Содержание

Введение 1

Описаниетехнологическойсхемывыпарнойустановки 6

1. Физико-химическиесвойствараствора,водяногопараиегоконденсата 8

2. Конструкционныйматериалаппаратов 9

3. Поверхностьтеплообменагреющихаппаратов 9

   1. Расчётколичествавыпариваемогорастворителя 9

   2. Температуракипенияраствораитемпературныедепрессии 10

      1. Стандартныетемпературныедепрессии 10

      2. ОпределениетемпературыкипенияраствораитемпературнойдепрессиивоII

корпусепоправилу Бабо 11

3. Суммарнаяполезнаяразностьтемператур 12

   1. Температуры кипения растворов и температуры вторичных паров в корпусахвыпарнойустановки 12

4. ТепловыебалансыВУ 13

5. Поверхностьтеплообмена 14

   1. Предварительныерасчёты 14

   2. Уравнениетеплопередачииегорешение 15

6. Расходгреющегопара 20

1. Выборстандартноговыпарногоаппарата 20

2. Тепловаяизоляцияаппарата 20

3. Диаметрыштуцеровитрубопроводовдляматериальныхпотоков 21

2. Механическийрасчётвыпарногоаппарата 22

   1. Высотаидиаметрсепаратора 23

   2. Расчёттолщиныцилиндрическойобечайкикорпусааппарата 24

   3. Расчёттолщиныэллиптическойкрышкиаппарата 24

   4. Расчёттолщиныстенкиконическогоднищааппарата 24

   5. Опорныеконструкцииаппарата 25

3. Узелподогреваисходногораствора 25

   1. Общиепонятия 25

   2. Тепловаянагрузкааппарата 26

   3. Движущаясилапроцессатеплопередачи 26

   4. Выбортипатеплообменника 27

   5. Расчётповерхноститеплообмена 28

4. Блоксозданияиподдержаниявакуума 30

   1. Выбортипаконденсатора 30

   2. Режимныепараметрыработыконденсаторасмешения 31

   3. Конструктивныеразмерыконденсатора 32

2. Расчётиподбор вспомогательногооборудованиявыпарнойустановки 34

   1. Вакуум-насос 34

   2. Перекачивающиенасосы 35

   3. Конденсатоотводчики 37

   4. Ёмкости 39

      1. Ёмкостьдля исходногораствора 39

      2. Ёмкостьдляупаренного раствора 39

Списоклитературы 40

Введение

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворовпрактическинелетучихвеществпутемчастичногоудалениярастворителяиспарениемприкипениижидкости.Впроцессевыпариваниярастворительудаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах нижетемпературкипенияиспарениепроисходиттолькосповерхностижидкости.

Вхимическойпромышленностивыпариваниюподвергаютрастворытвердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), атакжерастворывысококипящихжидкостей,обладающихпритемпературевыпариванияоченьмалымдавлениемпара(некоторыеминеральныеиорганическиекислоты,многоатомныеспирты идр.).

Выпариваниеиногдаприменяюттакжедлявыделениярастворителявчистом виде: при опреснении морской воды выпариванием, образующийся изнееводянойпарконденсируютиполученнуюводуиспользуютдляпитьевыхилитехническихцелей.

Врядеслучаеввыпаренныйрастворподвергаютпоследующейкристаллизациив специальныхвыпарных аппаратах.

Концентрированныерастворыитвердыевещества,получаемыеврезультатевыпаривания,легчеидешевлеперерабатывать,хранитьитранспортировать.

Теплодлявыпариванияможноподводитьлюбымитеплоносителями,применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев вкачестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, которыйназывают греющим,илипервичным.

Первичнымслужитлибопар,получаемыйизпарогенератора,либоотработанныйпар,илипарпромежуточного отборапаровыхтурбин.

Пар,образующийсяпривыпариваниикипящегораствора,называетсявторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится черезстенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствахконцентрированиерастворовосуществляютпринепосредственномсоприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другимигазообразнымитеплоносителями.

