Расчет многокорпусной установки непрерывного действия для концентрирования водного раствора сульфата аммония

В химической промышленности для концентрирования растворов нелетучих и мало летучих веществ широко применяется процесс выпаривания. Наиболее целесообразно для этого использовать многокорпусные выпарные установки непрерывного действия (МВУ). МВУ состоят из нескольких корпусов, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. В многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия греющего пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Введение
1. Общая часть
1.1. Назначение и устройство аппарата
1.2. Описание процесса проходящего в аппарате
1.3. Технико – экономическое обоснование выбора аппарата
2 Расчетная часть
2.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
2.1.1 Расчёт концентраций выпариваемого раствора
2.1.2 Определение температур кипения раствора
2.1.3 Определение температурных потерь
2.2 Расчёт полезной разности температур
2.2.1 Определение тепловых нагрузок
2.2.2 Расчет коэффициентов теплопередачи
2.2.3 Распределение полезной разности температур
2.2.4 Определение толщины тепловой изоляции
3. Расчет вспомогательного оборудования
3.1 Расчет барометрического конденсатора
3.1.1 Определение расхода охлаждающей воды
3.1.2 Расчет диаметра барометрического конденсатора
3.1.3 Расчет высоты барометрической трубы
3.2 Расчёт производительности вакуум – насоса
3.3 Определение поверхности теплопередачи подогревателя
3.4 Расчёт центробежного насоса
3.5 Расчёт объёма и размеров емкостей
3.6 Определение диаметра штуцеров
3.7 Подбор конденсатоотводчиков
4. Техника безопасности и охрана окружающей среды
4.1. Территория предприятия
4.2. Помещения цехов
4.3. Вредные производственные факторы
4.4. Средства индивидуальной защиты
4.5. Отопление и вентиляция
4.6. Освещение зданий и цехов
4.7. Промышленная санитария и гигиена
4.8. Противопожарная защита
4.9. Электробезопасность
Заключение
Список использованных источников

1.1. Назначение и устройство аппарата
Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость чистки поверхности теплообмена, осмотра и ремонта.
Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами раствора.
Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8 мПа∙с) без образования кристаллов, чаще всего используют выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Высоковязкие и кристаллизующиеся растворы выпаривают в аппаратах с принудительной циркуляцией.
Растворы чувствительные к повышенным температурам рекомендуется выпаривать в роторно-пленочных выпарных аппаратах, а растворы склонные к пенообразованию – в прямоточных аппаратах с восходящей пленкой.

1.2.
...

1.2. Описание процесса проходящего в аппарате
Принципиальная технологическая схема трехкорпусной вакуум-выпарной установки непрерывного действия представлена на рис.1.1.

1 – емкость исходного раствора; 2 – насос; 3 – подогреватель исходного раствора; 4, 5, 6 – корпуса выпарной установки; 7 – барометрический конденсатор смешения; 8 – ловушка; 9 – бак-гидрозатвор; 10 – емкость упаренного раствора.
Исходный раствор подается из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3 в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки.
Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса.
...

1.3. Технико – экономическое обоснование выбора аппарата
Цель расчета выпарной установки – расчет материальных потоков, затрат тепла и энергии, размеров основного аппарата, расчет и выбор вспомогательного оборудования, входящего в технологическую схему установки.
В промышленности применяются многокорпусные выпарные установки, обеспечивающие экономию греющего пара. С увеличением числа корпусов уменьшается удельный расход пара, но увеличивается стоимость установки.
Выбор числа ступеней выпарной станции производится на основе технико-экономических расчётов.
Выпарная станция может компоноваться из одной, двух и более параллельно действующих выпарных установок.
Различают следующие схемы выпарных установок:
- по давлению вторичного пара в последней ступени:
а) работающие под разрежением;
б) под давлением;
в) при ухудшенном вакуумом.
- в зависимости от технологии обработки раствора при выпарке:
а) одностадийные;
б) многостадийные.
...

2.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
Задание на курсовое проектирование
Рассчитать и спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для концентрирования водного раствора (NH4)2SO4 по следующим данным:
1. Производительность установки по исходному раствору –12000 кг/ч;
2. Концентрация раствора: начальная – 5% масс.; конечная – 55 % масс.;
3. Давление греющего пара в первом корпусе – Р = 4 атм = 0,4 МПа;
4. Давление греющего пара во втором корпусе – Р = 1,5 атм = 0,15 МПа;
5. Раствор подается в первый корпус подогретым до температуры кипения;
Схема выпаривания - прямоточная; циркуляция естественная.
Технологический расчёт выпарных аппаратов заключается в определении поверхности теплопередачи. Поверхность теплопередачи выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи

, (1.
...

