Федеральное агентство по образованию (Рособразование)

Архангельский государственный технический университет

Кафедра лесохимических производств

(наименование кафедры)

Домашняя Оксана Николаевна

(фамилия, имя, отчество студента)

Факультет

ХТ

курс

IV

группа

575

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

Процессы и аппараты химической технологии

На тему

Проект многокорпусной выпарной установки для

(наименование темы)

упаривания 85 т/ч сульфатного щелока

Руководитель проекта

доцент

Л.Н.Кузнецова

(должность)

(подпись)

(и.,о., фамилия)

Проект допущен к защите

(подпись руководителя)

(дата)

Решением комиссии от «

»

2010 г.

признать, что проект

выполнен и защищён с оценкой

Члены комиссии

(должность)

(подпись)

(и.,о., фамилия)

Архангельск

2010

(лист с заданием вместо этого пустого листа)

ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	5
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ	7
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ	9
2.1 Предварительный расчет	9
2.2 Уточненный расчет	23
3 РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ	32
3.1 Поверхностный теплообменник	32
3.2 Барометрический конденсатор	39
3.3 Вакуум-насос	44
4 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	46

ВВЕДЕНИЕ

В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием, как физических параметров, так и других характеристик. Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса, а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях. При выпаривании из раствора частично удаляется чистый растворитель, а концентрация оставшегося раствора увеличивается. Выпаривание применяется для получения готовых продуктов в кристаллическом виде или в виде концентрата, а также для увеличения концентрации перед сжиганием. Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.

Для сжигания сульфатного щелока в СРК содержание сухих веществ в нем должно быть не менее 70-75 %. Для сжигания сульфатных щелоков, необходимо их предварительно упарить. Выпаривание производят на установках, называемых выпарными аппаратами. Выпаривание производят в основном по многоступенчатой схеме, что позволяет снизить расход теплоты за счёт многократного использования пара. Свежий греющий пар подается только в первый корпус, обогрев всех следующих аппаратов осуществляется вторичным паром предыдущих аппаратов. Существуют различные способы питания выпарной установки: прямоточный, противоточный и смешанный.

В данном курсовом проекте рассматривается смешанная схема питания: III -IV- I - II. Смешанная схема питания сочетает достоинства прямотока и противотока и применяется при числе корпусов больше 3, если раствор несильно меняет свою вязкость.

В проекте используется выпарной аппарат с принудительной циркуляцией с вынесенной греющей камерой. Данные аппараты используются для упаривания концентрированных и кристаллизующихся растворов.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу исходного раствора производят в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Выносная нагревательная камера легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата, если присоединить к его корпусу 2 камеры. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа получили широкое распространение.

1 Описание технологической схемы

Принципиальная схема четырёхкорпусной выпарной установки (смешанная схема питания) показана на рисунке 1.

Исходный разбавленный раствор сульфатного щелока из промежуточной емкости при помощи центробежного насоса подается в теплообменник, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем – в третий корпус выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус обогревается свежим водяным паром, поступаемым с ТЭЦ. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус. Частично сконцентрированный раствор из третьего корпуса поступает в четвёртый. Аналогично третий корпус обогревается вторичным паром второго, а четвёртый – вторичным паром третьего. В первом корпусе производится концентрирование раствора, поступившего из четвёртого корпуса, а во втором – окончательное концентрирование раствора, поступившего из первого корпуса.

Самопроизвольный перетёк 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 барометрического конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором. Образующийся в первом корпусе концентрированный раствор центробежным насосом подаётся в промежуточную ёмкость упаренного раствора. Конденсат греющих паров выводится с помощью конденсатоотводчиков.

(технологическая схема – рисунок 1 – вместо этого пустого листа)

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ

Определяем по каталогу тип аппарата и выбираем высоту и диаметр труб греющей камеры по справочнику [1, c.630]: тип аппарата - II, исполнение - 1: Н = 5000 мм; d×δ = 38×2 мм - аппарат с принудительной циркуляцией с вынесенной греющей камерой.

Выбираем материал труб. Так как щёлок среда агрессивная, выбираем сталь нержавеющую и определяем её теплопроводность: λ=17,5 Вт/(м·К).

Составляем материальный баланс для всей установки и определяем общее количество выпаренной воды

G_н = 85 т/ч = 23,61 кг/с;

x_н = 13 %;

x_к = 52 %;

G_к = 5,90 кг/с; ∑W = 23,61-5,90=17,71 кг/с.

