797
.pdfМинистерство образования Российской Федерации
Московская государственная академия
тонкой химической технолоmи
им. М.В. Ломоносова
Кафедра «Процессы и Аппараты Химической Технологии»
П.Г. Алексеев, М.К. Захаров
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к курсовому проектированию прямоточных
многокорпусных выпарных установок с равными
поверхностями нагрева
wwwМосква.mitht1999.ru/e-library
УДК 536
Рецензент проф. MaкmoKoB в.и.
(Московская государственная академия пищевой промьппленности).
Авторы: и.г. Алексеев, М.К. Захаров.
Методические указания к курсовому проектированию прямоточных
многокорпусных выпарных установок с равными поверхностями
нагрев"
www.mitht.ru/e-library
о. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О КУРСОВОМ
ПРОЕКТИРОВАНИИ АППАРАТОВ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ.
0.1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Курсовой проект является самостоятельной работой студента,
базирующейся не только на курсе «Процессы и аппараты химической
технологии», но и на ряде других дисциruшн (графика, техническая термодинамика, техническая механика, физическая химия и др.).
Качество проекта зависит от степени овладения студентом знаниями по указанным дисциплинам, от умения пользоваться технической
литературой и от проявленной при проектировании инициативы. Целью курсового проекта является привитне студенту
инженерных навыков и закрепление знаний, приобретенных при
изучении курса «Процессы и аппаратыI химической технологии» и
сопряженных с IШМ дисциплин.
При работе над проектом студент комплексно использует
полученные знания применительно к решению конкретной задачи по
аппаратурно-технологическому оформлению определенного
процесса в промышленном масштабе, получает первые навыки
проектирования промьшmенных аппаратов.
Первым и необходимым условием инженерного подхода к
решению поставленной задачи является тщательное изучение
материала соответствующих глав теоретического курса, без чего
немыслимо технически грамотно вьmолнение как расчетной, так и
графической частей проекта.
www.mitht.ru/e-library
0.2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТА.
Курсовой проект, помимо расчетов и выбора основного и вспомогательного оборудования, должен содержать некоторые
технологические аспекты npoектируемой установки.
0.3 ВЫБОР МЕСТА РАЗМЕЩЕНИЯ УСТАНОВКИ.
Этот этап следует начать с мотивированного выбора и обоснования района строительства проектируемой установки. Основой для такого выбора служит действующие и проектируемые производства - поставщики исходного сырья или потребители конечного продукта, а так же технологические условия работы этих
производств.
Выбор района строительства позволит оценить климатические
условия, в которых будет эксплуатироваться установка, выявить
параметры воздуха и воды, используемых на установке и обосновать
место размещения проектируемой установки, что немаловажно для
последующих расчетов и компоновки оборудования.
Большое |
распространение |
находит |
размещение |
технологического оборудования на открьпых площадках, что
позволяет значительно сократить стоимость и сроки строительных и
монтажных работ; повьппает безопасность раБотыI с вредными,
взрыво- и огнеопасными веществами; снижает непроизводительные
расходы на эксплуатацию зданий (вентиляция, отопление, освещение
и т.д.); облегчает монтаж и демонтаж оборудования. Однако такое
размещение установки требует усиления тепловой изоЛЯЦИИ
аппаратов и коммуникаций, их защитыI от атмосферного воздейСТВИЯ.
www.mitht.ru/e-library
5'
Эти и некоторые другие расходы обычно уступают экономии
средств, достигаемой при полном или частичном размещении
установки на открьпой площадке. При размещении установки на открытой площадке, в целях надежной и безопасной ее работы,
должны быть предусмотрены устройства, искmoчающие забивку
аппаратов и коммуникаций осадком растворенного вещества.
При выборе места размещения установки следует учитьmать
периодические остановки выпарных аппаратов для их очистки от
отложений (Шlкрустов), которые приводят к существенному
снижению интенсивносm процесса.
0.4 ВЫБОР ТИПА ВЫПАРНОГО АППАРАТА.
