Технологическая схема выпарной установки
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
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 неплотности 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
Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в… Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа∙с) без образования кристаллов, чаще всего используют…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 раствора хлористого натрия по следующим данным:
1. Производительность установки по исходному раствору –10 т/ч;
2. Концентрация раствор: начальная – 4 % масс.; конечная – 14 % масс.;
3. Давление греющего пара – 0,4 МПа;
4. Давление в барометрическом конденсаторе – 0,02 МПа;
5. Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения.
2 Определение поверхности теплопередачи
выпарныхаппаратов
Технологический расчёт выпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи
, (2.1)
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.
2.1 Расчёт концентраций выпариваемого раствора
Производительность установки по выпариваемой воде определяем по формуле:
, (2.2)
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; 0,6 + 0,66 + 0,72 = 1,98 кг/с.
Рассчитываем концентрации растворов в корпусах:
Концентрация раствора в третьем корпусе 
должна соответствовать заданной концентрации упаренного раствора 
.
Определение температур кипения раствора
Температура кипения раствора в корпусе определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса и температурных потерь , (2.3) где – соответственно температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, К.Определение температурных потерь
Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной , гидростатической и гидродинамической депрессиями. а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление…Определение тепловых нагрузок
(2.7) Так как , а , то (2.8)Выбор конструкционного материала
В качестве конструкционного материала выбираем стойкую в среде кипящего раствора NaCl в диапазоне рабочих концентраций сталь марки Х18Н10Т. Коэффициент теплопроводности этой стали 25,1 Вт/м∙К.
Расчет коэффициентов теплопередачи
(2.13) Коэффициент теплопередачи К в [Вт/(м2 К)] можно рассчитать по уравнению: , (2.14)Распределение полезной разности температур
, (2.21) где – общая полезная разность температур выпарной установки; – отношение…Определение толщины тепловой изоляции
, (2.22) где – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции к воздуху,… В качестве изоляционного материала выбираем совелит, который содержит 85% магнезии и 15 % асбеста. Коэффициент…РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
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.
Определение расхода охлаждающей воды
, (3.1) где – энтальпия пара в барометрическом компенсаторе, кДж/кг; – теплоёмкость… Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора составляет 3 ÷ 5 град., поэтому конечную…Расчет диаметра барометрического конденсатора
Диаметр барометрического конденсатора 
‚ определяем из уравнения расхода
, (3.2)
где 
– плотность пара, кг/м3 выбираемая по давлению пара в конденсаторе Pбк; 
– скорость пара, м/с, принимаемая в пределах 15 ÷ 25 м/с.
По нормалям НИИХИММАШа подбираем барометрический конденсатор диаметром dбк = 600 мм с диаметром трубы dбт = 150 мм.
Расчет высоты барометрической трубы
Высота барометрической трубы , (3.3)Определение поверхности теплопередачи подогревателя
Поверхность теплопередачи подогревателя (теплообменника) Fп ,м2 определяем по основному уравнению теплопередачи: , (3.7) где – тепловая нагрузка подогревателя, Вт определяется из теплового баланса теплообменника: Кп – коэффициент…Определение диаметра штуцеров
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: , (3.14)Подбор конденсатоотводчиков
Значение максимального коэффициента пропускной способности определяется в… (3.16)Список источников информации
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… 4. Справочник химика. М.-Л.: Химия, 1964. Т.3. 1007 с., 1966. Т.5. 974 с.ПРИЛОЖЕНИЯ
(Пересчет в СИ: 1кгс/см2 = 9,81.104 Па) P , кгс/см2 t, °С r, кг/м3 а∙107, м2/с … Таблица П 2 Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от температурыТаблица П 11 Техническая характеристика центробежных насосов