Процессывыпариванияпроводятподвакуумом,приповышенномиатмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемогораствораивозможностьюиспользованиятеплавторичного пара.

Выпариваниеподвакуумомимеетопределенныепреимуществапередвыпариваниемприатмосферномдавлении,несмотрянато,чтотеплотаиспарениярастворанескольковозрастаетспонижениемдавления,исоответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя(воды).

Привыпариванииподвакуумомстановитсявозможнымпроводитьпроцесс при более низких температурах, что важно в случае концентрированиярастворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах.Крометого,приразреженииувеличиваетсяполезнаяразностьтемпературмеждугреющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагревааппарата(припрочихравныхусловиях).Вслучаеодинаковойполезнойразноститемпературпривыпариванииподвакуумомможноиспользоватьгреющийагентболее низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этоговыпариваниеподвакуумомширокоприменяютдляконцентрированиявысококипящихрастворов,например,растворовщелочей,атакжедляконцентрированиярастворовсиспользованиемтеплоносителя(пара)невысокихпараметров.

Применениевакуумадаетвозможностьиспользоватьвкачествегреющегоагента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, чтоснижаетрасходпервичногогреющегопара(см.ниже).Вместестемприприменении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуютсядополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы,ловушки,вакуум-насосы),атакжеувеличиваютсяэксплуатационныерасходы.

Привыпариванииподдавлениемвышеатмосферноготакжеможноиспользовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, несвязанныхспроцессом выпаривания.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Отборэкстра-парапривыпариванииподизбыточнымдавлениемпозволяетлучшеиспользоватьтепло,чемпривыпариванииподвакуумом.Однаковыпаривание

под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипенияраствора.Поэтомуданныйспособприменяетсялишьдлявыпариваниятермическистойкихвеществ.Крометого,длявыпариванияподдавлениемнеобходимыгреющиеагенты сболее высокойтемпературой.

Привыпариванииподатмосфернымдавлениемвторичныйпарнеиспользуется,иобычноудаляетсяватмосферу.Такойспособвыпариванияявляетсянаиболее простым, нонаименееэкономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание подвакуумомпроводятводиночныхвыпарныхаппаратах(однокорпусныхвыпарныхустановках).Однаконаиболеераспространенымногокорпусныевыпарныеустановки,состоящиеизнесколькихвыпарныхаппаратов,иликорпусов,вкоторыхвторичныйпаркаждогопредыдущегокорпусанаправляетсявкачествегреющеговпоследующийкорпус.Приэтомдавлениевпоследовательносоединенных(походувыпариваемогораствора)корпусахснижаетсятакимобразом,чтобыобеспечитьразностьтемпературмеждувторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данномкорпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. Вэтихустановкахпервичнымпаромобогреваетсятолькопервыйкорпус.Следовательно,вмногокорпусныхвыпарныхустановкахдостигаетсязначительнаяэкономияпервичногопарапосравнениюсоднокорпуснымиустановкамитойже производительности.

Экономияпервичногопара(исоответственнотоплива)можетбытьдостигнута также в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом.Втакихустановкахвторичныйпарнавыходеизаппаратасжимаетсяспомощьютепловогонасоса(например,термокомпрессора)додавления,соответствующеготемпературе первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат длявыпариванияраствора.

Вхимическойпромышленностиприменяютсявосновномнепрерывнодействующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, атакже при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций иногдаиспользуютвыпарныеаппаратыпериодическогодействия.Концентрацияраствора в таком аппарате приближается к конечной лишь в конечный периодпроцесса.Поэтомусреднийкоэффициенттеплопередачиздесьможетбытьнесколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, где концентрацияраствораближекконечнойвтечение всегопроцессавыпаривания.

