Технічна характеристика випарного апарата

Курсова робота:

Технічна характеристика випарного апарата

Зміст

Введення

1. Технічна частина

1.1 Порівняльна характеристика апаратів для даного процесу

1.2 Фізико-хімічна характеристика продуктів заданого процесу

1.3 Експлуатація випарних апаратів

1.4 Матеріали, застосовувані для виготовлення теплообмінників

1.5 Техніка безпеки й охорона навколишнього середовища

2. Розрахункова частина

2.1 Матеріальний розрахунок

2.2 Тепловий розрахунок

2.3 Конструктивний розрахунок

2.3.1 Визначення числа кип’ятильних труб

2.3.2 Визначення діаметрів патрубків

2.3.3 Вибір розміщення трубок у трубній плиті

2.4 Механічний розрахунок

2.4.1 Визначення товщини трубної плити

2.4.2 Розрахунок товщини стінки корпуса

2.5 Розрахунок допоміжного устаткування

2.5.1 Розрахунок барометричного конденсатора

2.5.2 Визначення витрати охолодної води

2.5.3 Розрахунок барометричної труби

2.5.4 Висота барометричної труби Висновок Література

Введення

Теплообміном називається процес переносу теплоти, що відбуває між тілами, що мають різну температуру. У результаті передачі теплоти відбуваються: нагрівання — охолодження, паротворення — конденсація, плавлення — кристалізація. Теплообмін має важливе значення для проведення процесів випарювання, сушіння, перегонки й ін.

Рушійною силою процесу теплообміну є різниця температур.

Існує два основних способи проведення теплових процесів: шляхом безпосереднього зіткнення теплоносіїв і передачею тепла через стінку, що розділяє теплоносіїв.

При передачі тепла безпосереднім зіткненням теплоносіїв звичайно змішуються один з одним, що не завжди припустимо, тому спосіб застосовується рідко, хоча він простіше в апаратурному оформленні.

При передачі тепла через стінку теплоносії не змішуються, і кожний з них рухається по окремому каналі; поверхня стінки, що розділяє теплоносіїв, використовується для передачі тепла й називається поверхнею теплообміну і є основним розрахунковим конструктивним параметром теплообмінних апаратів (теплообмінників).

Випарювання — процес концентрування розчинів твердих нелетучих речовин або мало летучих речовин шляхом часткового випару розчинника при кипінні рідини.

У ряді випадків при випарюванні розчинів твердих речовин досягається насичення розчину; при подальшому видаленні розчинника з такого розчину відбувається кристалізація, тобто виділення з нього розчиненої твердої речовини. Застосовується для концентрування розчинів нелетучих речовин.

Одержання висококонцентрованих розчинів, практично сухих і кристалічних продуктів полегшує й здешевлює їхнє перевезення й зберігання.

У промисловості в більшості випадків випарюються водяні розчини різних речовин.

Тепло для випарювання можна підводити будь-якими теплоносіями, застосовуваними при нагріванні. Для нагрівання розчинів, що випарюються, до кипіння використовують топкові гази, електрообігрівання, але найбільше застосування знаходить водяну пару (характеризується високим коефіцієнтом тепловіддачі).

Випарювання ведуть як під атмосферним, так і під зниженим або підвищеним тиском.

Використовують у виробництві мінеральних добрив, цукру, кормових дріжджів. Також застосовують при концентруванні водяних розчинів лугів (їдке розжарюй і їдкий натр), солей.

1. Технічна частина

1.1 Порівняльна характеристика апаратів для даного процесу

Теплообмінники — пристрої, у яких здійснюється теплообмін між що гріє й нагреваемой середовищами.

У теплообмінних апаратах можуть відбуватися різні теплові реакції: нагрівання, охолодження, випар, конденсація, кипіння, затвердіння й складні комбіновані процеси. Теплообмінні апарати застосовуються практично у всіх галузях промисловості й, залежно від призначення, називаються підігрівниками, випарниками, конденсаторами, регенераторами, парообразователями, кип’ятильниками, випарними апаратами й т.д.

Залежно від призначення виробничих процесів як теплоносіїв можуть застосовуватися всілякі газоподібні, рідкі й тверді середовища.

Установки, що складаються з одиночного апарата вторинна пара, з якого не використовується (при випарюванні під атмосферним тиском або при розрядженні) або використовується поза апаратом, називаються однокорпусними випарними установками.

Більшим поширенням користуються багатокорпусні випарні установки, що включають трохи з'єднаних один з одним апаратів (корпусів), що працюють під тиском, що знижується по напрямку від першого корпуса до останнього. У таких установках можна застосовувати вторинна пара, що утвориться в кожному попередньому корпусі, для обігріву наступного корпуса. При цьому свіжою парою обігрівається тільки перший корпус. вторинна пара, що утвориться в першому корпусі, направляється на обігрів другого корпуса, у якому тиск нижче й т.д., вторинна пара з останнього корпуса надходить у конденсатор або використовується поза установкою.

Таким чином, у багатокорпусних випарних установках здійснюється багаторазове використання того самого кількості тепла (тепла, що віддається пором у першому корпусі), це дозволяє заощадити значну кількість споживаної свіжої пари.

Пристрій випарних апаратів.