| Марка | Q, м3/с | Н, м.ст. жидкости | n, 1/с | 
| Электродвигатель | ||
| тип |  ,кВт
| 
| |||||
| Х 2/25 | 4,2∙10-4 | – | АОЛ–12–2 | 1,1 | – | ||
| Х 8/30 | 2,4∙10-3 | 17,7 | 48,3 | 0,5 | АО2–32–2 – ВАО–32–2 | – 0,83 | |
| Х 20/18 | 5,5∙10-3 | 10,5 13,8 | 48,3 | 0,6 | АО2–31–2 – ВАО–31–2 | – 0,82 | |
| Х 20/31 | 5,5∙10-3 | 48,3 | 0,55 | АО2–41–2 – ВАО–41–2 | 5,5 5,5 | 0,87 0,84 | |
| Х 20/53 | 5,5∙10-3 | 34,4 | 48,3 | 0,5 | АО2–52–2 – ВАО–52–2 | 0,84 0,87 | |
| Х 45/54 | 1,25∙10-2 | 32,6 | 48,3 | 0,6 | АО2–62–2 АО2–71–2 АО2–72–2 | 0,88 0,88 0,89 |
Таблица П 12 Техническая характеристика центробежных многоступенчатых секционных насосов
| Марка | Q, м3/с | Н, м.ст. жидкости | n, 1/с | 
| , кВт
|
| ЦНС 13–70 | 3,61∙10-3 | 0,48 | 5,4 | ||
| ЦНС 38–44 | 1,05∙10-2 | 0,67 | 7,0 | ||
| ЦНС 38–66 | 1,05∙10-2 | 0,67 | 10,5 | ||
| ЦНС 60–50 | 1,67∙10-2 | 0,67 | 13,0 | ||
| ЦНС 60–75 | 1,67∙10-2 | 0,67 | 19,5 |
Таблица П 13 Техническая характеристика вакуум-насосов типа ВВН
| Типоразмер | Остаточное давление, мм.рт.ст. | Производительность, м3/мин | Мощность на валу, кВт |
| ВВН–0,75 | 0,75 | 1,3 | |
| ВВН–1,5 | 1,5 | 2,1 | |
| ВВН–3 | 6,5 | ||
| ВВН–6 | 12,5 | ||
| ВВН–12 | |||
| ВВН–25 | |||
| ВВН–50 |
Таблица П 14 Характеристика осевых циркуляционных насосов для выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией раствора
| Номинальная поверхность теплопередачи, м2, в трубах длиной 6,0 м, диаметром 38×2 мм | Марка насоса, обеспечивающая скорость циркуляции раствор не менее 2,0 м/с | Подача насоса, м3/с | Мощность электродвигателя, кВт |
| 25, 40 | ОХ2–23Г | 0,111 | |
| 63, 100 | ОХ6–34Г | 0,278 | |
| 125, 160 | ОХ6–34Г | 0,444 | |
| 200, 250 | ОХ6–46Г | 0,693 | |
| 315, 400 | ОХ6–54Г | 0,971 | |
| 500, 630 | ОХ6–70ГС–1 | 1,75 | |
| ОХ6–70ГС–2 | 2,22 | ||
| ОХ6–87Г–2 | 2,78 |
Таблица П 15 Типы выпарных трубчатых аппаратов (по ГОСТ 11987—81)
| Тип | Наименование | Исполнение | Назначение |
| Выпарные трубчатые аппараты с естественной циркуляцией Выпарные трубчатые аппараты с принудительной циркуляцией Выпарные трубчатые аппараты пленочные | 1 — с соосной двухходовой греющей камерой 2-е вынесенной греющей камерой 3 — с соосной греющей камерой и солеотделением 1 — с вынесенной греющей камерой 2 — с соосной греющей камерой 1 — с восходящей пленкой 2 — со стекающей пленкой | Упаривание растворов, не образующих осадка на греющих трубках, а также при незначительных накипообразованиях на трубках, удаляемых промывкой Упаривание растворов, выделяющих незначительный осадок, удаляемый механическим способом Упаривание растворов, выделяющих кристаллы и образующих осадок, удаляемый промывкой Упаривание вязких растворов или выделяющих осадок на греющих трубках, удаляемый механическим способом Упаривание вязких чистых растворов, не выделяющих осадок, а также при незначительных накипообразованиях на трубках, удаляемых промывкой Упаривание пенящихся растворов Упаривание вязких и термонестойких растворов |
|
Шаг и размещение трубок в греющих камерах должны
соответствовать размерам, указанным ниже:
Диаметр трубки d, мм 38 57
Шаг разбивки t, мм 48 70
Таблица П 16 Основные размеры выпарных аппаратов (по ГОСТ 11987—81)
|
F — номинальная поверхность теплообмена; D — диаметр греющей камеры; D1 — диаметр сепаратора; D2 — диаметр циркуляционной трубы; H — высота аппарата; Н1—высота парового пространства; d — диаметр трубы; l — длина трубы; М — масса аппарата
Техническая характеристика выпарного аппарата
с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой
| Схема аппарата (тип 1, испол-нение 1): |
(тип 1, исполнение 1)
| F, м2 | D, мм, не менее | D1 мм, не более | D2 мм, не более | H мм, не более | M, кг, не более | |
| l=3000 мм | L=4000 мм | |||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — |
| 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – распределительная камера. |
Примечания. 1. Высота парового пространства H1 — не более
2000 мм. 2. Условное давление в греющей камере — от 0,014 до
1,6 МПа, в сепараторе — от 0,0054 до 1.0 МПа. 3. Диаметр трубы d=38X2 мм.
