Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет» Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова

Кафедра процессов и аппаратов химических технологий

имени Гельперина Н.И.

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине

«Процессы и аппараты биотехнологии»

Тема проекта: «Прямоточная многокорпусная выпарная установка непрерывного действия»

Студент группы ХББО-03-20 Каталова А.И.

Руководитель курсового проекта Таран Ю.А

Москва 2023

«МИРЭА – Российский технологический университет»

Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова

Кафедра процессов и аппаратов химических технологий имени Н.И. Гельперина

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой

_____________ А.В. Вязьмин

З А Д А Н И Е

на курсовой проект

Студент Каталова Алиса Игоревна группа ХББО-03-20

1. Тема проекта _Прямоточная многокорпусная выпарная установка непрерывного действия

2. Исходные данные _Выпариваемый раствор – водный раствор NH₄NO₃; Производительность по исходному раствору – 12000 кг/ч. Концентрация раствора: начальная 16% масс., конечная 50% масс. Температура раствора на входе в 1-ый корпус   94 ⁰С. Давление в сепараторе последнего корпуса 13,33 КПа. Давление греющего пара 0,392 МПа. Отбор экстра-пара из 1 корпуса 400 кг/час.

3. Задание на специальную разработку _Тип выпарного аппарата – Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой, количество корпусов – 2. 

4. Перечень обязательного отчетного материала ______________________________________

_1.  Пояснительная записка.______________________________________________________

_2. Технологическая схема установки.._____________________________

_3. Основной аппарат установки. Общий вид с узлами._________________________________

5. Рекомендуемая литература и материалы ____________________________________

Захаров М.К. Многокорпусная выпарная установка с равными поверхностями нагрева. Электронный ресурс.  Практикум по  курсовому  проектированию / Переиздано и дополнено / Захаров М.К. – М.: МИРЭА – Российский технологический университет., 2021, 76 с.

 - Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А., Захаренко В.В., Зиновкина Т.В., Таран А.Л., Костанян А.Е. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс: в 2 кн. / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов [и др.]; Под ред. В.Г. Айнштейна. — 8-е изд.. Лань. 2023. — 1792 с.

 - Носов Г.А, Г.И. Лапшенков, В.И. Вышнепольский , И.А. Беглов. Методические 

указания по курсовому проектированию и оформлению дипломных работ «Схемы химико-технологических процессов». // М.: МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2011, с. 56

- Павлов К.Ф.,  Романков П.Г.,  Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие.- 10-е изд.- Л.: Химия, 1987.

- Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по курсовому проектированию./ Под ред. Ю.Н. Дытнерского.- М.: Химия, 1983.____________________________________________

Задание принял к исполнению (дата) _______________________

Студент _______________________________________________

Срок сдачи законченного проекта ____1 декабря 2023 г.______

Руководитель ___________________________________________

Оглавление

Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова 1

1. Цель и задачи курсового проектирования. 10

1.1 Цель курсового проектирования 10

1.2 Задачи курсового проектирования: 10

2. Проработка общих вопросов 10

Основные условные обозначения 10

2.1. Выбор места размещения выпарной установки 12

2.2. Теплофизические свойства раствора, водяного пара и его конденсата. 13

2.3. Выбор типа выпарного аппарата 14

2.4. Конструкционный материал выпарных аппаратов 15

2.5. Технологическая схема выпарной установки. 15

Исходные данные 15

3. Расчёт подогревателя исходного раствора 17

3.1 Расчет тепловой нагрузки 17

3.2. Расход греющего пара 17

3.3 Расчет требуемой поверхности теплообмена подогревателя 18

3.4. Расчет коэффициента теплоотдачи (от стенки трубы к раствору): 20

3.5. Уточненный выбор конструкции теплообменника и его размеров 22

4. Расчет выпарных аппаратов 23

4.1 Расчет поверхности теплообмена греющих камер выпарных аппаратов 23

4.1.1 Расчет количества выпариваемого растворителя 23

4.1.2. Концентрация раствора в I корпусе 24

4.1.3 Предварительное определение температур кипения раствора, температурных депрессий и температур вторичного пара 24

4.1.4. Расчет теплового баланса выпарной установки 29

4.1.5. Ориентировочный расчет поверхности теплообмена и выбор выпарного аппарата 31

4.1.6. Уравнение теплопередачи и его решение 32

4.1.7. Окончательный расчет параметров ведения процесса 37

4.1.7.1. Уточнение Δ₁ и Δ₂ 37

4.1.7.2. Определение параметров ведения процесса по найденным Δ₁ и Δ₂ 38

4.1.7.3. Уточнение W₁, W₂ и а₁ 38

4.1.7.4. Окончательный расчет тепловых потоков и определение погрешности первого приближения 39

4.1.8. Расход греющего пара 40

4.1.9. Проверка запаса поверхности 40

4.2. Размеры сепарационного пространства 41

4.2.1. Объем сепаратора: 42

4.2.2. Объем, требуемый для сепарации капель: 42

4.2.3. Подбор брызгоотделителя. 43

4.3 Тепловая изоляция аппарата 43

4.4. Расчет и подбор штуцеров для материальных потоков 44

4.4.1. Штуцер для подачи исходного раствора 44

4.4.2 Штуцер для вывода упаренного раствора 45

4.4.3. Штуцер для ввода греющего пара 45

4.4.4. Штуцер для вывода вторичного пара 46

4.4.5. Штуцер для вывода конденсата 46

4.4.6. Выбор стандартных штуцеров и соответствующих им фланцев 47

4.5. Механический расчет элементов аппарата 47

4.5.1 Расчет толщины стенки греющей камеры 47

4.5.2. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки корпуса аппарата 48