Найбільше поширення одержали випарні апарати з паровим обігрівом, що мають поверхню теплообміну, виконану із труб. Випарні апарати з паровим обігрівом складаються із двох основних частин:

а) кип’ятильник, у якому розташована поверхня теплообміну й відбувається випарювання розчину;

б) сепаратор — простір, у якому вторинна пара відділяється від розчину.

Необхідність у сепараторі становить основну конструктивну відмінність випарних апаратів від теплообмінників. Залежно від характеру руху киплячої рідини у випарному апарату розрізняють:

Випарні апарати з вільною циркуляцією;

Випарні апарати із примусовою циркуляцією;

Випарні апарати із природною циркуляцією;

Плівкові випарні апарати.

Випарні апарати з вільною циркуляцією.

У цих апаратах нерухливий або повільно, що рухається розчин, перебуває зовні труб. До даної групи ставляться апарати, виконані у вигляді чаш або казанів, поверхня теплообміну утворена стінками апарата.

Малюнок 1. Випарний апарат з горизонтальними трубами Випарні апарати з горизонтальними трубами (пара пропускається по трубах, рідина — зовні труб) можуть бути виготовлені зі значними поверхнями теплообміну — до 800 м² і більше. Для компенсації подовження труб і розбирання апарата з метою очищення кріплення труб у трубних решітках роблять на сальниках або застосовують Uобразні труби.

Основним недоліком є труднощі очищення міжтрубного простору, внаслідок чого вони не придатні для випарювання розчинів, що кристалізуються. Крім того, такі апарати мають невисокий коефіцієнт теплопередачі, громіздкі й вимагають значної кількості металу для виготовлення. У цей час вони застосовуються рідко, витісняючись більше зробленими конструкціями.

Випарні апарати із природною циркуляцією.

1 — циркуляційна труба; 2 — кип’ятильна труба.

Малюнок 2. Схема природної циркуляції.

Природна циркуляція виникає в замкнутій системі, що складається з необігріва циркуляційної (опускний) труби 1 і піднімальних труб, що обігріваються, 2. Якщо рідина в піднімальних трубах нагріта до кипіння, то в результаті випару частини рідини в цій трубі утвориться суміш, щільність якої менше щільності самої рідини. Таким чином, вага стовпа рідини в циркуляційній трубі більше, ніж у піднімальних трубах, внаслідок чого відбувається впорядкований рух (циркуляція) киплячої рідини по шляху: піднімальні труби > паровий простір > опускна труба > піднімальні труби й т.д.

Для природної циркуляції потрібно дві умови:

Достатня висота рівня рідини в опускній трубі, щоб зрівноважити стовп суміші в кип’ятильних трубах і повідомити цієї суміші необхідну швидкість;

Достатня інтенсивність паротворення в кип’ятильних трубах, щоб суміш мала, можливо, малу щільність.

При невеликому рівні рідини в опускній трубі суміш не може піднятися до верху кип’ятильних труб; при цьому не відбувається циркуляції, і робота апарата супроводжується різким зниженням продуктивності й швидким покриванням труб накипом.

Випарний апарат із центральною циркуляційною трубою є однієї з найбільш старих, але широко розповсюджених конструкцій.

1 — корпус; 2 — кип’ятильні труби; 3 — циркуляційна труба; 4 — сепаратор; 5 — отбойник.

Малюнок 3. Випарний апарат із центральною циркуляційною трубою Камера, що гріє, складається з ряду вертикальних кип’ятильних труб 2, що обігріваються зовні пором. По осі камери, що гріє, розташована циркуляційна труба 3 значно більші діаметри, чим кип’ятильні труби. пара, що гріє, подається в міжтрубний простір, конденсується й приділяється з апарата у вигляді конденсату. Упарений розчин також безупинно віддаляється через штуцер, що перебуває в днище апарата. Паротворення усередині центральної труби значно менше, ніж у кип’ятильних трубах, тому що за одиниці об'єму рідини в ній доводиться менша поверхня. Розчин видавлюється в кип’ятильні трубки, піднімається по них нагору, частково випарюється й, звільнений угорі від пари, вертається долілиць по центральній трубі. пара, Що Утвориться, віддаляється у верхній частині апарата, пройшовши попередньо через каплеуловитель.

Недоліки апарата: жорстка конструкція камери, що гріє, що не має температурної компенсації.

Достоїнства: простота конструкції й легкість доступу для чищення й ремонту.

Випарний апарат з підвісною камерою, що гріє, складається з камери, що гріє, 2, що вільно підвішується усередині корпуса 1, опираючись на лабети.

1 — корпус; 2 — кожух камери, що гріє; 3 — кип’ятильні труби; 4 — труба для підведення пари до камери, що гріє.

Малюнок 4. Випарний апарат з підвісною камерою, що гріє

Пара, що гріє, подається в міжтрубное простір нагрівальної камери по трубі 4. вторинна пара, що утвориться, проходить сепаратор над трубками, що гріють, і далі інерційний каплеуловитель, з якого вловлена рідина стікає долілиць по трубі.

Принцип циркуляції:

Малоемульгований розчин через велику щільність опускається долілиць по кільцевому просторі між корпусом апарата й нагрівальною камерою, передавлюючи нагору що постійно утвориться в трубках більше легкою емульсію.