в настоящее время в ПРОМЫПIленноcm применяют множество
разноmпных конструкций вьшарных аппаратов. Это обусловлено специфическими свойствами рабочих растворов: вязкостью,
поверхностным натяжением, растворимостью, плотностью,
температурной депрессией и др., а также разными требованиями к
качеству конечных продуктов, их товарному виду и Т.д.
Выбор следует ограничить кожухотрубчатыми аппаратами с
вертикальным расположением нагревательных камер, обогреваемых водяным паром. Достоинствами эmх аппаратов являются
компактность конструкции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Они
имеют циркуляционные контуры, позволяющие осуществить
естественную или принудительную многократную циркуляцию
рабочих растворов.
Эти аппараты по характеру протекающих в них процессов в зависимости от места кипения раствора в нагревательной камере
могут быть разделены на три группы: 1) с кипением раствора
www.mitht.ru/e-library
G
непосредственно в трубном пучке; 2) с кипением раствора за пределами трубного пучка; 3) с кипением (испарением) в тонкой
пленке трубного пучка.
у вьmарных аппаратов в отJIИtШе от кожухотрубчатых
теплообмеШIИКОВ нагревательная камера сблокирована с большим
сепарационным (паровым) пространством, предназначенным для
отделения вторичного пара от уносимой им жидкой фазы.
В верхней части парового пространства аппарата, в целях более полной сепарации пара, размещают брызгоотделители: циклонного, жamoзийного или сетчатого типа, улавливающие частицы жидкости,
уносимые из раствора паром.
Наиболее универсальными являются циклонные
брызгоулавливатели, которые применяют при упаривании как
чистых, так и пенящихся, кристаллизирующихся и загрязненных
механическими вкшочениями растворов.
Подробнее с конструкциями вьmарных аппаратов и принципами
их работы можно познакомиться в работе [16].
0.5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ВЫПАРНОЙ
УСТАНОВКИ.
Вьmарная установка непрерьшного действия может быть
представлена в виде сочетания трех технологических блоков:
подогрева исходного раствора, концентрирования (упаривания)
раствора и создания и поддержания вакуума.
Первый блок предназначен для нагревания исходного раствора до температуры близкой к температуре насыщения при рабочем
давлении в сепараторе питаемого корпуса. Это особенно важно для
аппаратов с естественной циркуляцией.
www.mitht.ru/e-library
'1
в качестве теплоносителей обычно используют водяной пар, его
конденсат или экстра-пар из первого корпуса выпарной установки. Однако, в последнем случае нагрев исходного раствора возможен
лишь до температуры ниже кипения раствора при том же давлении.
Второй блок составляет собственно выпарные аппараты. При разработке схемы этого блока следует стремиться к возможно большей энергетической эффективности установки за счет снижения
расхода тепла путем использования экстра-пара, применения
теплового насоса и т.п.
Третий блок создания и поддержания вакуума, служит для обеспечения рабочего (как правило, заданного) давления в последнем
или нескольких последних, по ходу раствора, корпусах установки.
Вакуум создают конденсацией вторичного пара, уходящего из
последнего корпуса в конденсаторе (чаще всего - в барометрическом конденсаторе смешения). Поддержание вакуума осуществляют с
помощью вакуум-насоса, отсасывающего из конденсатора
неконденсирующиеся газы.
Разработка технологической схемы установки ВКJПOчает
укомплектование ее вспомогательным оборудованием: емкостями
исходного и упаренного растворов, перекачивающими насосами,
конденсатоотводчиками, запорно-регулирующей арматурой и Т.п. В
некоторых случаях необходимо использовать промежуточные
емкости - параллельно и цикЛично работающие два вакуум -
сборника. В один из них, находящийся под вакуумом, принимают
раствор из корпуса, а из другого при атмосферном давлении раствор
насосом перекачивают на склад. В последующем цикл работы
каждого из вакуум~борников повторяется. Такая схема отвода раствора, сохраняя непрерывность работы установки, позволяет
избежать кавитации в перекачивающем насосе, уменьшить потребляемую насосом мощность.
