Расчет и проектирование выпарной установки для выпаривания раствора гидроксида натрия

Факультет _______________________________________________________

Кафедра _________________________________________________________

Специальность ____________________________________________________

Специализация ____________________________________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОГО ПРОЕКТА

по  дисциплине Процессы и аппараты химической технологии

 

Тема  Расчет и проектирование выпарной установки для выпаривания раствора гидроксида натрия

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель

Студент(ка)_____ курса группы____   __________      __________________

                                                                       подпись, дата            инициалы и фамилия

 

Руководитель

_________________________________         ____________      _________________

должность, ученая степень, ученое звание                                     подпись, дата               инициалы и фамилия

 

 

 

 

Курсовой  проект защищён с оценкой_______________ Руководитель_________________                           _______________

                                          подпись                                                    инициалы и фамилия

 

 

 

 

 

 

 

Задание

 

Реферат

Пояснительная записка к курсовому проекту содержит 40 стр., 5 рис., 8 табл.,  8 источников.

ВЫПАРИВАНИЕ, ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА, КОЭФФИЦИЕНТ  ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ, ПОВЕРХНОСТЬ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ, ГРЕЮЩИЙ ПАР, БАРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР, ТЕПЛООБМЕННИК, ТЕПЛОВОЙ ПОТОК

Цель работы – рассчитать и спроектировать выпарную установку  для выпаривания водного раствора гидроксида натрия. В работе приведено описание и обоснование технологической схемы процесса, а также основного и вспомогательного оборудования. Выполнен подробный расчет выпарного аппарата, а также расчеты барометрического конденсатора, насоса, вакуум-насоса и подбор их по стандартам.

Графическая часть включает:

− технологическая схема  – 1 лист А1;

− общий вид основного  аппарата – 1 лист А1.

 

Содержание

 

Введение 5

1 Обоснование и  описание установки 6

1.1 Обоснование установки 6

1.2 Описание технологической  схемы 7

2 Описание конструкции  и принципа действия выпарного  аппарата 9

3 Описание конструкции  и принципа действия вспомогательного  оборудования 12

3.1 Барометрический  конденсатор 12

3.2 Насос для подачи  исходной смеси 13

3.3 Теплообменники  для подогрева исходной смеси 14

3.3 Вакуумный насос 15

4 Расчет выпарной  установки 17

4.1 Концентрации упариваемого  раствора 17

4.2 Температуры кипения  растворов 18

4.3 Полезная разность  температур 22

4.4 Определение тепловых  нагрузок 23

4.5 Выбор конструкционного материала 24

4.6 Расчет коэффициента  теплопередачи 24

4.7 Распределение полезной  разности температур 28

4.8 Уточненный расчет  поверхности теплопередачи 29

4.9 Определение толщины  тепловой изоляции 31

5 Подбор вспомогательного  оборудования 32

5.1 Подбор подогревателя  исходной смеси 32

5.2 Расчет барометрического  конденсатора 35

5.3 Расчет производительности  вакуум-насоса 38

5.4 Расчет трубопроводной  сети и выбор насоса 38

Заключение 42

Список использованных источников 43

 

 

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 [1].

 

1 Обоснование  и описание установки

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

КП 000000 01 ПЗ

Разраб.

Кажарнович О.Ю.

Провер.

Вилькоцкий А.А.

 Реценз.

 

Н. Контр.

 

Утверд.

Вилькоцкий А.А.

 

 

Обоснование и описание установки

Лит.

Листов

3

БГТУ

7140613

1.1 Обоснование установки

Выберем схему непрерывно действующей установки, так как  она обеспечивает высокую производительность и меньшие затраты по сравнению  с периодической схемой [1].

При выпаривании осуществляется прямоточное движение греющего пара и раствора, что не требует установки  насосов для перекачки раствора из корпуса в корпус.

По заданию на проектирование число корпусов в установке равно  трем. В такой установке расход первичного пара на выпаривание значительно меньше, чем в однокорпусной установке и меньшая полезная разность температур приходится на каждый корпус, следовательно, тем больше, при одной и той же производительности, общая поверхность нагрева выпарной установки [3].

Процесс выпаривания будем осуществлять в аппарате с принудительной циркуляцпей, соосной греющей камерой. В таких аппаратах поддерживается высокая интенсивность выпаривания за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре. Скорость циркуляции в аппарате позволяет выпаривать концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхностей теплообмена. В таких аппаратах также достигается некоторая экономия металла на единицу поверхности теплопередачи [4].

Процесс выпаривания будем  осуществлять под вакуумом, поскольку  при этом температура выпариваемого  раствора будет меньше, чем при  избыточном давлении и следовательно  необходимо меньше энергозатрат на работу такой установки. Создание вакуума  обеспечивается вакуум-насосом [3].

Для конденсации водяного пара используем барометрический конденсатор, так как он обладает простой конструкцией и обеспечивает высокие степени разрежения. В качестве теплообменника, как вспомогательного оборудования выберем кожухотрубчатый теплообменник, так как он прост в изготовлении и эксплуатации.

В качестве насоса, подающего  исходный раствор в выпарной аппарат выберем центробежный, т.к. данный тип насосов относится к основным типам насосв применяемых в химической технологии [1].