Занурення нагрівальної камери у випарюється середу, що, перешкоджає виникненню температурних напруг, тому що в цьому випадку корпус камери й трубки перебувають в однакових температурних умовах.

Недоліками є ускладнення конструкції й більші габарити.

Достоїнства — підвищений коефіцієнт теплопередачі за рахунок гарного охолодження розчину в кільцевому просторі й легкість виїмки камери, що гріє, з апарата для чищення, ремонту або заміни.

Випарний апарат з винесеною камерою, що гріє, складається з нагрівальної камери (кип'ятильника) 1, що представляє собою пучок труб, сепаратора 3 і циркуляційна труби 4, приєднаної до нижньої розчинної камери.

1 — кип’ятильник; 2 — труба для суміші; 3 — сепаратор; 4 — циркуляційна труба.

Малюнок 5. Випарний апарат з винесеною камерою, що гріє

Розчин, що випарюється, піднімаючись по трубках, нагрівається й у міру підйому скипає. Що утворилася суміш направляється в сепаратор, де відбувається поділ рідкої й парової фаз. Вторинна пара, пройшовши сепаратор, звільняється від крапель, а розчин вертається по циркуляційній трубі в камеру, що гріє.

Висота трубок у таких апаратах становить 5…7 м. Перетин циркуляційної труби дорівнює або більше площі поперечного перерізу всіх кип’ятильних трубок. У результаті значної швидкості циркуляційного розчину підвищується коефіцієнт тепловіддачі й зменшується небезпека відкладення опадів.

Чищення й заміна трубок випарних апаратів з камерою, що гріє, досить зручні.

Так само в промисловості застосовують випарні апарати:

Із плівкою, що піднімається;

З падаючою плівкою;

роторний прямоточний апарат;

барботажний випарний апарат;

Із заглибними пальниками.

1.2 Фізико-хімічна характеристика продуктів заданого процесу

Гідроокис натрію (їдкий натр) NaOH — безбарвні кристали. Щільність 2,13 кг/м3, температура кипіння 13 780С, температура плавлення 3200С. Теплота утворення H = ккал/моль. Тиск пари 0,1 мм. рт. ст.). Теплоємність 19,2 кал/моль· град.

Їдкий натр розчинний у метиловому й етиловому спиртах, практично не розчинимо в рідкому аміаку й більшості органічних розчинників. Розплавлений гідроокис натрію розчиняє металевий натрій і гідрид натрію. Руйнує шкіру й папір, а так само інші матеріали органічного походження. На шкіру й слизуваті оболонки діє припікальне. Особливо небезпечне влучення навіть найменших її кількостей в очі. Всі роботи з їдким натрієм повинні проводитися в гумових рукавичках і окулярах.

Гідроокис натрію одержують електрохімічним і хімічним методами. Електрохімічне одержання засноване на електролізі розчинів NaCI; одночасно виходить хлор. У промисловості для одержання лугу й хлору застосовують два типи ванн: із твердими електродами й міцним електролітом, що рухаються від анода до катода, і із ртутним катодом. Електроліз ведуть при 60−900С.

Хімічний спосіб одержання їдкого натру заснований на взаємодії гарячого розчину карбонату натрію з вапном, у результаті якого утворяться 10−12%- розчини NaOH.

Гідроокис натрію є одним з основних продуктів хімічної промисловості й широко застосовується як у самій хімічній промисловості, так і в багатьох інших виробництвах.

Вода H2Oголовне й найпоширеніша хімічна сполука на нашій планеті - обов’язковий компонент всіх живих організмів (що становить до 99% їхньої маси), головний компонент середовища їхнього перебування, а також більшості продуктів харчування.

Найбільші запаси втримуються в гідросфері - 96% у світовому океані, інші запаси води — це ріки, озера, льодовики, підземні й ґрунтові води; 3% води — прісні. Води є найбільш вивченою сполукою; її властивості використані при визначенні одиниць виміру фізичних величин (щільність, температура, теплота, теплоємність).

Є гарним сильнополярним розчинником. У природних

умовах завжди містить розчинені речовини (солі, гази).

Вода — єдина хімічна сполука, що у природі може перебувати в рідкому, твердому й газоподібному станах одночасно. Чиста вода — прозора, безбарвна рідина без заходу й смаку. Багато хто її фізичні властивості і їхні зміни мають аномальний характер.

Вода володіє рядом незвичайних особливостей:

— При таненні льоду його щільність збільшується (з 0,9 до 1 г/см?), коли майже у всіх інших речовин при плавленні щільність зменшується.

— Висока теплоємність рідкої води.

— Високий поверхневий натяг.

Температура замерзання — 0; температура кипіння — 100; питома теплота паротворення 2250 КДж/кг.

1.3 Експлуатація випарних апаратів

Процес випарювання може вироблятися періодично або безупинно. При періодичному випарюванні в апарат заливається певна кількість розчину, що нагрівається до кипіння (період підігріву), після чого починається процес випарювання (період випару води). У процесі випарювання безупинно підвищуються концентрація й температура кипіння розчину, тому що остання залежить від концентрації. У міру випару води рівень розчину в апарату знижується. Випарювання ведуть до досягнення заданої кінцевої концентрації розчину.

