Реферат
Пояснювальна записка до курсового проекту: 48 с., 10 рис., 11 табл., 9 літер. джерел.
У загальній частині наведені теоритичні основи процесу випарювання, запропонована схема випарної установки безперервної дії, для концентрування 6 т/год. розбавленого водяного розчину нітрата натрію з початковою концентрацією 12% мас, до кінцевої концентрації 40 % мас. Вибрані типи основного і допоміжного апаратів.
В технологічному розрахунку визначені характеристики матеріальних і теплових потоків основного і допоміжних апаратів установки.
На базі технологічного розрахунку розрахована необхідна поверхня теплообміну. Проведено конструктивний, гідравлічний та механічний розрахунки випарного апарата. Визначено основні розміри апарата, вибрані стандартні вузли та деталі.
Наведено схему конструкції випарного апарата та опис його роботи.
АПАРАТ, РОЗРАХУНОК, ВИПАРЮВАННЯ, КОНСТРУКЦІЯ, ТЕХНОЛОГІЯ, ВИЗНАЧЕННЯ, СХЕМА.
ЗМІСТ
ВСТУП 5
1. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА 7
1.1 Обґрунтування та вибір способу концентрування 7
1.2 Фізико-хімічні основі процесу випарювання 9
1.3. Вибір та обгрунтування схеми установки 13
1.4 Принципова схема однокорпусної випарної установки і опис її роботи 15
2. ВИБІР КОНСТРУКЦІЇ ТА ПРИНЦИП ДІЇ ВИПАРНОГО АПАРАТА 17
2.1 Вибір конструкційного матеріалу 19
3 ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗРАХУНОК 21
3.1 Визначення загальної кількості упареного розчинника 21
3.2 Вибір тиску вторинної пари 21
3.3 Визначення температурного режиму випарного апарата 21
3.4 Визначення корисної різниці температур в установці 24
3.5 Тепловий баланс випарного апарата 25
3.6 Визначення витрати гріючої пари у підігрівачі вихідної суміші 27
3.7 Витрати охолоджуючої води у конденсаторі–холодильнику 28
4 КОНСТРУКТИВНИЙ РОЗРАХУНОК ВИПАРЮВАЛЬНОГО АПАРАТА 29
4.1 Визначення коефіцієнта теплопередачі в випарному апараті 29
4.2 Визначення поверхні теплопередачі випарного апарата 32
4.3 Визначення діаметрів штуцерів 33
4.4 Вибір фланцевих з'єднань до штуцерів 34
4.5 Вибір фланцевого з'єднання для гріючої камери 35
4.6 Вибір кришки та днища випарного апарата 36
5 ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК 38
6 МЕХАНІЧНИЙ РОЗРАХУНОК 40
6.1 Розрахунок товщини стінки оболонки гріючої камери. 40
6.2 Розрахунок товщини стінки днища гріючої камери 41
6.3 Розрахунок товщини трубної решітки гріючої камери 42
6.4 Розрахунок товщини стінки оболонки сепаратора 42
6.5 Розрахунок товщини стінки конічного днища сепаратора 44
6.6 Вибір опори апарату 44
7 СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 48
Вступ
Для розрахунку технологічних параметрів випарної установки та конструктивних розмірів апаратів необхідні основні фізико-хімічні властивості розчину NаNO3.
Нітрат натрію — натрієва сіль азотної кислоти з формулою складу NaNO3. Утворює мінерал нітратин (натрієва селітра або чилійська селітра) з класу нітратів, острівної будови.
Формула: NaNO3. Містить (у %): Na2O — 36,5; N2O5 — 63,5.
Форми виділення: ґрунтові вицвіти, кірки, порошкуваті маси, зрідка — зернисті агрегати і ромбоедричні, аналогічні кальциту кристали. Спайність досконала по ромбоедру. Густина 2,3. Твердість 1,5-2. Колір білий до жовтуватого, червонувато-коричневий, сірий. Блиск скляний. Крихка. Легко розчинна у воді.
Утворюється частково біогенним шляхом внаслідок діяльності ґрунтових нітробактерій, в основному за рахунок вулканічної діяльності або окиснення азоту в атмосфері при грозових розрядах і під дією інсоляції в умовах сухого клімату, коли азотна кислота, яка при цьому виникає, при потраплянні у ґрунт утворює нітрат, а при відсутності дощів і рослинності не розчиняється. Основний метод вилучення натрієвої селітри з соляних родовищ — розчинення.