2.1 Предварительный расчет

2.1.1 Распределяем выпаренную влагу по корпусам, приняв следующее соотношение массовых количеств выпариваемой воды по корпусам при смешанной схеме питания III – IV - I – II [2, Приложение 1, таблица 1]

I – II – III - IV =1:0,91:0,83:0,95

Следовательно, количество выпариваемой воды в корпусах:

в I корпусе:

во II корпусе:

в III корпусе:

в IV корпусе

Итого

2.1.2 Рассчитываем концентрации растворов по корпусам исходя из материального баланса для каждого корпуса

III корпус:

G_н3 = G_н;

x_н3 = x_н;

; ;

IV корпус:

G_к3 = G_н4 ;

;

; ;

I корпус:

; ;

II корпус:

; ;

Для аппаратов с циркуляцией расчёт ведётся по конечной концентрации щёлока в аппарате

2.1.3 Распределяем общий перепад температур по корпусам пропорцио­нально концентрации раствора

Р₁ = 4,0 кгc/см²; t₁ = 142,9 ˚С;

Р_б.к.= 0,15 кгс/см²; t_б.к.= 53,6 ˚С, [3, c. 533].

Находим перепад температуры по корпусам

;

2.1.4 Рассчитываем температуру греющего пара в корпусах

t_i+1 = t_i - Δt_общi;

t₁= 142,9 ˚C;

t₂ = t₁ - Δt_общ1 = 142,9 – 22,6 = 120,3 ˚C;

t₃ = t₂ - Δt_общ2 =120,3 – 39,4 = 80,9 ˚C;

t₄ = t₃ - Δt_общ3 = 80,9 – 11,8 = 69,1 ˚C;

t_б.к. = t₄ - Δt_общ4 = 69,1 – 15,4 = 53,7 ˚C.

2.1.5 Определяем температуру вторичного пара в корпусах, приняв гидравлическую депрессию Δ_i˝ = 1˚C

t'_i = t_i+1 + Δ_i˝;

t'₁ = t₂ + Δ₁˝ =120,3 + 1 = 121,3 ˚C;

t'₂ = t₃ + Δ₂˝ = 80,9 + 1 = 81,9 ˚C;

t'₃ = t₄ + Δ₃˝ = 69,1 + 1 = 70,1 ˚C;

t'₄ = t_б.к. + Δ₄˝ = 53,7 + 1 = 54,7 ˚C.

2.1.6 Определяем температурные Δ_i и гидростатические Δ́_i депрессии и рассчитываем температуру кипения раствора в корпусах по формуле

Δ_i = Δ_атмi·ƒ_i – температурная депрессия;

По справочным данным находим температурную депрессию при ат­мосферном давлении Δ_атмi [2, c. 37] и коэффициент ƒ_i зависящий от давления пара

Δ_атм1 = 2,5 ˚C; r'₁ = 2203,6 кДж/кг;

Δ_атм2 = 8,0 ˚C; r'₂ = 2305,1 кДж/кг;

Δ_атм3 = 0,9 ˚C; r'₃ = 2332,8 кДж/кг;

Δ_атм4 = 1,3 ˚C; r'₄ = 2368,9 кДж/кг;

Рассчитываем коэффициент по формуле

,

тогда

;

;

;

;

По найденным значениям рассчитываем температурные депрессии

Δ₁ = 2,5 · 1,14 = 2,9˚C;

Δ₂ = 8,0 · 0,89 = 7,1 ˚C;

Δ₃ = 0,9 · 0,82 = 0,7˚C;

Δ₄ = 1,3 · 0,73 = 0,9˚C;

Гидростатическая депрессия определяется по формуле:

По справочным данным находим:

Рассчитываем :

2,41 ;

3,26 ;

1,95 ;

2,10 ;

Тогда:

По найденным значениям определяем :

Находим гидростатическую депрессию для каждого корпуса:

Т.к. гидростатическая депрессия не должна превышать 3…5 , то принимаем

Тогда температура кипения раствора в корпусах:

t_кип.i = t'_i + Δ_i + Δ'_i;

t_кип.1 = 121,3 + 2,9+1,6 = 125,8 ˚C;

t_кип.2 = 81,9 + 7,1+5,0 = 94,0 ˚C;

t_кип.3 = 70,1 + 0,7+5,0 = 75,8 ˚C;

t_кип.4 = 54,7 + 0,9+5,0 = 60,6 ˚C.

2.1.7 Определяем полезный перепад температур в корпусах

Δ t_полi = t_i – t_кипi;

Δ t_пол1 = 142,9 – 125,8 = 17,1 ˚C;

Δ t_пол2 = 120,3 –94,0 = 26,3 ˚C;

Δ t_пол3 = 80,9 – 75,8 = 5,1 ˚C;

Δ t_пол4 = 69,1 – 60,6 = 8,5 ˚C;

Проверка:

;

2.1.8 Рассчитываем коэффициенты теплопередачи для чистой поверхно­сти по корпусам по формуле

,

где - коэффициенты теплопередачи для чистой поверхности по корпусам, ;

- коэффициент теплоотдачи от пара стенке для i-го корпуса, ;

- коэффициент теплоотдачи от стенки раствору для i-го корпуса, ;

- толщина стенки трубки, м;

- теплопроводность стенки, .

Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя стенке трубки для длиннотрубных аппаратов:

где A_i - коэффициент, зависящий от температуры пленки конденсата;

В_i – коэффициент;

r_i - удельная теплота парообразования греющего пара, Дж/кг; [5, c. 34];

H – высота трубки, м;

- разность между температурами пара и стенки трубки со стороны пара, определяемая подбором,

В первом приближении принимаем

, т.к. щелок - среда агрессивная, выбираем нержавеющую сталь.