Зниження рівня розчину часто порушує роботу апарата, тому описаний спосіб проведення процесу звичайно видозмінюють у такий спосіб, починаючи з моменту закипання розчину, в апарат безупинно подають слабкий розчин у такій кількості, щоб рівень розчину не змінювався. При цьому способі роботи (випарювання при постійному рівні) одержуваний наприкінці операції розчин займає той же об'єм, що й спочатку залитий в апарат слабкий розчин.

Процес випарювання може вироблятися періодично або безупинно. При періодичному випарюванні в апарат заливається певна кількість розчину, що нагрівається до кипіння (період підігріву), після чого починається процес випарювання (період випару води). У процесі випарювання безупинно підвищуються концентрація й температура кипіння розчину, тому що остання залежить від концентрації. У міру випару води рівень розчину в апарату знижується. Випарювання ведуть до досягнення заданої кінцевої концентрації розчину.

Зниження рівня розчину часто порушує роботу апарата, тому описаний спосіб проведення процесу звичайно видозмінюють у такий спосіб, починаючи з моменту закипання розчину, в апарат безупинно подають слабкий розчин у такій кількості, щоб рівень розчину не змінювався. При цьому способі роботи (випарювання при постійному рівні) одержуваний наприкінці операції розчин займає той же об'єм, що й спочатку залитий в апарат слабкий розчин.

Плівкові випарні апарати застосовуються тільки для безперервної роботи, вони не містять значного об'єму розчину, що безупинно протікає через апарат, причому його концентрація й температура змінюються уздовж поверхні теплообміну.

При обслуговуванні випарних апаратів необхідно стежити за підтримкою рівня рідини на певній висоті. В апаратах періодичної дії рівень рідини регулюється підведенням слабкого розчину, а в апаратах безперервної дії - відводом розчину. Кількість слабкого розчину в апаратах безперервної дії підтримується постійним і регулюється залежно від концентрації розчину: якщо остання знижується, то подачу слабкого розчину треба зменшити, і навпаки. Для відбору проб розчину на випарних апаратах установлюють спеціальні пробні крани.

Процес випарювання сильно залежить від температури, що контролюється термометром, що вимірює температуру розчину в апарату, манометри вимірюють тиск що гріє й вторинної пари. Необхідний температурний режим установлюється регулюванням подачі пари, що гріє. Крім того, при обслуговуванні випарного апарата стежать за правильним відводом конденсату й газів, що не конденсуються. Конденсат приділяється за допомогою конденсатоотводчиков. Для відводу газів, що не конденсуються, що втримуються в парі, що гріє, у верхній частині простору для пари, що гріє, є трубка, через яку ці гази безупинно або періодично віддаляються.

Періодично, у міру забруднення поверхні теплообміну, випарний апарат зупиняють для очищення. Очищення виробляється шляхом промивання або зазначеними вище способами.

1.4 Матеріали, застосовувані для виготовлення теплообмінників

При виборі й створенні теплообмінної апаратури необхідно враховувати такі важливі фактори, як теплове навантаження апарата, температурні умови процесу, фізико-механічні параметри робітничих середовищ, умови теплообміну, характер гідравлічних сполук, вид матеріалу і його корозійну стійкість, простота пристрою й компактність, розташування апарата, взаємний напрямок руху робітничих середовищ, можливість очищення поверхні теплообміну від забруднень, витрата металу на одиницю переданої теплоти й інші техніко-економічні показники.

Економічне використання якісних матеріалів, високий рівень технології виготовлення й повне використання всіх досягнень теплопередачі дають можливість вибору й створення раціональних теплообмінних апаратів, що задовольняють всіх перерахованим вимогам.

Хімічні продукти тією чи іншою мірою завжди викликають корозію матеріалу апарата, тому для виготовлення їх застосовуються різні метали (залізо, чавун, алюміній) і їхні сплави. Найбільше застосування знаходять сталі. Завдяки здатності змінювати свої властивості залежно від сполуки, можливості термічної й механічної обробки стали з низьким змістом вуглецю добре штампуються, але погано обробляють різанням.

Добавки інших металів — легуючих елементів — поліпшують якість сталей і надають їм особливі властивості, наприклад, хром поліпшує механічні властивості, зносостійкість і корозійну стійкість; нікель підвищує міцність, пластичність; кремній збільшує жаростійкість.

Легуючі елементи позначаються буквами: Х — хром, Н — нікель, М — молібден, Г — марганець, З — кремній, Т — титан, Д — мідь, Ю — алюміній і т.д.

Стали звичайної якості застосовують для виготовлення апаратів, що працюють під надлишковим тиском до 6 Па при температурах -30(З до + 425(С. Для більше жорстких умов застосовують стали поліпшеної якості - марок 15К и 20ДО.

Для підвищення термостійкості й міцності застосовують низьколеговані сталі 10Г2С1, 16ГС, 30Х, 40Х, що дозволяє використовувати апарати при температурах від -70(З до +550(С.

Для підвищення жароміцності апаратів їх виготовляють із хромонікелевих сталей марок О18Н10Т, Х18Н9Т.