Преимущества  центробежных насосов по сравнению  с насосами других типов:

высокие значения напоров Н и высокие значения КПД сохраняются в широком  диапазоне подач Q; большая частота  вращения, что позволяет в качестве привода для насосов использовать электродвигатели и турбины; плавная  форма изменения мощности N, что  позволяет выполнить пуск насоса при закрытой выходной

 

задвижке (или  при закрытом обратном клапане); устойчивость в работе насосов и расширение технических показателей Н и Q при последовательном и параллельном соединении насосов при работе на один трубопровод; плавное протекание переходных процессов при изменении режима работы гидросистемы; расположение насоса выше уровня жидкости в расходной емкости; изменение показателей насосов H, Q, η за счет различных факторов: обточки диаметра рабочего колеса, изменения частоты вращения, изменения частоты электроснабжения и др.; невысокая стоимость насоса из-за использования в конструкции насоса сравнительно дешевых конструкционных материалов: сталь, чугун, полимерные материалы; простота технического обслуживания и эксплуатации; высокая надежность в работе; большие подачи жидкости Q; равномерный с малыми пульсациями давления поток жидкости; возможность успешной работы на «загрязненных» жидкостях [5,6].

1.2 Описание технологической схемы

Технологическая схема  выпарной установки представляет собой  систему выпарных аппаратов, барометрического конденсатора, теплообменников, насосов, емкостей для исходного и упаренного растворов, конденсатоотводчиков и  трубопроводов участвующих в  процессе выпаривания раствора. Упрощенная технологическая схема проектируемой установки приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 2.1 – Упрощенная технологическая схема

Согласно прямоточной  схеме проектируемой установки  исходный раствор подается насосом Н в кожухотрубчатый подогреватель П, где нагревается до температуры кипения. В качестве горячего теплоносителя используется насыщенный водяной пар. Предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус АВ1, обогреваемый свежим, (первичным) паром. Вторичный пар первого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус АВ2, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом. Обогрев третьего корпуса АВ3 осуществляется вторичным паром из второго корпуса.

Ввиду более низкого давления во второй корпусе раствор, упаренный  в первом корпусе, перемещается самотеком  во второй корпус и здесь охлаждается  до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при  этом тепла образуется дополнительно  некоторое количество вторичного пара (самоиспарение раствора).

Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае третьего) отводится в барометрический конденсатор БК, в котором при конденсации пара создается требуемое разряжение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку главным образом с охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель вакуум-насосом НВ.

С помощью вакуум-насоса НВ поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезности разности температур, определяемой разностью  температур греющего пара и кипящего раствора. Это условие легко достигается  путем понижения рабочего давления по направлению от первого корпуса  к последнему. С этой целью исходный раствор в первом корпусе обогревается водяным насыщенным паром, который  поступает в межтрубное пространство нагревательной камеры под давлением. 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

КП 000000 02 ПЗ

Разраб.

Кажарнович О.Ю.

Провер.

Вилькоцкий А.А.

 

 Реценз.

 

Н. Контр.

 

Утверд.

Вилькоцкий А.А.

 

 

 

Описание  конструкции и принципа действия выпарного аппарата

Лит.

Листов

3

БГТУ

7140613

2 Описание конструкции  и принципа действия выпарного  аппарата

Схема аппарата приведена  на рисунке 2.1. Аппарат состоит из греющей камеры 1, сепаратора 2 с отбойником 3 и брызгоотделителем 4, трубы вскипания 5 циркуляционного насоса 6 с электроприводом 7 и циркуляционной трубы 8 с соединительным коленом 9.

Кипение раствора происходит в трубе вскипания, установленной  над греющей камерой. Кипение  в греющих трубах предотвращается  за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания [4].

Циркуляция раствора в  аппарате осуществляется осевым насосом  по замкнутому контуру: сепаратор - циркуляционная труба - насос - греющая камера - сепаратор. Для предотвращения попадания в  циркуляционный контур крупных кристаллов, выделяющихся в процессе кипения  раствора, в сепараторе имеются перегородки  для их осаждения.

Соль и упаренный раствор  выводятся через штуцер Д. Раствор  подают в аппарат через штуцер Г. Уровень раствора в аппарате должен поддерживаться по верхней кромке трубы  вскипания.

Снижение уровня вызывает увеличение расхода мощности насоса. Циркуляционный насос обеспечивает скорость потока в трубах 2...2,5 м/с. при  напоре 0,3...0,35 кгс/см.

Для наблюдения за работой  аппарата предусмотрены смотровые  окна; для установки манометров и  термометров имеются бобышки.

Аппарат рассчитан на непрерывную  и периодическую работу.

Для создания циркуляции в  выпарных аппаратах применяют осевые циркуляционные насосы марок ОХ2-23Г; ОХ6-34ГА; ОХ6-34Г; ОХ6-46Г; ОХ6-54Г; ОХ6-70Г и  ОХ6-87Г.

Насосы ‒ одноступенчатые консольные, горизонтальные, с приводом от электродвигателя через упругую муфту.

В корпусе в двух подшипниковых  опорах, которые воспринимают осевые и радиальные нагрузки, установлен ротор насоса. На консольной части  ротора укреплено лопастное рабочее колесо с поворотными лопастями. Уплотнение вала насоса - сальник с кислотостойкой набивкой типа АСВ. Вокруг вала в проточной части насоса расположена камера для охлаждения вала и сальника водой, подаваемой в камеру под давлением, на 1 кгс/см" превышающим давление в корпусе насоса.

Направление вращения ротора - по ходу часовой стрелки, если смотреть со стороны всасывания.

Насос устанавливают в  нижней части циркуляционного контура выпарного аппарата при помощи фланцевых соединений. Он является неотъемлемой частью аппарата с принудительной циркуляцией.