Вакуум-сборники используют и для сбора конденсата
вторичных паров, когда из-за малого перепада давления применение
конденсатоотводчиков становится нецелесообразным.
www.mitht.ru/e-library
8
Работа НЦД технологической схемой ВЪП1арной установки
завершается изображением ее в виде эскиза с условными
обозначениями материальных и энергетических потоков, которые по
мере расчета следует дополнять их численными значениями.
0.6РАСЧЕТ И ВЫБОР ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ.
в этом разделе излагаются рекомендации по расчету прямоточной вьшарной установки с равными поверхностями Haгpe~
которые в определенной степени могут быть использованы и для
других схем упаривания раствора.
Проектирование вьшарных установок обязательно ВЮIЮчает:
составление материальных балансов, технологический
конструктивный и механический расчеты. Последние два вида
расчетов вьmолняются только для корпуса, который представлен в
графической части.
1.ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ.
Теплотехнический расчет аппарата должен начинаться с выбора
(определения) из справочной литературы численных значений
физико-химических характеристик вьmариваемого раствора, водяного пара и его конденсата, а также выбора конструктивного
материала для аппарата.
www.mitht.ru/e-library
1.1ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРА,
ВОДЯНОГО ПАРА И ЕГО КОНДЕНСАТА.
для теплотехнических расчетов аппаратов требуется знание
следующих физико-химических характеристик веществ [1,2]:
температуры кипения раствора при нормальном
(атмосферном) давлении в зависимосm от концентрации
растворенного вещества;
растворимости в воде находящегося в растворе вещества в
зависимости от температуры раствора;
теплоемкости, кинематической вязкости и теплопроводности
раствора в зависимости от температуры и концентрации
растворенного вещества;
температуры водяного пара на линии насыщения в
зависимости от давления;
энтальпии водяного пара на линии насьпцения в зависимости
от температуры (давления);
теплопроводности, плотности, вязкости, а также теплоты
парообразования воды на линии насыщения в зависимости от
давления.
Все справочные данные о свойствах веществ должны иметь ссьшки на источник информации.
1.2КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ВЫПАРНЫХ
АППАРАТОВ.
Вкачестве конструкционных материалов для вьшарных
аппаратов используются углеродистые и легированные стали
разШIЧНЫХ марок в зависимости от корродирующего воздействия на
них рабочих растворов [3].
www.mitht.ru/e-library
10
1.3 ПОВЕРХНОСТЬ ТЕПЛООБМЕНА
НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ КАМЕР АППАРАТА.
в случае равенства поверхностей теплообмена отдельных корпусов и при кипении раствора в трубах основное расчетное уравнение имеет вид* [5]:
A~ = l/r/3 L(QiAj)4/3 |
+ 1/F L (QjБj"/')ч") + |
+ 1/F°,з L (QIВOi)О'З |
(1) |
Для удобства решения этого уравнения относительно F
домножим его левую и правую части на F/~~:
F = l/A~ [ llF1/3 L (QiAj)4/3 |
+ L (QjБj"/Лi") + |
+ FO,7 L (Q/ВOi)О,з] |
(2) |
вэтих уравнениях обозначено:
~~- суммарная полезная разность температур во всех
корпусах многокорпусной выпарной установки (ее схема и
обозначения потоков приведены на рис. 1); она вычисляется по
формуле:
|
|
|
(3) |
где Т1 - температура греющего пара в l-M корпусе; |
|
||
8посл |
- температура вторичного пара в последнем корпусе |
||
(в случае 3-х корпусов 8иосл = 8з) |
|
|
|
LБi |
= ()l + ()2 + ()з + ...+ ~ |
сумма |
температурных |
депрессий в корпусах; |
|
|
|
L()ri |
= ()г1 + ()г2 + ()гЗ + ...+ ()г(N-l) |
- сумма |
гидравлических |
депрессий между корпусамиwww..mitht.ru/e-library