Для дуже агресивних середовищ застосовуються високолеговані сталі, наприклад ОХ23Н28МЗД3Т.

Кожухотрубні теплообмінники застосовуються в якості рідинних і газових підігрівників, конденсаторів і випарників.

Вони працюють при умовному тиску до 6,4 МПа й температурах від -30 до +450 .

Кожухотрубні теплообмінні апарати загального призначення виготовляють із нержавіючої сталі із площею поверхні теплообміну від 1 до 2000 м. Кожухотрубні теплообмінники із зовнішнім діаметром кожуха 159 — 426 мм виготовляють зі стандартних труб. Кожухи теплообмінників діаметром понад 400 мм виготовляють звареними з листового прокату нержавіючої сталі. Кожухотрубні теплообмінники з U — образними трубами застосовують при температурах від -30(З до +450(С и тиском у межах 1,6−6,4 Мпа.

Стандартні теплообмінники виготовляють із діаметром кожуха від 325 до 400 мм. Кожух і розподільна камера можуть бути виготовлені зі сталі Вмст3Сн або 16ГС, теплообмінні труби — зі сталі 20, у конденсаторах — зі сплаву AMr2M.

При температурах теплоносія вище 400(Із застосовують леговані марки стали. Труби для теплообмінників вибирають, виходячи з агресивності теплоносіїв. Для стандартних теплообмінників застосовують труби з стали 10 і 20, стали ОХ18Н10Т и латуні ЛОМ 70−1-0,06 для конденсаторів застосовують труби з латуні Ламш 77−2-0,06.

При використанні агресивних теплоносіїв приймають труби зі сталі Х5М, а трубні решітки виготовляють зі сталі 16ГС або двошарової сталі 16ГС + Х18Н10Т.

1.5 Техніка безпеки й охорона навколишнього середовища

Випарні установки.

Вимоги правил поширюються на випарні установки періодичної й безперервної дії, що працюють під тиском або розрідженням.

Для підігріву розчину, що надходить у перший корпус, до температури, близької до температури кипіння, необхідно встановлювати перед корпусом підігрівники, що обігріваються конденсатом або соковою парою.

Комунікації підігрівників повинні мати запірні пристрої для відключення й обвідні лінії, а також лінії для повернення підігрітого розчину в проміжний бак (для циркуляції розчину через підігрівники) у періоди, коли перший корпус не може безупинно приймати підігрітий розчин.

Для контролю за якістю конденсату на лейкомах повинні бути змонтовані пробоотборники.

Залежно від якості конденсату (по хімічному складі й наявності домішок) він повинен збиратися від всіх випарних апаратів разом або роздільно.

Для забезпечення спостережень за рівнем розчину у випарних апаратах повинні передбачатися оглядові стекла.

Випарні установки повинні бути оснащені наступними контрольно-вимірювальними й регулюючими приладами:

автоматичними регуляторами тиску пари, що надходить у перший корпус; манометром, що реєструє, на лінії подачі пари в цех;

манометрами на камері, що гріє, і в паровому просторі першого корпуса; манометрами, вакуумметрами на камерах, що гріють, і в паровому просторі наступних корпусів;

автоматичними регуляторами рівня розчину; що вказують і сигналізують вакуумметрами на трубопроводах, що йдуть від барометричних або поверхневих конденсаторів;

приладами для виміру температури на всіх випарних апаратах, підігрівниках і барометричному або поверхневому конденсаторі; витратомірами для обліку витрати води, що надходить у цех; витратоміром для обліку розчину, що надходить на випарку; концентратомерами після кожного випарного апарата.

Для забезпечення нормального режиму роботи випарної установки необхідно:

стежити за подачею пари, що гріє, у перший корпус і не допускати падіння або підвищення тиску його в значних межах (припустимі коливання в межах 0,01 Мпа (0,1 кгс/див2);

підтримувати передбачене режимною картою розподіл температур і тисків по корпусах випарної установки;

стежити за безперервністю відводу конденсату з камер, що гріють, випарних апаратів, а також систематично перевіряти якість конденсату;

забезпечувати систематичне харчування випарних апаратів розчином, підігрітим до температури, близької до температури кипіння;

стежити за перепуском розчину з корпуса в корпус систематично виводити з останнього корпуса готовий продукт, підтримуючи встановлений рівень розчину в апаратах і не допускаючи оголення камер, що гріють;

забезпечувати мінімальні втрати розчину, концентратів і теплоносіїв;

підтримувати розрідження у випарних апаратах, що працюють під розрідженням, на рівні, передбаченому режимною картою, у випадках падіння вакууму негайно виявляти причини й усувати їх строго дотримувати передбаченого графіка й порядок промивання випарних апаратів, а при необхідності робити позачергові промивання випарних апаратів і їхнє очищення;

забезпечувати безперервну й справну роботу автоматичних, регулюючих приладів, арматур, а також допоміжні устаткування випарної установки.

Схема трубопроводів випарної установки повинна виключати можливість змішання потоків первинної й вторинної пари, а також потоків їхнього конденсату.

Їдкий натр Технічний їдкий натр вибухобезпечний, по ступені впливу на організм ставиться до речовин 2-го класи небезпеки

Їдкий натр являє собою їдку речовину. При влученні на шкіру викликає хімічні опіки, а при тривалому впливі може викликати виразки й екземи. Сильно діє на слизуваті оболонки.