2.1.2 Определение температур кипения раствора
Температура кипения раствора в корпусе определяется как сумма температур греющего пара последующего корпуса и температурных потерь

, (1.3)

где  – соответственно температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, К.
Для определения температур греющего пара примем, что перепад давлений в установке ∆P распределяется между корпусами поровну:

= , (1.4)
где PГ1 – давление греющего пара в первом корпусе, МПа;
PГ2 – давление греющего пара во втором корпусе, МПа.
Тогда давление греющих паров, МПа, в корпусах составляет:

PГ1=0,4МПа
PГ2 = PГ1 – ∆P = 0,4 – 0,083 = 0,317 МПа
PГ3 = PГ2 – ∆P = 0,317 – 0,083 = 0,234 МПа
Pбк = PГ3 – ∆P = 0,234 – 0,083 = 0,151 МПа

По давлению греющего пара находим его температуру и теплоту парообразования (табл. 2.1) по корпусам.
Таблица 1.
...

2.1.3 Определение температурных потерь
Температурные потери в выпарном аппарате обусловлены температурной Δт, гидростатической Δгс и гидродинамической Δг депрессиями.
а) Гидродинамическая депрессия вызвана потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений паропроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчётах принимают Δг = 1,0 - 1,5 ºС на корпус. Примем Δг = 1 ºС, тогда температуры вторичных паров в корпусах равны:

tвп1 = tГ2 +Δг1 = 133,54+1=131,54 ºС
tвп2 = tГ3 +Δг2 = 120,23+1=121,23 0С
tвп3 = tбк + Δг3=99,63+1=100,63 ºС
Сумма гидродинамических депрессий:
∑Δг = Δг1 + Δг2 + Δг3 = 1+1+1 = 3 0С.
По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты парообразования (табл. 2.2).

Таблица 1.
...

2.2.1 Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в первом корпусе, производительность каждого корпуса по выпариваемой воде и тепловые нагрузки по корпусам определяются путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнениями баланса по воде для всей установки:

(1.7)
, а , то
(1.8)
(1.9)
(1.10)
W=W1+ W2+ W3, (1.11)

где D – расход греющего пара в первом корпусе, кг/с;
Н,h – энтальпия пара и конденсата, соответственно, Дж/кг;
1,03, 1,02, 1,01 – коэффициенты, учитывающие 3;2;1 % потерь тепла в окружающую среду по корпусам, соответственно (потери тепла обычно принимают в размере 2 ÷ 6% от тепловой нагрузки аппарата);
C – удельная теплоемкость, Дж/кг∙К;
 – теплота концентрирования по корпусам. Величинами пренебрегаем, поскольку эти величины значительно меньше принятых потерь тепла;
tн – температура кипения исходного раствора, подаваемого в первый корпус,
 – температура кипения в 1-ом корпусе.
...

2.2.2 Расчет коэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопередачи рассчитываем, исходя из того, что при установившемся процессе передачи тепла справедливо равенство:

(1.13)

Коэффициент теплопередачи К в [Вт/(м2 К)] можно рассчитать по уравнению:

, (1.14)
где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; q = Q/F;
и  – коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к кипящему раствору соответственно, Вт/(м2∙К);
 – сумма термических сопротивлений стенки загрязнений и накипи, (м2∙К/Вт);
 – разность температур между греющим паром и стенкой со стороны пара в первом корпусе, ºС;
– перепад температур на стенке, ºС;
 – разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.
Коэффициент теплоотдачи рассчитываем по уравнению:

, (1.
...

2.2.3 Распределение полезной разности температур
Полезные разности температур в корпусах установки находим из условия равенства их поверхностей теплопередачи:
, (2.17)

где  – общая полезная разность температур выпарной установки;  – отношение тепловой нагрузки к коэффициенту теплопередачи в корпусе; i = 1,2,3 – номер корпуса.

ΔtП1 = 27* 0С
ΔtП2 = 27* 0С
ΔtП3 = 27* 0С
Проверим общую полезную разность температур установки:

ΔtП = ΔtП1 + ΔtП2 + ΔtП3 = 7,6 + 8,4 + 10,8 = 26,8 0С

Поскольку рассчитаны величины тепловых нагрузок, коэффициентов теплопередачи и полезной разности температур по корпусам, следовательно, можно найти поверхность теплопередачи выпарных аппаратов:

F1 = = 363 м2
F2 = = 364 м2
F3 = = 364 м2
Полученные значения поверхности теплопередачи сравниваем с определенной ранее ориентировочной поверхностью Fор= 99,8 м2. Различие трехкратное. Значит, размеры выпарных аппаратов подбираем исходя из расчетов, с запасом.
...

