввода греющего пара в первом корпусе
, (2.15)
где  – расход пара, кг/с;  – плотность пара при давлении его Р_Г1, кг/м³; (при Р_Г1 = 0,4 МПа  = 2,16 кг/м³).
2.7 Подбор конденсатоотводчиков
Для отвода конденсата и предотвращения проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками. Расчет и подбор стандартного поплавкового конденсатоотводчика по ГОСТ 15112 – 69 заключается в определении диаметра условного прохода по максимальному коэффициенту пропускной способности k и в выборе по найденной величине D_у конструктивных размеров аппарата [3].

Значение максимального коэффициента пропускной способности определяется в зависимости от расхода конденсата в (т/ч) и перепада давлений  (кгс/см²) между давлением до конденсатоотводчика и после него:


                 (2.16)
Давление до конденсатоотводчика Р₁ следует принимать равным 90 – 95 % от давления греющего пара, поступающего в аппарат, за которым установлен конденсатоотводчик; давление после конденсатоотводчика принимается в зависимости от его типа и от величины давления в аппарате, но не более 40 % этого давления.


P₁ = 3,92∙0,9 = 3,53 кгс/см²;

P₁ = 3,92∙0,4 = 1,568кгс/см²;

 =3,92– 1,568= 2,35 кгс/см².
Количество конденсата G равняется количеству пара, поступающего в греющую камеру аппарата, т.е. G = 0,2286 кг/с = 0,823 т/ч.

Тогда

Согласно зависимости при К = 2,11 т/ч конденсатоотводчик должен иметь диаметр условного прохода D_у = 32 мм. По этой величине диаметра условного прохода выбираем конструктивные размеры конденсатоотводчика.


Список источников информации
1. Касаткин А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии: Химия, I97I. 784 с.

2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976. 550 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. - М.: Химия, 1983. 272 с.

4. Методические указания к выполнению курсового проекта «Расчет выпарной установки» по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» -Харьков- НТУ«ХПИ»,2004.55с.