Московский  Государственный университет тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова 
 
 
 

Кафедра процессов и аппаратов химических технологии 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту по процессам и аппаратам

на тему:

«многокорпусная выпарная установка непрерывного действия с равными поверхностями нагрева» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Проектировал:

     студент гр. ХТ-307

     Марнаутов Н.

     Консультант:

     проф. Носов.Г.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва, 2011

 

       

 

       Введение

      Выпариванием  называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.

      В химической промышленности выпариванию  подвергают растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и  др.), и также  растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания  очень малым давлением пара (некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.).

      Выпаривание иногда применяют также для выделения  растворителя в чистом виде: при  опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар  конденсируют и полученную воду используют для питьевых или технических целей.

      Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче  и дешевле перерабатывать, хранить  и транспортировать.

      Тепло для выпаривания можно подводить  любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным. Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

      Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

      Тепло, необходимое для выпаривания  раствора, обычно подводится через  стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

      Процессы  выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

      Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при  атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1кг растворителя (воды).

      При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс  при более низких температурах, что  важно в случае концентрирования растворах веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривания под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

      Применение  вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум – насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

      При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных  с процессом выпаривания.

      Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстра – паром. Отбор экстра – пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под избыточным давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

      При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

      Выпаривание под атмосферным давлением, а  иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно – соединенных (по ходу выпаривания раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящем в данном корпусе, т.е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той – же производительности.

      В химической промышленности применяются  в основном непрерывно – действующие  выпарные установки. Лишь в производствах  малого масштаба, а также при выпаривании  растворов до высоких конечных концентраций иногда используют выпарные аппараты периодического действия. Концентрация раствора в таком аппарате приближается к конечной лишь в конечный период процесса. Поэтому средний коэффициент теплопередачи здесь может быть несколько выше, чем в непрерывно – действующем аппарате, где концентрация растворов ближе к конечной в течении всего процесса выпаривания.

      Выпарные  аппараты трубчатые стальные с естественной, принудительной циркуляцией и пленочные  с поверхностью теплообмена 10 – 3150 м², предназначенные для упаривания водных растворов и обогреваемые водяным паром при давлении не выше 1,6Мпа, регламентированы ГОСТ 11987 – 81. ГОСТ распространяется на выпарные аппараты, работающие при давлении вторичных паров 0,0054 – 1,0Мпа и температуре сред 12 – 200 °С.

      ГОСТ 11987 – 81 устанавливает три типа выпарных трубчатых аппаратов:

1. с естественной циркуляцией, изготавливаемые в трех исполнениях (с соосной двухходовой греющей камерой, с вынесенной греющей камерой и с соосной греющей камерой и солеотделением);
2. с принудительной циркуляцией, изготовляемые в двух исполнениях (с вынесенной греющей камерой и соосной греющей камерой);
3. пленочные, изготавливаемые тоже в двух испонениях (с восходящей пленкой и со стекающей пленкой).

      Выпарной  аппарат с естественной циркуляцией  в первом исполнении – с соосной двухходовой греющей камерой – следует применять при упаривании растворов, не образующих осадка на греющих трубах, а также при незначительных накипеобразованиях на трубах, удаляемых промывкой; во втором исполнении – с вынесенной греющей камерой – при упаривании растворов, выделяющих незначительный осадок, удаляемый механическим способом; в третьем исполнении – с соосной греющей камерой и солеотделением при выпаривании растворов, выделяющих кристаллы и образующих осадок, удаляемой промывкой.

      Выпарной  аппарат с принудительной циркуляцией  в первом исполнении – с вынесенной греющей камерой – необходимо использовать при упаривании вязких растворов или выделяющих осадок на греющих трубках, удаляемый механическим способом; во втором исполнении – с соосной греющей камерой – при упаривании вязких чистых растворов, не выделяющих осадок, а также при незначительных накипеобразовании на трубках удаляемых промывкой.

      Выпарной  трубчатый пленочный аппарат  в первом исполнении – с восходяшей пленкой – используют при упаривании пенящихся растворов, а во втором исполнении – со стекающей пленкой – при упаривании вязких и термонестойких растворов.

      В данной работе будет рассчитана двухкорпусная выпарная установка, работающая при прямоточной схеме. Преимуществами прямоточного многокорпусного выпарного аппарата являются непринудительное (без затрат внешней работы) движения раствора через всю систему и минимальные потери тепла с уходящим выпарным раствором (он уходит при температуре кипения последнего корпуса). Недостатком данного аппарата являются неблагоприятные условия теплопередачи: самый концентрированный раствор выпаривается (кипит) при самой низкой температуре, когда вязкость максимальна, а теплоемкость и теплопроводность минимальны.

      По  условиям теплопередачи более выгодны многокорпусные аппараты с противотоком раствора и паров. Здесь начальный раствор движется по направлению от последнего корпуса к первому, а первичный и вторичные пары – в обратном направлении, так что раствор конечной концентрации (наиболее вязкий) выпаривается при самой высокой температуре. Однако существенным недостатком данной схемы является необходимость перемещение раствора в сторону нарастающего давления, что требует установки насосов между корпусами или применения выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией растворов. Кроме того, концентрированный раствор, уходя из корпуса 1, уносит большее количество тепла чем в предыдущем случае.

      В данной работе при расчете выпарной установки считаем, что установка  будет размещена в г.Тамбове на открытой площадке. Это позволяет сократить стоимость и сроки строительных работ; снижает расходы на эксплуатацию зданий (вентиляция, отопление, освещение и т.д.); облегчает монтаж и демонтаж оборудования. Однако такое размещение оборудования требует усиления тепловой изоляции аппаратов и коммуникаций, а также их защиты от атмосферного воздействия. Эти и некоторые другие дополнительные расходы обычно уступают экономии средств, достигаемой при размещении установки на открытых площадках.

 

      Описание технологической схемы двухкорпусной выпарной установки.

           Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости  центробежным насосом  подается в  теплообменник, где подогревается  до температуры, близкой к температуре  кипения, а затем в первый корпус  выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

           Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный  пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса..

           Экстра – пар  отбирается из первого корпуса и  используется в качестве греющего агента в подогревателе.

           Самопроизвольный  переток раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум – насосом. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся во втором корпусе концентрированный раствор подается в промежуточную емкость упаренного раствора. Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков.

 

      Технологический расчёт выпарного  аппарата

 

Дано: NaCl

S₀ = 12000 кг/ч = 3,33кг/с

E₁=1000 кг/ч=0,28 кг/с

a₀ = 10%

a₂ = 28%