Гранично припустима концентрація аерозолю їдкого натру в повітрі робочої зони виробничих приміщень (ПДК) — 0,5 мг/м3.

Виробничий персонал повинен бути забезпечений спеціальним одягом і засобами індивідуального захисту (костюм з бавовняної тканини, гумові чоботи, гумові рукавички, захисні окуляри, що фільтрують промисловий протигаз).

При розливі розчину продукту його знешкоджують, поливаючи місце розливу рясною кількістю води.

При розсипанні твердого продукту його варто зібрати совком, а місце розсипання обмити рясною кількістю води.

Технічний їдкий натр транспортують залізничним, автомобільним, водним транспортом у критих транспортних засобах в упакуванні й наливом у залізничних і автомобільних цистернах. Залізничним транспортом продукт перевозять у бочках, барабанах, ящиках по вагонне.

Рідкий продукт зберігають у закритих ємностях, твердий продукт зберігають в упакованому виді в закритих складських неопалюваних приміщеннях.

Для контролю якості технічного їдкого натру проби відбирають від кожної залізничної або автомобільної цистерни; при поставках продукту в спеціалізованих контейнерах, бочках і барабанах відбирають 10% пакувальних одиниць, але не менш трьох пакувальних одиниць.

Допускається у виготовлювача проводити відбір проб: рідкого продукту — з ємності для зберігання товарного продукту; твердого плавленого продукту — при розливі в барабани; твердого продукту — при наборі в барабани або банки.

2. Розрахункова частина

2.1 Матеріальний розрахунок

Запишемо рівняння матеріального балансу для всього кількості розчину по розчиненій речовині

де Gн — масова витрата початкового (вихідного) розчину, кг/з;

Gк — масова витрата кінцевого розчину, кг/з;

W — масова витрата випарюється води, кг/з;

xк — масова частка розчиненої речовини у вихідному розчині;

xн — масова частка розчиненої речовини в розчині.

З рівняння матеріального балансу визначаємо масова кількість розчину й випареної води.

кг/год Випареної води буде

W = 7800 — 2275 = 5525 кг/год

2.2 Тепловий розрахунок

апарат випарний теплообмінник Тепловий розрахунок виконується на основі закону збереження енергії, відповідно до якого прихід теплоти повинен бути дорівнює її витраті.

Рівняння теплового балансу випарного апарата

Q + Gн· Cн·tн = Gк· Cк·tк + W· iвт + Qпот (5)

де Q — витрата теплоти на випарювання, Вт;

Cн, Cк — питома теплоємність початкового (вихідного) і кінцевого (упаренного) розчину, Дж/(кг· К);

tн, tк — температура початкового розчину на вході в апарат і кінцевий розчин на виході його з апарата, ос;

iвт — питома ентальпія вторинної пари на виході з апарата, Дж/кг;

Qпот — витрата теплоти на компенсацію втрат у навколишнє середовище, Вт.

З рівняння теплового балансу перебуває витрата теплоти на випарювання, що надходить із парою, що гріє.

Витрата теплоти на нагрівання розчину до температури кипіння:

Витрата теплоти на випар води:

де Св — питома теплоємність води при tк, Дж/(кг· ДО);

За умовою розчин в апарат надходить при температурі кипіння, отже Qнагр = 0

Витрата теплоти на компенсацію втрат у навколишнє середовище приймають у розмірі 3−5% від суми (Qнагр + Qисп) т.к. Qнагр = 0, то приймаємо

Qпот = 0,3*Qисп і тоді

Визначаємо температуру вторинної пари в барометричному конденсаторі. Визначається як температура насичення при тиску в барометричному конденсаторі.

При рб.к. = 0,18 to = 57,26

59,7−2,44=57,26

Визначаємо температуру вторинної пари в сепараторі випарного апарата

де t1 — температура вторинної пари в сепараторі, ;

t0 — температура вторинної пари в барометричному конденсаторі, ;

Дtг.с. — гідравлічна депресія (опір), тобто зміна температури вторинної пари на ділянці сепаратор — барометричний конденсатор, викликана падінням тиску пари через гідравлічний опір паропроводу вторинної пари, .

Приймаємо Дtг.с. = 1

тоді t1 = 57,26 + 1 = 58,26

цій температурі відповідає p1 = 0,1883

0,2031 — 0,0148 = 0,1883

Кінцева температура розчину (температура кипіння розчину в сепараторі) при якій розчин виводиться з апарата.

де tк — температура кипіння розчину в сепараторі, ;

t1 — температура вторинної пари в сепараторі, ;

Д tдепр. — температурна депресія, що виражає підвищення температури кипіння розчину в порівнянні з температурою кипіння чистого розчинника (води) при тім же тиском, .

