Содержание
Введение
1. Описание принципиальной схемы трехкорпусной выпарной установки
2. Описание технологической схемы прямоточной трехкорпусной выпарной установки
3. Технологический расчёт выпарных аппаратов
3.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
3.1.1 Расчёт общего количества выпариваемой воды
3.1.2 Определение температур кипения
3.1.3 Определение полезной разности температур
3.1.4 Определение тепловых нагрузок
3.1.5 Расчёт коэффициентов теплопередачи по корпусам
3.1.6 Распределение полезной разности температур по корпусам
3.1.7 Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи
3.1.8 Уточнённый расчёт коэффициентов теплопередачи по корпусам
3.1.9 Распределение полезной разности температур по корпусам
3.2 Выбор основного аппарата
4. Расчёт и выбор вспомогательного оборудования
4.1 Расчёт изоляции
4.2 Расчёт барометрического конденсатора
4.3 Расчёт вакуум-насоса
Список литературы
Введение
Выпаривание — процесс концентрирования растворов твердых 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 транспортировку они должны поступать в виде концентрированных продуктов.
В химической технике используются следующие основные способы выпаривания: простое выпаривание, проводимое как непрерывным, так и периодическим методами, многократное выпаривание, осуществляемое только непрерывно, выпаривание с применением теплового насоса.
Все перечисленные процессы проводят как под давлением, так и под вакуумом, в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов.
Простое выпаривание. 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.
Как было указано, простое выпаривание проводится либо непрерывным методом, либо периодическим. Проведение периодического процесса возможно двумя приемами: с одновременной загрузкой исходного раствора и с порционной загрузкой.
Проведение процесса под вакуумом имеет в большинстве случаев существенные преимущества: снижается температура кипения раствора, а это позволяет применять для нагревания выпарного аппарата пар низкого давления, являющийся тепловым отходом других производств.
Многократное выпаривание — процесс, при котором в качестве греющего используют вторичный пар и, следовательно, достигается значительная экономия тепла.
Проведение подобного процесса возможно либо при использовании греющего пара высокого давления, либо при применении вакуума.
Сущность многократного выпаривания состоит в том, что процесс выпаривания проводится в нескольких соединенных последовательно аппаратах, давление в которых поддерживают так, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог быть использован как греющий пар в последующем аппарате.
Очевидно, что многократное выпаривание позволяет сокращать расход тепла на проведение процесса приблизительно пропорционально числу последовательно соединенных аппаратов или, как принято называть в технике числу корпусов. Установки для многократного выпаривания всегда имеют несколько корпусов и поэтому называются многокорпусными.
Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными. Давление в прямоточной выпарной установке уменьшается в направлении от корпуса к корпусу, что позволяет перемещать раствор под действием перепадов давлений. Давление в противоточной выпарной установке в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора используются насосы. В комбинированных схемах осуществляются различные варианты ввода и перемещения раствора. Так, например возможны схемы с вводом раствора в каждый корпус в отдельности, с вводом раствора в средний корпус с дальнейшей передачей его в последний и выпуск через первый. Подобные схемы мало распространены и применяются только в специальных случаях.
Следует упомянуть об установках многократного выпаривания, работающих с отбором так называемого « экстра- пара». «Экстра-паром» называют часть вторичного пара из какого либо корпуса выпарной установки, отбираемого «на сторону» для питания теплом различных аппаратов, непосредственно не связанных с выпариванием (например, сушилок, ректификационных колонн и т.п.) Энергетическая связь различных по назначению установок не зарекомендовала себя в химических производствах положительно.
Очевидным преимуществом прямоточной схемы является возможность перемещения раствора из корпуса в корпус без применения насосов, работающих на горячих потоках. К недостаткам прямоточной схемы можно отнести неблагоприятные для теплопередачи условия. Как известно, коэффициенты теплоотдачи к кипящим растворам уменьшаются с ростом концентрации раствора и снижением давления в рабочем объеме. В прямоточной установке каждому последующему корпусу по сравнению с предыдущим соответствуют более высокая концентрация и более низкое давление. По указанной причине коэффициент теплопередачи в последнем корпусе оказывается в несколько раз меньше, чем в первом, а средний коэффициент теплопередачи прямоточной установки ниже, чем противоточной, где более концентрированный раствор выпаривается при высшем давлении.
Таким образом, можно допустить, что преимуществом противоточной схемы является меньшая поверхность нагрева, а недостатком — необходимость включения в схему насосов, работающих на горячих потоках.
Недостатки прямоточных схем менее существенны, чем противоточных, поэтому первые получили значительно большее распространение в промышленности.
Выпаривание с применением теплового насоса. Выпаривание с применением теплового насоса основано на возможности использования вторичного пара для испарения растворителя в том же аппарате, если температура вторичного пара будет тем или иным способом повышена до температуры греющего пара. Температуру вторичного пара можно повысить до температуры греющего пара путем сжатия его компрессором или паровым инжектором.
В первом случае вторичный пар поступает из выпарного аппарата в турбокомпрессор, сжимается до давления, соответствующего температуре греющего пара, и вводится в греющую камеру выпарного аппарата, и вводится в греющую камеру выпарного аппарата.
Необходимость применения сложных машин (компрессоров), а также затрат дорогой механической энергии приводит к практической нецелесообразности теплового насоса с компрессорами. Больший практический интерес представляют тепловые насосы с паровыми инжекторами. В этих установках исходный греющий пар поступает предварительно в паровой инжектор. В инжекторе каждая весовая единица свежего пара инжектирует mвесовых единиц вторичного пара.
Выпарные установки в химической промышленности работают обычно в невыгодных для инжекции условиях, поэтому этим обстоятельством объясняется крайне ограниченное распространение в химической промышленности выпарных установок с тепловым насосом; эти установки применяют только для выпаривания растворов с малой температурной депрессией [1, стр. 182-202].
Наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов. Первый корпус обогревается первичным (греющим) паром, остальные обогреваются вторичным паром (образуется при удалении части растворителя) каждого предыдущего корпуса [11, стр. 8].
1 Описание принципиальной схемы трехкорпусной выпарной установки
Принципиальная схема трехкорпусной прямоточной выпарной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной камерой) и кипением раствора в трубах, показана на рисунке 1.
Исходный раствор из емкости 1 насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения, а затем – в первый корпус 4 выпарной установки. Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же перетекает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично корпус 6 обогревается вторичным паром второго корпуса и в нем производится концентрирование раствора, поступающего из корпуса.
Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же перетекает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично корпус 6 обогревается вторичным паром второго корпуса и в нем производится концентрирование раствора, поступающего из второго корпуса.
Самопроизвольный переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсаций вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7. В барометрическом конденсаторе заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора через барометрическую трубу с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор насосом 10 подается в емкость 11. Конденсат из выпарных аппаратов выводится с помощью