Таблиця 1.1 Розчинність NаNO3 у воді в залежності від температури: [3]
| Температура, tºС | 0°С | 20ºС | 32,4 °С | 100ºС |
| Розчинність, NаNO3, % мас. | 4,5 | 19,2 | 49,8 | 42,3 |
Густина водних розчинів Nа2SО4 при температурі t = 30°С. в залежності від концентрації складає: [3]
Таблиця 1.2
| Концентрація NаNO3, мас. % | 6 | 10 | 20 |
| Густина розчину, ρ, кг/м3 | 1035 | 1065 | 1140 |
Теплопровідність 10% розчину складає
, в’язкість при температурі t = 20ºС, 
.Застосовується як добриво; в харчовій, скляній, металообробній промисловості; для отримання вибухових речовин, ракетного палива і піротехнічних сумішей для додання вогню жовтого кольору. Виготовляють з природних покладів вилуговуванням гарячою водою і кристалізацією; абсорбцією розчином соди окислів азоту; обмінним розкладанням кальцієвої або аміачної селітри з сульфатом, хлоридом або карбонатом натрію.
Вода – одна із самих поширених на Землі речовин. Вода входить до складу багатьох мінералів, знаходиться в ґрунті, являється обов’язковим компонентом усіх живих організмів.
При нормальних умовах температура плавлення води становить 0ºС, температура кипіння при атмосферному тиску – 100ºС, густина води ρ = 1000 кг/м3, динамічний коефіцієнт в’язкості, μ = 1,74Па*с, теплопровідність складає λ = 0,53 Вт/м*К.
Вода – один з кращих розчинників, розчиняє більшість полярних та дисоціюючих на іони речовин. Воду, яку використовують промислові підприємства, прийнято називати технічною. Її використовують, головним чином, як охолоджуючий агент, транспортуючий середовища для сипких матеріалів (наприклад гідротранспорт попелу на теплових електростанціях), як розчинник та інше. В цілому в усіх галузях промисловості 70-75% від загальної витрати води її використовують як холодоагент по циркуляційним схемам.
1.ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА
1.1 Обґрунтування та вибір способу концентрування
Відомі наступні можливі методи концентрування розчинів: перегонка, виморожування, екстракція, випарювання.
Перегонка один з найбільш розповсюджених методів розділення рідких однорідних сумішей, що складаються з двох або більшого числа компонентів. У широкому розумінні перегонка являє собою процес, що включає часткове випаровування суміші з наступною конденсацією пари, який проводять одно- або багаторазово. У результаті конденсації одержують чистий випарений компонент (рідина), склад якої відрізняється від складу вихідної суміші. За допомогою перегонки розділяють суміші, усі компоненти яких леткі, тобто мають визначений, хоча і різний тиск пари.
У розглянутому випадку необхідно здійснювати концентрування водного розчину сульфату натрію, один з компонентів якого не має леткості (NаNO3). Отже процес перегонки в даному випадку не підходить.
Екстракцією називають процес витягу одного або декількох компонентів з розчинів або твердих тіл за допомогою виборчих розчинників (екстрагентів). При взаємодії з екстрагентом у ньому добре розчиняються компоненти, що витягаються, і значно слабкіше або зовсім не розчиняються інші компоненти вихідної суміші. Екстракція незамінна для поділу суміші речовин, чуттєвих до підвищених температур. В розглянутому випадку розчин NаNO3 не має особливостей, наведених вище, тому процес екстракції для даного випадку не є оптимальним.
Випарюванням називається концентрування розчинів практично нелетких або малолетких речовин у рідких летких розчинниках, шляхом видалення частини леткого розчинника.
Випарюванню піддають розчини твердих речовин (водні розчини лугів, солей та ін.), а також висококиплячі рідини, що мають при температурі випарювання досить малий тиск насиченої пари – деякі мінеральні й органічні кислоти, багатоатомні спирти та ін.
При випарюванні здійснюється часткове видалення розчинника з усього об'єму розчину при температурі кипіння. Тому випарювання принципово відрізняється від випаровування, що, як відомо, відбувається з поверхні розчину при будь-яких температурах нижче температури кипіння.
В даному випадку розглядається процес концентрування водного розчину солі NаNO3, яка не має леткості, то для здійснення цього процесу доцільно вибрати процес випарювання.
Тепло, необхідне для випарювання, можна підводити будь-якими теплоносіями, що застосовують при нагріванні через стінку, що відокремлює теплоносій від розчину або при безпосередньому контакті розчину з топковими газами, або іншими теплоносіями.
Процеси випарювання проводять під вакуумом, при підвищеному й атмосферному тисках. Вибір тиску залежить від властивостей розчину, що випарюється, і можливістю використання тепла вторинної пари.
Випарювання під вакуумом має переваги перед випарюванням під атмосферним тиском, незважаючи на те, що теплота випаровування розчинника із розчину трохи зростає зі зниженням тиску і відповідно збільшується витрата пари на випарювання 1 кг розчинника (води).