Знаходимо, що 24% розчин NaOH кипить під атмосферним тиском при температурі 111,47

110 + 1,47 = 111,47

Температурну депресію можна визначити по формулі Тищенко

де Д tдепр. — температурна депресія, ;

tатм — температурна депресія при атмосферному тиску, ;

T — Абсолютна температура води при даному тиску, ;

— теплота випару для води при даному тиску, Дж/кг.

tатм = 111,47 — 100 = 11,47

позначимо

при pб.к. = 0,18

0,76 — 0,012 = 0,748

Дtдепр.= 0,748· 11,47 = 8,58

Кінцева температура розчину в сепараторі

tк = 58,26 + 8,58 = 66,84

Середня температура кипіння розчину в трубах де tкип — середня температура кипіння в трубах, ;

tк — температура кипіння розчину в сепараторі (кінцева температура розчину), ;

Дtг.э. — гідростатична депресія (ефект) або підвищення температури кипіння розчину внаслідок гідростатичного тиску стовпа рідини в апарату,.

Спочатку визначимо наступні параметри: оптимальна висота рівня по водомірному склу, визначається по формулі:

де оптимальна висота рівня, м;

щільності розчину кінцевої концентрації й води при температурі кипіння, кг/м3;

робоча висота труб, м.

Приймемо tкип = 73ос, тоді

1196 + 42,8 = 1238,8

1183 + 42,4 = 1225,4

1225,4 + 4,69 = 1230,1

972 + 3.85 = 975.9

Гідростатичну депресію визначимо по формулі

Середня температура кипіння розчину в трубах

Кількість теплоти, передана від пари, що гріє, до киплячого розчину при t1 = 58,26

Витрата пари де — витрата пари, що гріє, ;

— витрата теплоти, Вт;

— питома теплота паротворення при абсолютному тиску рабс = 2 атм;

— паротворення (ступінь сухості) пари, що гріє.

Вологість пари 5%, отже, x = 1 — 0,05 = 0,95

при рабс = 2,5 атм

Загальна різниця температур

де загальна різниця температур, ;

tг.п. — температура пари, що гріє, ;

tо — температура вторинної пари в барометричному конденсаторі, .

tг.п. = 126,25ос при p = 2,5 атм Корисна різниця температур де — корисна різниця температур, ;

— температура пари, що гріє ;

— температура кипіння розчину в трубах (середня), .

Перевірка:

де — сума температурних втрат,

Розрахунок вірний Площа поверхні нагрівання випарного апарата де F — площа поверхні нагрівання, м2

— теплота, віддана пором, що гріє, розчину, Вт

— корисна різниця температур,

K — коефіцієнт тепловіддачі,

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від водяної пари, що конденсується, до поверхні вертикальних труб де H — висота труб, м;

— коефіцієнт тепловіддачі від пари, що гріє, до стінки, ;

— функція, що залежить від температури конденсації;

Дt — різниця температур конденсації пари, що гріє, і зовнішньої поверхні труб з боку плівки конденсату, .

де — температура конденсації

;

— температура зовнішньої поверхні труб, .

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труб до киплячого розчину або де — коефіцієнт тепловіддачі від стінки до розчину,

;

— безрозмірний коефіцієнт, що залежить тільки від відносини рідини й пара;

л — коефіцієнт теплопровідності розчину, ;

с — щільність розчину, ;

? — коефіцієнт динамічної в’язкості, Па· с;

у — коефіцієнт поверхневого натягу, ;

— температура кипіння розчину, де — щільність водяної пари при

визначаємо за законом стану ідеальних газів (Менделєєв — Клапейрон) Приймаємо теплову провідність забруднень стінки з боку пари, що гріє ?5800 і з боку киплячого розчину ?2900

де — коефіцієнт теплопровідності стали Як перше наближення приймаємо температуру зовнішньої поверхні зовнішнього шару забруднень t' = 124

Тоді коефіцієнт тепловіддачі й щільність теплового потоку від пари визначиться Температура поверхні забруднень із боку розчину визначиться

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі до розчину Щільність теплового потоку

Отже, необхідно зменшити температуру стінки з боку пари Друге наближення Знову обчислюємо коефіцієнт тепловіддачі й щільність теплового потоку від пари до зовнішньої стінки Температура внутрішньої поверхні

Коефіцієнт тепловіддачі й щільність теплового потоку до розчину Розбіжність Тому подальше наближення не потрібно.

Коефіцієнт теплопередачі

Де Ккоефіцієнт теплопередачі, ;

— коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки, ;

— коефіцієнт тепловіддачі від стінки до розчину, ;

— сума теплових опорів.

Необхідна поверхня теплопередачі

Вибираємо випарний апарат за ДСТ 11 987 — 81 F=160м2

Запас поверхні теплообміну

2.3 Конструктивний розрахунок

2.3.1 Визначення числа кип’ятильних труб

де — площа поверхні теплообміну, м2;

— число труб;

— середній діаметр труб, м;

— довжина труб, м.

2.3.2 Визначення діаметрів патрубків

Діаметри патрубків визначаються з рівняння

де — середня швидкість руху рідини в

трубопроводі, м/с;

— площа поперечного перерізу труби, м 2;

— щільність рідини, кг/м3.

Швидкість приймається в межах

рідини 0,5 2 м/с пари 20 50 м/с Після підрахунку необхідно погодити значення діаметра з нормалізованим діаметром труб.

де витрата, кг/с.