Выпарные аппараты трубчатые стальные с естественной, принудительнойциркуляциейипленочныесповерхностьютеплообмена10–3150м²,предназначенные для упаривания водных растворов и обогреваемые водянымпаром при давлении не выше 1,6 Мпа, регламентированы ГОСТ 11987 – 81.ГОСТраспространяетсянавыпарныеаппараты,работающиепридавлениивторичныхпаров0,0054 –1,0Мпа итемпературесред12– 200°С.

ГОСТ11987–81устанавливаеттритипавыпарныхтрубчатыхаппаратов:

• сестественнойциркуляцией,изготавливаемыевтрехисполнениях(ссооснойдвухходовойгреющейкамерой,свынесеннойгреющейкамеройиссооснойгреющей камеройи солеотделением);

• с принудительной циркуляцией, изготовляемые в двух исполнениях (свынесеннойгреющейкамеройисооснойгреющейкамерой);

• пленочные,изготавливаемыетожевдвухисполнениях(свосходящейпленкойи со стекающейпленкой).

Выпарнойаппарат с естественной циркуляциейв первом исполнении – ссоосной двухходовой греющей камерой – следует применять при упариваниирастворов,необразующихосадканагреющихтрубах,атакжепринезначительныхнакипеобразованияхнатрубах,удаляемыхпромывкой;вовторомисполнении–свынесеннойгреющейкамерой–приупариваниирастворов,выделяющихнезначительныйосадок,удаляемыймеханическимспособом;втретьемисполнении–ссооснойгреющейкамеройисолеотделениемпри выпаривании растворов, выделяющих кристаллы и образующих осадок,удаляемойпромывкой.

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией в первом исполнении – свынесеннойгреющейкамерой–необходимоиспользоватьприупариваниивязкихрастворовиливыделяющихосадокнагреющихтрубках,удаляемыймеханическим способом; во втором исполнении – с соосной греющей камерой –при упаривании вязких чистых растворов, не выделяющих осадок, а также принезначительныхнакипеобразованиинатрубках,удаляемых промывкой.

Выпарнойтрубчатыйпленочныйаппаратвпервомисполнении–свосходящей пленкой – используют при упаривании пенящихся растворов, а вовторомисполнении–состекающейпленкой–приупариваниивязкихитермонестойкихрастворов.

Вданнойработебудетрассчитанадвухкорпуснаявыпарнаяустановка,работающаяприпрямоточнойсхеме.Преимуществамипрямоточногомногокорпусного выпарного аппарата являются непринудительное (без затратвнешней работы) движения раствора через всю систему и минимальные потеритепла с уходящим выпарным раствором (он уходит при температуре кипенияпоследнегокорпуса).Недостаткомданногоаппаратаявляютсянеблагоприятныеусловиятеплопередачи:самыйконцентрированныйрастворвыпаривается(кипит)присамойнизкойтемпературе,когдавязкостьмаксимальна,атеплоемкостьитеплопроводностьминимальны.

Поусловиямтеплопередачиболеевыгоднымногокорпусныеаппаратыспротивотокомраствораипаров.Здесьначальныйраствордвижетсяпонаправлениюотпоследнегокорпусакпервому,апервичныйивторичныепары

– в обратном направлении, так что раствор конечной концентрации (наиболеевязкий) выпаривается при самой высокой температуре. Однако существеннымнедостатком данной схемы является необходимость перемещение раствора всторонунарастающегодавления,чтотребуетустановкинасосовмеждукорпусамиилиприменениявыпарныхаппаратовспринудительнойциркуляциейрастворов. Кроме того, концентрированный раствор, уходя из корпуса 1, уноситбольшееколичество теплачемвпредыдущемслучае.

Рисунок 1. Технологическая схема выпарной установки, П – подогреватель, 1 –первичный корпус ВУ, 2 – второй корпус ВУ, 3 – барометрический конденсаторсмешения

T,t–температура,°C;

a–концентрациярастворакг/кг;

c–теплоёмкость,кДж/кг*К;

ν–кинематическаявязкость,м²/с;

λ– теплопроводность, Вт/м*К;Q – количество теплоты, кВт;Δ–разностьтемператур,°C;