2.2.4 Определение толщины тепловой изоляции
Толщину тепловой изоляции δиз находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду:

, (2.18)

где αв – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции к воздуху, Вт/(м2 К); αв = 9,3 + 0,058*tст2
tст2 – температура изоляции со стороны воздуха, °С; Для аппаратов, работающих внутри помещения tст2 выбирают в пределах 35 ÷ 45 ºС, а для аппаратов, работающих на открытом воздухе в зимнее время – в интервале 0 ÷ 10 ºС.;
tст1 – температура изоляции со стороны аппарата, ºС (температуру tст1 можно принимать равной температуре греющего пара, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции);
tв – температура окружающей среды (воздуха), ºС;
λиз – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мК).
В качестве изоляционного материала выбираем совелит, который содержит 85% магнезии и 15 % асбеста.
...

3.1.3 Расчет высоты барометрической трубы
Скорость воды в барометрической трубе

wв = = = 0,262 м.
Высота барометрической трубы

Hбт­­ = , (2.21)

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;
 – сумма коэффициентов местных сопротивлений;
λ – коэффициент трения в барометрической трубе;

Hбт, dбт – высота и диаметр барометрической трубы, м;
0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления.

B = Pатм – Рбк = (1-1,5)*9,8*104 = - 0,5*9,8*104 Па
ζвх + ζвых = 0,5+1 = 1,5 ,

где ζвх, ζвых – коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из неё.
Коэффициент трения λтр­ зависит от режима движения воды в барометрической трубе. Определим режим течения воды в барометрической трубе:

wв = = = 87333,3

где  – вязкость воды, Па∙с, определяемая по номограмме при температуре воды tср.
Для гладких труб при Re = 87333,3, λтр = 0,0184

Hбт = + (2,5 + )* = 5,58 м

3.2 Расчёт производительности вакуум – насоса
Производительность вакуум-насоса Gвозд определяется количеством воздуха, который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

, (2.22)

где 2,5∙10-5 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды; 0,01 – количество газа, подсасываемого в конденсатор через уплотнения на 1 кг паров. Тогда

Gв = 2,5*10-5 *(1,033+7,2)+0,01*1,033 = 10,5*10-3 кг/с

Объёмная производительность вакуум-насоса

, (2.5)

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К);
Mв – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль;
tв – температура воздуха, ºС;

Рв – парциальное давление сухого воздуха в барометрическом конденсаторе, Па.
Температура воздуха

tвозд = tн +4 + 0,1*(tк - tн) = 20 + 4 + 0,1*(96,63-20) = 31,6 ºС
давление воздуха

, (2.23)

где Рп – давление сухого насыщенного пара при tв, Па. При температуре воздуха 27,07 ºС, Рп = 0,038∙9,8∙104 Па.
Рв = (1,5-0,038)*9,8*104 = 1,46*9,8*104 Па.
...

3.3 Определение поверхности теплопередачи подогревателя
Поверхность теплопередачи подогревателя (теплообменника) Fп ,м2 определяем по основному уравнению теплопередачи:

, (2.24)
где QП – тепловая нагрузка подогревателя, Вт определяется из теплового баланса теплообменника: QП = GH*cH*(t2K – t2H) Кп – коэффициент теплопередачи, Вт/(м К), Кп = 120 ÷ 340;
Δtcp – средняя разность температур между паром и раствором, ºС;
GH,cH – количество начального раствора, кг/с, и его теплоёмкость, Дж/(кг∙К);
t2H – начальная температура исходного раствора, ºС;
t2K – температура раствора на выходе из теплообменника, ºС, равная температуре с которой раствор входит в первый корпус.
...

3.4 Расчёт центробежного насоса
Основными типами насосов, используемых в химической технологии, являются центробежные, осевые и поршневые. Для проектируемой выпарной установки используем центробежный насос. При проектировании обычно возникает задача определения необходимого напора Н и мощности N при заданной подаче (расходе) жидкости Q, перемещаемой насосом. Далее по найденному напору и производительности насоса определяем его марку, а по величине мощности на валу – тип электродвигателя к насосу.
Мощность на валу насоса, кВт,

, (2.25)

где Q – производительность насоса, м3/c;
Н – напор, развиваемый насосом, м;
 – к.п.д. насоса,  = 0,4 ÷ 0,9;
 – к.п.д. передачи (для центробежного насоса  = 1).
Напор насоса

, (2.
...