Техническая характеристика выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2)
|
| Схема аппарата (тип 1, исполнение 2): 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – Циркуляционная труба |
Примечания. 1. Высота парового пространства H1 — не более 2500 мм.
2. Условное давление в греющей камере — от 0,014 до 1 МПа, в сепараторе — от 0,0054 до 1.0 МПа. 3. Диаметр трубы d=38X2 мм.
| F, м2 | D, мм, не менее | D1 мм, не более | D2 мм, не более | H мм, не более | M, кг, не более | |
| l=4000 мм | l=5000 мм | |||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — |
Техническая характеристика выпарного аппарата с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и солеотделением (тип 1, исполнение 3)
| F, м2 | D, мм, не менее | D1 мм, не более | D2 мм, не более | H мм, не более | M, кг, не более | |
| l=4000 мм | l=6000 мм | |||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — |
|
Примечания. 1. Высота парового пространства H1 — не более 2500 мм. 2. Условное давление в греющей камере — от 0,014 до 1,6 МПа, в сепараторе — от 0,0054 до 1.6 МПа. 3. Диаметр трубы d=38X2 мм.
| Схема аппарата (тип 1, исполнение 3): 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – Циркуляционная труба |
Техническая характеристика выпарного аппарата с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 2, исполнение I)
| F, м2 | D, мм, не менее | D1 мм, не более | D2 мм, не более | H мм, не более | M, кг, не более |
| Схема аппарата (тип 2, исполнение 1): 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – Циркуляционная труба; 4 электро-насосный агрегат. |
Примечания. 1. Высота парового пространства H1 — не более 3000 мм. 2. Условное давление в греющей камере — от 0,014 до 1,6 МПа, в сепараторе — от 0,0054 до 1.0 МПа. 3. Диаметр трубы d=38X2 мм, длинна l=6000 мм.
Техническая характеристика выпарного аппарата с принудительной
циркуляцией и соосной греющей камерой (тип 2, исполнение 2)
| F, м2 | D, мм, не менее | D1 мм, не более | D2 мм, не более | H мм, не более | M, кг, не более |
| Схема аппарата (тип 2, исполнение 2): 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – Циркуляционная труба; 4 электро-насосный агрегат. |
Примечания. 1. Высота парового пространства H1 — не более 3000 мм. 2. Условное давление в греющей камере — от 0,014 до 1,6 МПа, в сепараторе — от 0,0054 до 1.0 МПа. 3. Диаметр трубы d=38X2 мм, длинна l=6000 мм
| F, м2 | D, мм, не менее | D1 мм, не более | H мм, не более | M, кг, не более | ||
| при d=38X2 мм | при d=57X2,7 мм, l=7000 мм | |||||
| l=5000 мм | l=7000 мм | |||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — | |||||
| — | — |
| Схема аппарата (тип 3, исполнение 1): 1 – греющая камера; 2 – сепаратор. |
 |
Примечания. 1. Высота парового пространства H1 — не более 2500 мм. 2. Условное давление в греющей камере — от 0,014 до 1,6 МПа, в сепараторе — от 0,0054 до 1.0 МПа.