Данные заносим в таблицу 1.

Таблица 1 – Значение констант и для расчета коэффициента теплоотдачи

№ корпуса	Аi·10^-3	Вi· 10^3	ri ·10 ^-3Дж/кг	Δt1i
I	7,05	6,37	2131	3,4
II	6,70	6,73	2199	5,3
III	5,91	6,41	2307	1,0
IV	5,67	5,55	2333	1,7

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубки холодному теплоноси­телю α_2i определяется для аппаратов плёночного типа по уравнениям

;

Nu_2i= ;

Re_ж.i= ;

Pr_ж.i= ;

где - критерий Нуссельта;

Re – критерий Рейнольдса;

Pr – критерий Прандтля для потока, вычисленный при средней температуре потока;

α – коэффициент теплоотдачи;

d – внутренний диаметр трубы;

- теплопроводность раствора, Вт/(м·К);

С_ж - теплоемкость раствора, Дж/(кг·К);

- вязкость раствора, Дж/(кг·К);

- скорость жидкости в трубах, м/с;

- плотность раствора, кг/м³ .

Здесь скорость жидкости в трубах ω_ж = 2 м/с; внутренний диа­метр трубки:

d = d_H - 2δ = 38 - 2·2 = 34 мм = 0,034 м.

По справочным данным находим физические характеристики для жидкости при температуре кипения (t_кипi) и пара при температуре вторич­ного пара (t_í). Рассчитываем теплоемкость сульфатного щелока

Все данные заносим в таблицу 2.

№ корпуса	ρж, кг/м^3	μжi, Па∙с	λжi, Вт/(м∙К)	Сжi∙10^-3, Дж/(кг∙К)
I	1100	1,0	0,55∙1,163	3,454
II	1250	13,0	0,44∙1,163	2,973
III	1070	0,8	0,55∙1,163	3,765
IV	1100	1,4	0,37∙1,163	3,662

Таблица 2

Рассчитываем критерии и коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи

;

;

;

Проверяем принятые перепады Δt_i из условия равенства удельных тепловых нагрузок:

α_1i· Δt_1i=К_i· Δt_полi;

7848 · Δt₁₁ = 2523 · 17,1;

Δt₁₁ = 5,5 ˚С, принято Δt₁₁ = 3,4 ˚С, расхождение 61,8 %;

7258 · Δt₁₂ = 1452 · 26,3;

Δt₁₂ = 5,3 ˚С, принято Δt₁₂ = 5,3 ˚С, расхождение 0 %;

8868 · Δt₁₃ = 2723 · 5,1;

Δt₁₃ = 1,6 ˚С, принято Δt₁₃ = 1,0 ˚С, расхождение 60,0 %;

7193 · Δt₁₄ = 2139 · 8,5;

Δt₁₄ = 2,5 ˚С, принято Δt₁₄ = 1,7 ˚С, расхождение 47,0 %;

Так как расхождения для Δt_11, Δt₁₃, Δt₁₄ больше 5 %, то пересчитываем α_1i и К_i, приняв Δt_i равными расчетным

Проверяем принятые перепады Δt_i из условия равенства удельных тепловых нагрузок:

α_1i· Δt_1i=К_i· Δt_полi;

7544 · Δt₁₁ = 2491 · 17,1;

Δt₁₁ = 5,6 ˚С, принято Δt₁₁ = 5,5 ˚С, расхождение 1,8 %;

7758 · Δt₁₃ = 2608 · 5,1;

Δt₁₃ = 1,7 ˚С, принято Δt₁₃ = 1,6 ˚С, расхождение 6,2 %;

6706 · Δt₁₄ = 2094 · 8,5;

Δt₁₄ = 2,7 ˚С, принято Δt₁₄ = 2,5 ˚С, расхождение 8,0 %;

Так как расхождения для Δt₁₃, Δt₁₄ больше 5 %, то пересчитываем α_1i и К_i, приняв Δt_i равными расчетным

Проверяем принятые перепады Δt_i из условия равенства удельных тепловых нагрузок:

α_1i· Δt_1i=К_i· Δt_полi;

7650 · Δt₁₃ = 2596 · 5,1;

Δt₁₃ = 1,7 ˚С, принято Δt₁₃ = 1,7 ˚С, расхождение 0 %;

6629 · Δt₁₄ = 2087 · 8,5;

Δt₁₄ = 2,7 ˚С, принято Δt₁₄ = 2,7 ˚С, расхождение 0 %;

Расхождение в каждом случае меньше 5%.

2.1.9 Определяем тепловые нагрузки по расходу теплоты, для чего за­писываем уравнение теплового баланса для каждого корпуса

t_вх1 = t_кип2 = 60,6 ˚С;

t_вх2 = t_кип4 = 125,8 ˚С;

t_вх3 = t_кип3 = 70,0 ˚С;

t_вх4 = t_кип3 = 75,8 ˚С