Для розчину:

Приймаємо

Приймаємо

Для пари:

Приймаємо

Для конденсату:

Приймаємо

2.3.3 Вибір розміщення трубок у трубній плиті

Площа, зайнята трубками:

де — площа, зайнята трубками, м2;

— відстань між осями труб, м;

— число труб;

— коефіцієнт використання трубної плити, 0,7 0,9.

де dн — зовнішній діаметр труби, м.

приймаємо t =, = 0,8.

2.4 Механічний розрахунок

2.4.1 Визначення товщини трубної плити

де min — товщина трубної плити, мм;

dн — зовнішній діаметр труби, мм.

Приймаємо = 15 мм.

Товщина трубних плит 15 30 мм.

2.4.2 Розрахунок товщини стінки корпуса

Товщина стінки корпуса визначається по формулі:

де — товщина стінки корпуса, мм;

Р — розрахунковий тиск, Мпа;

D — внутрішній діаметр корпуса, мм;

— коефіцієнт міцності звареного шва, приймається 0,8.

Приймаємо = 5 мм.

2.4.3 Розрахунок товщини стінки еліптичного днища

де — товщина стінки днища, мм;

— радіус кривизни у вершині днища.

Для стандартних днищ R = D.

Приймаємо = 5 мм.

2.5 Розрахунок допоміжного устаткування

2.5.1 Розрахунок барометричного конденсатора

Діаметр барометричного конденсатора визначається по формулі:

де — діаметр барометричного конденсатора, мм;

— кількість випарної води;

— щільність пари, кг/м3;

— швидкість пари, м/с.

Швидкість пари 10 25 м/с

= 0,1213 кг/м3 при t1=58,26 (у барометричному конденсаторі)

По нормалях (500, 600, 800, 1000, 1200, 1600) приймаємо D = 1000 мм.

2.5.2 Визначення витрати охолодної води

Витрата охолодної води визначаємо з теплового балансу конденсатора:

де в — витрату охолодної води, кг/з;

— кількість випареної води;

— энтальпия пар у барометричному конденсаторі, Дж/кг;

— початкова температура охолодної води, ;

— кінцева температура охолодної води, ;

— питома теплоємність води, Дж/(кг· К).

Різниця температур між парою й рідиною на виході з конденсатора приймають на 3 5 нижче температури конденсації пар.

t = при Рб.к. = 0,18 атм.

Початкову температуру приймемо 15 .

б.к.= 2602,6 · 103 при

2.5.3 Розрахунок барометричної труби

Діаметр барометричної труби визначається по формулі:

де тр — діаметр барометричної труби, м;

— витрата охолодної води, кг/з;

— кількість випареної води, кг/з;

— швидкість суміші конденсату й води, м/с;

— щільність води, кг/м3.

Приймаємо = мм.

2.5.4 Висота барометричної труби

Висота визначається по рівнянню:

де — висота барометричної труби, м;

У — вакуум у барометричному конденсаторі, па;

— сума коефіцієнтів місцевих опорів;

— прискорення вільного падіння, м/с2;

— коефіцієнт тертя в барометричній трубі;

— швидкість води в барометричній трубі.

Швидкість води визначається по формулі:

де — витрата охолодної води, кг/з;

— витрата випареної води, кг/з;

dтр — діаметр барометричної труби, м.

Вакуум у барометричному конденсаторі:

де Ратм — атмосферний тиск, Па;

Рб.к. — тиск у конденсаторі, Па.

В = 9,8· 104 — 1,76· 104= 8,04· 104

Рб.к. = 0,18· 9,8·104 = 1,76· 104 Па Сума коефіцієнтів місцевих опорів де — коефіцієнт місцевого опору на вході в

трубу;

— коефіцієнт місцевого опору на виході з труби.

= 0,5 + 1 = 1,5

Коефіцієнт залежить від режиму бігу води в барометричній трубі.

Визначимо режим руху:

де — критерій Рейнольдса;

— швидкість бігу води, м/с;

— діаметр барометричної труби, м;

— динамічна в’язкість води, Па· с;

— щільність води, кг/м3

при t0 = 57,26 0,491.

Ступінь шорсткості труби:

Приймаємо

Висновок

У розрахунковій записці зроблений розрахунок площі теплообміну, що є головним показником. У результаті був обраний випарний апарат за ДСТ 11 987 з наступними параметрами:

Поверхня теплообміну, мм d = 160

Довжина труб l = 4000

Діаметр камери, що гріє, D = 1200

Діаметр сепаратора, мм D1 = 2400

Діаметр циркуляційної камери, мм D2 = 700

Висота апарата, м H = 13 500

Маса апарата, кг m = 12 000

Література

1. Романков П. Г., Курочкина М. И. Приклади й завдання за курсом «Процеси й апарати хімічної промисловості». — к., 2004

2. Плановский А. Н., Фамм В. М., Каган С. З. Процеси й апарати хімічної технології. — к., 2004

3. Борисов Г. С., Бриков В. П., Дитнерский Ю.І. Основні процеси й апарати хімічної технології. — К., 2003

4. Баранов Д. А., Кутепов А. М. Процеси й апарати: Підручник для студ. — К., 2003

5. Івчатов О.О., Малов В. И. Хімія води й мікробіологія: Навчальний посібник для технікумів. — К., 2006