Техническая характеристика выпарного аппарата со стекающей пленкой (тип 3, исполнение 2)
| F, м2 | D, мм, не менее | D1 мм, не более | H мм, не более | H1, мм, не более | M, кг, не более | |
| l=4000 мм | l=6000 мм | |||||
| 12,5 | ||||||
| 31,5 | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — | ||||||
| — |
Примечания. 1. Условное давление в греющей камере — от 0,014 до
1,6 МПа, в сепараторе — от 0,0054 до 1.0 МПа. 2. Диаметр трубы d=38X2
| Схема аппарата (тип 3, исполнение 2): 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; |
мм.
Таблица П 17 – Поверхностное натяжение σ (Н/м)
и плотность ρ (кг/м3) некоторых водных растворов
при различных концентрациях [в % (масс.)] и температурах
| Раствор | Температура, °С | σ (при t = var) / ρ (при t = const = 20 °С) | |||
| 5% | 10% | 20% | 50% | ||
| NаОН | 20/20 | 74,6∙10-3/1054 | 77,3∙10-3/1109 | 85,8∙10-3/1219 | —/1525 |
| NaC1 | 18/20 | 74,0∙10-3/1034 | 75,5∙10-3/1071 | —/1148 | —/— |
| Nа2SО4 | 18/20 | 73,8∙10-3/1044 | 75,2∙10-3/1092 | —/1192 | —/— |
| NaNO3 | 30/20 | 72,110-3/1032 | 72,8∙10-3/1067 | 74,7∙10-3/1143 | 79,8∙10-3/— |
| КСl | 18/20 | 73,6∙10-3/1030 | 74,8∙10-3/1063 | 77,3∙10-3/1133 | —/— |
| K2CO3 | 10/20 | 75,8∙10-3/1044 | 77,0∙10-3/1090 | 79,2∙10-3/1190 | 106,4∙10-3/1540 |
| NH4NO3 | 100/20 | 59,2∙10-3/1019 | 60,1∙10-3/1040 | 61,6∙10-3/1038 | 67,5∙10-3/1226 |
| MgCl2 | 18/20 | 73,8∙10-3/1040 | —/1082 | —/1171 | —/— |
| NН4С1 | 18/20 | 73,3∙10-3/1014 | 74,5∙10-3/1029 | —/1057 | —/— |
| KOH | —/20 | —/1045 | —/1092 | —/1188 | —/— |
| СаС12 | 18/20 | 73,7∙10-3/1014 | —/1084 | —/1178 | —/— |
Таблица П 18 – Основные размеры барометрических конденсаторов
| Размеры | Внутренний диаметр конденсатора dбк, мм | ||||||||
| Толщина стенки аппарата S | |||||||||
| Расстояние от верхней полки до крышки аппарата a | |||||||||
| Расстояние от нижней полки до днища аппарата r | |||||||||
| Ширина полки d | — | — | |||||||
| Расстояние между осями кон- денсатора и ловушки: | |||||||||
| K1 | |||||||||
| K2 | — | — | |||||||
| Высота установки Н | |||||||||
| Ширина установки Т | |||||||||
| Диаметр ловушки D | |||||||||
| Высота ловушки h | |||||||||
| Диаметр ловушки D1 | — | — | |||||||
| Высота ловушки h1 | — | — | |||||||
| Расстояние между полками: | |||||||||
| a1 | |||||||||
| a2 | |||||||||
| a3 | |||||||||
| a4 | |||||||||
| a5 | |||||||||
| Условные проходы штуцеров: | |||||||||
| для входа пара (А) | |||||||||
| для входа воды (Б) | |||||||||
| для входа парогазовой смеси (В) | |||||||||
| для барометрической трубы (Г) | |||||||||
| воздушник (С) | — | — | |||||||
| для входа парогазовой смеси(И) | |||||||||
| для выхода парогазовой смеси (Ж) | |||||||||
| для барометрической трубы (Е) | |||||||||
|
Схемы барометрических конденсаторов:
а — с концентрическими полками (изготовляются диаметром 500 и 600 мм); 6 — с сегментными полками (изготовляются диаметром 800 — 2000 мм)