Вакуумне випарювання дозволяє знизити температуру кипіння розчину і застосовується для випарювання термічно нестійких речовин (наприклад розчинів органічних речовин), а також висококиплячих розчинів, коли температура гріючого агента, не дає можливості вести процес під атмосферним тиском. Використання вакууму дозволяє також збільшити корисну різницю температур в випарному апараті, а отже, зменшити поверхню теплообміну.
Для випарювання під тиском необхідно застосовувати гріючі агенти з більш високою температурою. При випарюванні під атмосферним тиском вторинна пара, що утворюється, конденсується і направляється на очистку, але для зменшення енергозатрат на процес, її доцільніше використовувати, як для підігрівання початкового розчину в підігрівачі перед подачею його в випарний апарат, так і для інших нестатків. Однак випарювання під надлишковим тиском пов’язано з підвищенням температури кипіння розчину, тому такий спосіб застосовується для випарювання розчинів термічно стійких речовин. Крім того для випарювання під тиском необхідно застосовувати гріючі агенти з більш високою температурою. Так як сульфат натрію речовина термічно стійка, то доцільно проводити процес випарювання при підвищеному тиску, що дає можливість використання вторинної пари для підігрівання початкового розчину.
1.2 Фізико-хімічні основі процесу випарювання
Фізична сутність процесу випарювання є перетворення частини розчинника, або усього розчинника в пару, якщо випарюють однокомпонентну систему.
Випарювання відбувається із усієї маси рідини при температурі кипіння і відповідному тиску. Випаровування відбувається з поверхні рідини при будь - якій температурі. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії при випарюванні та випаровуванні має місце видалення частини молекул, які знаходяться в стані теплового руху із простору, що займає рідина. Молекули, які виділяються із рідини, заповнюють паровий простір і утворюють насичену пару. Частина цих молекул знову повертається в рідину, а частина залишається в паровому просторі і таким чином встановлюється динамічна рівновага, в результаті чого кількість молекул над рідиною і тиск насиченої пари досягають визначеної величини при даній температурі.
Коли температура кипіння змінюється, рівновага порушується, що призводить до зміни густини і тиску пари.
Під час кипіння рідини пара виділяється не тільки з поверхні, а й з парових бульбашок, які утворюються в самій рідині і цей процес стає основним, оскільки утворені бульбашки становляться центрами пароутворення. Бульбашки пари за мірою пароутворення збільшуються в розмірах, їх піднімальна сила збільшується, і переборюючи опір рідини, вони випливають на поверхню рідини і лопаються. Таке переміщення бульбашок із нижніх шарів рідини на поверхню забезпечує безперервне перенесення утвореної всередині рідини пари в паровий простір.
Парові бульбашки зароджуються на поверхні теплообміну, їх утворенню сприяють також гази, які знаходяться в рідині. При нагріванні гази починають виділятися з рідини, утворюючи велику кількість бульбашок, в які випаровується рідина. Умовами утворення парових бульбашок є рівність тисків всередині бульбашки та зовнішнього тиску рідини, що її оточує.
Щоб здійснити процес випарювання до рідини необхідно передати тепло від теплоносія, що можливо тільки при наявності температурного перепаду між ними. У випарній установці існує так званий загальний і корисний температурний напір, що відрізняються один від одного на величину температурних втрат (депресій), між якими існує наступний зв'язок.
Загальний температурний напір (загальна різниця температур) – це різниця між температурою гріючої пари, яка подається в випарний апарат і температурою конденсації вторинної пари в конденсаторі: [8]
,де
– загальна різниця температур, К; 
. – температура гріючої пари,ºС; 
– температура конденсації вторинної пари в конденсаторі,ºС.Корисний температурний напір (корисна різниця температур) в окремому випарному апараті визначається як різниця температури конденсації гріючої пари і киплячого розчину, визначається за формулою: [8]
,Загальний корисний температурний напір (корисна різниця температур) в випарній установці в загальному плані – це загальна різниця температур з вирахуванням температурних втрат, визначається за формулою: [8]
,де
– сума температурних втрат: 
,де
– температурна депресія, ºС; 
– гідростатична депресія, ºС; 
– гідродинамічна депресія, ºС.Температурна депресія. [8] Як відомо, що при одній і тій же температурі тиск пари над чистим розчинником набуває більшого значення, ніж тиск пари над розчином, і відповідно при одному і тому ж тиску температура кипіння чистого розчинника менша температури кипіння розчину. Різницю між температурами кипіння розчину і чистого розчинника називають температурною, або фізико-хімічною депресією.
,Крім фізико-хімічної, або температурної депресії існують ще гідростатична і гідродинамічна депресія. Всі ці депресії знижують корисний температурний напір у випарному апараті.