4.5.3. Расчет и подбор крышки (днища) 49

4.5.4. Расчет и подбор опоры 50

5. Блок создания и поддержания вакуума 52

5.1. Расчет барометрического конденсатора смешения 52

5.2. Расчет производительности вакуум-насоса 57

6. Расчет вспомогательного оборудования 59

6.1. Расчет и подбор центробежного насоса для подачи исходного раствора 59

6.1.1. Выбор трубопровода 59

6.1.2. Определение потерь напора на трение и местные сопротивления в трубопроводе 60

6.1.3. Выбор центробежного насоса 62

6.1.4. Определение предельной высоты всасывания 63

6.2. Расчет и подбор конденсатоотводчиков 64

6.2.1. Конденсатоотводчик для подогревателя исходной смеси 64

6.2.2. Конденсатоотводчик для первого корпуса 65

6.2.3. Конденсатоотводчик для второго корпуса 66

6.3. Емкости 67

6.3.1 Емкость для исходного раствора 67

6.3.2 Емкость для упаренного раствора 67

Список используемой литературы 68

Введение

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении 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.).

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, получаемый̆ из парогенератора, либо отработанныӗ 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 выпаривание1 кг растворителя (воды).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов 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 выпаривание 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.

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 давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

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.

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 1,6 МПа, регламентированы ГОСТ 11987-81. ГОСТ распространяется на выпарные аппараты, работающие при давлении вторичных паров 0,0054 - 1,0 МПа 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 исполнениях (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 накипеобразованиях на трубках, удаляемых промывкой.

Выпарной трубчатый пленочный аппарат в первом исполнении – с восходящей 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 не принудительное (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.

1. Цель и задачи курсового проектирования.

1.1 Цель курсового проектирования

Целью курсового проектирования двухкорпусной выпарной установки для выпаривания нитрата аммония является разработка эффективной и экономичной технологии производства нитрата аммония.

1.2 Задачи курсового проектирования:

1. Анализ и изучение существующих технологий выпаривания нитрата аммония.

2. Расчет теплового и массового баланса для определения необходимого оборудования и параметров процесса выпаривания.

3. Разработка конструктивных решений для двухкорпусной выпарной установки.

4. Расчет и выбор основных единиц оборудования, таких как испарители, выпарные аппараты, теплоносители и другое.

5. Подготовка детального технического проекта с учетом всех разработанных решений и расчетов.

2. Проработка общих вопросов

Основные условные обозначения

T, t – температура, ^оС;

а – концентрация раствора, кг/кг;

с – теплоемкость, кДж/(кг*К);

ν – кинематическая вязкость, м²/с;

λ – теплопроводность, Вт/(м*К);

Q – количество теплоты, кВт;

Δ – разность температур, ^оС;

F – поверхность нагрева, м²;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К);

θ – температура вторичного пара, ^оС;

δ – депрессия, ^оС;

S – производительность, кг/с

W – количество выпариваемой воды, кг/с;

Р – давление, МПа;

r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг;

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²*К);

G – массовый расход, кг/с;

ρ – плотность, кг/м³;

i, h – энтальпия, кДж/кг;

ω – скорость, м/с;

Индексы:

i – порядковый номер;

т – температурная;

г – гидравлическая;

в – вода;

2.1. Выбор места размещения выпарной установки

В данной работе местом размещения принимаем производственное помещение, в нём температура внешней среды принимается равной t_внеш = 20 ^оС.

Выбор места размещения выпарной установки для выпаривания нитрата аммония должен осуществляться на основе нескольких факторов, включая:

1. Расстояние до поставщиков сырья и потребителей продукта: Желательно выбирать место, которое находится близко к поставщикам сырья (например, аммиак и азотная кислота) и потребителям продукта (например, сельскохозяйственным предприятиям или производителям удобрений). Близость к поставщикам и потребителям может снизить транспортные расходы и увеличить эффективность производства.

2. Технические требования и ограничения: Важно учитывать требования к инфраструктуре, таким как энергоснабжение, водоснабжение и система вентиляции. Также следует учесть наличие доступного места для размещения самой установки, а также требования к безопасности и экологической совместимости.

3. Доступность квалифицированных рабочих сил: Размещение установки недалеко от населенных пунктов с развитой инфраструктурой может обеспечить доступ к квалифицированным рабочим силам, что особенно важно при монтаже и эксплуатации сложного оборудования.

4. Расходы на эксплуатацию: Некоторые места могут обладать более низкими затратами на энергию или транспорт, что может снизить общие расходы на эксплуатацию установки.

5. Регулирование и разрешительные процедуры: Необходимо учесть существующие регулирования и разрешительные процедуры в отношении процесса выпаривания нитрата аммония, чтобы избежать проблем при получении необходимых разрешений и лицензий.

Пример размещения установки: Допустим, предприятие занимается производством удобрений и имеет доступ к поставщикам аммиака и азотной кислоты в определенной области. Оно также находится недалеко от сельскохозяйственных предприятий, которые являются потребителями продукта. Место предлагает доступ к достаточному количеству квалифицированных рабочих, а также энергия и вода легко доступны. Кроме того, региональные власти и другие регулирующие органы имеют ясные правила и процедуры для разрешения данного типа производства. Все эти факторы делают это место оптимальным для размещения выпарной установки для выпаривания нитрата аммония. Исходя из вышесказанного оптимальной территорией размещения будет Новомосковск.