3.5 Расчёт объёма и размеров емкостей
Большинство емкостей представляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндрические аппараты. При проектировании емкостей основными руководящими документами являются нормали и Государственные стандарты.
По номинальному объему аппарата выбирают его основные конструктивные размеры (диаметр, высоту), которые должны соответствовать ГОСТ 9941 – 72, ГОСТ 9671 – 72.
Длина (высота) емкостей принимается равной (1 ÷1,5) Dн.

Расчет емкостей для разбавленного и упаренного раствора ведем из условий шестичасовой (сменной) работы выпарного аппарата, т.е.τ = 6 ч.
0бъём емкости для разбавленного (исходного) раствора

VH = = = 77,3 м3, (2.29)

где Gн, ρн – количество (кг/ч) и плотность (кг/м3) исходного раствора;
 – коэффициент заполнения емкости,  = 0,85 - 0,95. Для удобства работы устанавливаем три емкости объемом 30 м3. Принимаем диаметр емкости равным D = 3 м. Тогда длина ее l = 4,2 м.
...

3.7 Подбор конденсатоотводчиков
Для отвода конденсата и предотвращения проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками. Расчет и подбор стандартного поплавкового конденсатоотводчика по ГОСТ 15112 – 69 заключается в определении диаметра условного прохода по максимальному коэффициенту пропускной способности k и в выборе по найденной величине Dу конструктивных размеров аппарата [3].
Значение максимального коэффициента пропускной способности определяется в зависимости от расхода конденсата в (т/ч) и перепада давлений (кгс/см2) между давлением до конденсатоотводчика и после него:

, (2.33)

Давление до конденсатоотводчика Р1 следует принимать равным 90 – 95 % от давления греющего пара, поступающего в аппарат, за которым установлен конденсатоотводчик; давление после конденсатоотводчика принимается в зависимости от его типа и от величины давления в аппарате, но не более 40 % этого давления.
...

4.1. Территория предприятия
Территория предприятия и расположенные на ней здания и сооружения удовлетворяют технологическому процессу производства и требованиям «Санитарных норм проектирования промышленных предприятий» и «Противопожарным нормам строительного проектирования промышленных предприятий и населенных мест».
Территория предприятия спланирована. Имеет ровный характер. Ямы и другие углубления на предприятии ограждаются
Для погрузочно-разгрузочных работ из железнодорожных вагонов оборудована специальная площадка.
В местах пересечения рельсовых путей с дорогами для проезда и прохода пешеходов на территории предприятия оборудованы переездами и переходами, оборудованные сигнализацией, обеспечивающей безопасное движение.

Вся территория предприятия оборудована искусственным освещением, которое включается в темное время суток для обеспечения безопасного движения по заводу.
На территории предприятия имеется автозаправочная станция, вблизи которой запрещается стоянка автотранспорта.
...

4.2. Помещения цехов
Проезды и проходы внутри цехов имеют ясно обозначенные габариты. Двери и проемы для цеховых транспортировок соответствуют габаритным размерам применяющихся транспортных средств. Для прохода людей на территорию цеха или другого здания или сооружения и выхода из них к непосредственной близости к воротам установлены двери.
Ворота рабочих помещений открываются наружу, а ворота для въезда на территорию предприятия и выезда из неё – внутрь.
Стены помещения производственных цехов выложены облицовочным кирпичом собственного изготовления. По мере запыления стен цеха кирпич моется работниками хозяйственной службы.
Стекла на окнах ежемесячно очищаются от пыли и грязи. В зимнее время года оконные проемы утепляются.
За исправность оборудования, которое находится в том или ином цеху, отвечает начальник цеха.
Все рабочие места в цеху оборудованы необходимыми стеллажами для хранения инструментов, приспособлений, и др.
...

Список использованных источников
1. Касаткин А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии: Химия, I97I. 784 с.
2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976. 550 с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. - М.: Химия, 1983. 272 с.
4. Справочник химика. М.-Л.: Химия, 1964. Т.3. 1007 с., 1966. Т.5. 974 с.
5. Перри Д. Г. Справочник инженера-химика / Пер. с англ. Л.: Химия, 1969. Т.1. 640 с.
6. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материала и агрессивных сред химических производств. М.: Химия, 1975. 8I6 с.
7. Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. М.: Госэнергсиздат, 1955. 392 с.
8. Бакластов А.М., Горбатенко В.А.; Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплообменных установок. М.: Энергоиздат, 198I. 336 с.
9. ГОСТ 1867–57. Вакуум насосы низкого давления.
10.ГОСТ 15122–79. Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубные с температурным компенсатором на кожухе, 1979. 22с.
11. ГОСТ 11987–81. Аппараты выпарные трубчатые.
12. Каталог УКРНИИХИММАШа. Выпарные аппараты вертикальные трубчатые общего назначения. – М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979.–38 с.