Гідростатична депресія. Температура tкип.– це середня температура кипіння розчину в трубах:
,де
– гідростатична депресія, або підвищення температури кипіння розчину внаслідок гідростатичного тиску стовпа рідини в апараті (гідростатичний ефект); 
– температура кипіння розчину в сепараторі, при якій випарений (кінцевий) розчин виводиться з апарата. На температуру кипіння впливає висота стовпа рідини. Якщо рідина кипить всередині вертикальної кип'ятильної трубки, то температура кипіння в верхній частині трубки буде нижча, ніж внизу, де до зовнішнього тиску додається гідростатичний тиск. Гідростатична депресія – це різниця температури кипіння розчину в нижній частині кип’ятильних трубок, що знаходиться під тиском гідростатичного стовпа рідини Н в апараті, і температури кипіння на поверхні верхньої трубної решітки гріючої камери (
в сепараторі). Наявність цієї депресії пов'язана з тим, що для утворення сферичних парових бульбашок у товщі рідини необхідно забезпечити у середині їх тиск, рівний тискові, утвореному висотою стовпа рідини.Гідродинамічна депресія [8] виникає внаслідок втрати тиску (і температури) на подолання гідравлічних опорів у трубах – тертя та місцевих опорів в паропроводі при переході вторинної пари із корпусу в корпус установки і сполучних трактах апаратів. Особливо істотна гідродинамічна депресія у випарних апаратах зі спадаючою плівкою рідини, що працюють при невеликих температурних напорах. Величину гідродинамічної депресії приймають за практичними даними в межах 0,5 – 1,5ºС.
Важливим питанням при розрахунку випарних апаратів є визначення температури пари над киплячим розчином. Її можна прийняти рівною температурі насичення при тиску в апараті, або ж рівною температурі рідини, згідно з результатами експериментальних досліджень.
1.3 Вибір та обгрунтування схеми установки
Обгрунтування прийнятої до проектування технологічної схеми установки виконується на основі аналізу випарних установок за ознаками кратності використання тепла гріючої пари, тиску вторинної пари в останньому корпусі, їх переваг та недоліків.
В хімічній промисловості використовують наступні основні схеми випарювання:
– просте випарювання – випарювання, яке здійснюють під атмосферним тиском, а іноді і під вакуумом, здійснюють в одиночних випарних апаратах (однокорпусних випарних установках), як безперервним, так і періодичним методом, характеризується великою витратою теплової енергії, і застосовується переважно, коли економія тепла не має великого значення;
– багаторазове випарювання – випарювання, яке здійснюють в багатокорпусній випарній установці; установка складається із послідовно сполучених між собою випарних апаратів безперервної дії, так званих корпусів, що дає можливість багаторазово використовувати тепло первинної пари за рахунок того, що вторинна пара, яка утворюється в попередніх корпусах, використовується в наступних як гріюча, або як екстра-пара;
– випарювання з тепловим насосом – випарювання здійснюється безперервно в однокорпусних випарних установках, в яких вторинна пара на виході з апарата стикується за допомогою теплового насоса до тиску, який відпровідає температурі гріючої пари, після чого знову повертається в апарат як гріюча.
Випарні установки [4] складаються з основних елементів – випарних апаратів (випарників) і допоміжного устаткування – конденсаторів, теплообмінників, насосів і ін.
Згідно завдання продуктивність установки досить висока і складає 5,5 т/годину, або 1,528 кг/с, то доцільно вибрати установку безперервної дії. З урахуванням наведеного вище, для даного процесу вибираємо однокорпусну
прямоточну випарну установку безперервної дії, із випарним апаратом з природною циркуляцією, та винесеною гріючою камерою, яка обігрівається водяною насиченою парою.
1.4 Принципова схема однокорпусної випарної установки і опис її роботи
Рис. 2.1 1 – випарний апарат; 2 – підігрівач розбавленого розчину; 3 – барометричний конденсатор; 4 – ємність розбавленого розчину; 5 – ємність випареного розчину; 6 – насос; 7 – конденсатовідвідник.
Принципова схема однокорпусної випарної установки показана на рис.2.1. Початковий розбавлений розчин із ємності 4 насосом 6 подається в підігрівач 2, в якому підігрівається до температури близької до температури кипіння. Далі підігрітий розчин надходить в випарний апарат 1, де випарюється до кінцевої концентрації. Для підігрівання розчину в підігрівачі 2 використовується тепло вторинної пари, яка утворюється при випарюванні розчину в випарному апараті 1. Випарений концентрований розчин виходить із сепаратора і збирається в ємність випареного розчину 5. В випарному апараті випарювання здійснюється за рахунок тепла первинної гріючої пари, яка подається в нагрівальну камеру випарного апарата. Вторинна пара, що утворилася в випарному апараті, виходить із сепаратора і надходить частково на нагрівання початкового розчину в підігрівач 2 як гріюча, а частково у барометричний конденсатор 3, де конденсується за рахунок охолодження її водою.
1 2 3 4