Руководство по проектированию вакуумного выпарного аппарата для концентрирования раствора сульфата титанила

Введение, где мы определяем цели и актуальность проекта

Диоксид титана (TiO2) — это не просто химическое соединение, а основа современной яркости и долговечности многих продуктов. Его уникальные свойства как пигмента сделали его незаменимым в лакокрасочной промышленности, на долю которой приходится около 60% всего потребления, а также в производстве бумаги, пластмасс и других материалов. Учитывая, что мировое производство этого вещества исчисляется миллионами тонн, эффективность каждого этапа его получения имеет огромное экономическое значение.

Одним из ключевых методов производства является сульфатный, в котором важнейшей стадией выступает концентрирование раствора сульфата титанила (TiOSO4). От качества и стабильности этого процесса напрямую зависит выход и чистота конечного продукта. Именно поэтому проектирование эффективного и надежного оборудования для этой задачи является актуальной инженерной проблемой.

Цель данного курсового проекта — спроектировать вакуум-выпарной аппарат, предназначенный для концентрирования раствора сульфата титанила, выполнив все необходимые технологические, конструктивные и прочностные расчеты.

Что такое процесс выпаривания и почему вакуум меняет всё

Выпаривание — это технологический процесс, целью которого является концентрирование раствора путем частичного удаления растворителя (чаще всего воды) через его испарение при кипении. Проще говоря, мы «вывариваем» лишнюю воду, чтобы увеличить долю ценного вещества в растворе.

Традиционно для этого требуется нагрев до температуры кипения, что для многих веществ может быть губительно. И здесь на сцену выходит вакуум. Создавая разрежение над поверхностью жидкости, мы значительно снижаем ее температуру кипения. В вакуум-выпарных установках этот процесс может протекать при температуре около 40°C, что дает колоссальные преимущества:

• Сохранность продукта: Сульфат титанила является термочувствительным соединением. Низкотемпературная обработка предотвращает его разложение и обеспечивает высокое качество конечного продукта.
• Энергосбережение: Для нагрева раствора до 40°C требуется значительно меньше энергии, чем для нагрева до 100°C, что напрямую снижает эксплуатационные расходы.
• Микробиологическая стабильность: Работа при пониженных температурах замедляет или полностью останавливает рост нежелательных микроорганизмов.

Применение вакуума превращает грубый процесс кипячения в деликатную и контролируемую операцию, что особенно важно для химической промышленности.

Обзор конструкций выпарных аппаратов, существующих в индустрии

Инженерная мысль создала множество конструкций выпарных аппаратов, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Их можно классифицировать по нескольким ключевым признакам, но основным является способ организации циркуляции раствора.

1. Аппараты с естественной циркуляцией: В них движение раствора происходит за счет разницы плотностей нагретого у стенок теплообмена и более холодного раствора в центральной части. Это простые и надежные конструкции, но они малоэффективны для вязких или склонных к образованию накипи жидкостей.
2. Аппараты с принудительной циркуляцией: Здесь раствор прокачивается через греющую камеру с помощью насоса. Это позволяет значительно интенсифицировать теплообмен, работать с вязкими средами и минимизировать отложения на греющих поверхностях. Несмотря на большую сложность и энергопотребление, их производительность гораздо выше.
3. Пленочные аппараты: В этих устройствах раствор стекает тонкой пленкой по греющей поверхности. Это обеспечивает очень интенсивный тепло- и массообмен и минимальное время пребывания продукта в зоне высоких температур. Они идеально подходят для особо чувствительных веществ.

Также аппараты делятся по режиму работы на периодические (загрузка -> выпаривание -> выгрузка) и непрерывные. Установки непрерывного действия, как правило, более производительны и являются стандартом для крупнотоннажных производств, где площадь поверхности нагрева может достигать 2500 м².

Выбор и детальное описание технологической схемы установки

Для нашей задачи — концентрирования раствора сульфата титанила — выбор очевиден в пользу аппарата с принудительной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. Такой выбор обоснован несколькими причинами. Во-первых, принудительная циркуляция предотвратит образование отложений солей на греющих трубках, что является критически важным для данного процесса. Во-вторых, вынесенная греющая камера упрощает обслуживание и чистку теплообменника.

Принципиальная технологическая схема такой установки включает следующие ключевые элементы:

• Выпарной аппарат (сепаратор): Емкость, в которой происходит разделение паровой и жидкой фаз.
• Греющая камера: Теплообменник, где раствор нагревается греющим паром.
• Циркуляционный насос: Обеспечивает принудительное движение раствора по контуру «сепаратор — греющая камера».
• Конденсатор: Устройство для конденсации вторичного пара, который отводится из сепаратора.
• Вакуум-насос: Создает и поддерживает необходимое разрежение в системе.

В этой схеме исходный раствор подается в циркуляционный контур, многократно проходит через греющую камеру, где нагревается, и поступает в сепаратор. В сепараторе из-за пониженного давления происходит мгновенное вскипание и испарение части растворителя. Образовавшийся вторичный пар отводится в конденсатор, а концентрированный раствор непрерывно отбирается с низа аппарата.

Фундамент проекта, или Как выполнить материальный расчет установки

Любой технологический расчет начинается с материального баланса. Его основа — закон сохранения массы: сколько вещества вошло в установку, столько же должно и выйти. Для выпарного аппарата это означает, что масса исходного раствора равна сумме масс полученного концентрата и испарившейся воды (вторичного пара).

Основное уравнение материального баланса по всему веществу выглядит так:

G_исх = G_конц + W

А уравнение баланса по растворенному веществу (в нашем случае TiOSO4):

G_исх * C_нач = G_конц * C_кон

Где:

• G_исх — расход исходного раствора, кг/ч.
• G_конц — расход концентрированного раствора, кг/ч.
• W — количество выпаренной влаги (вторичного пара), кг/ч.
• C_нач и C_кон — начальная и конечная концентрации раствора, % масс.

Алгоритм расчета на гипотетическом примере прост:

1. Определяем расход концентрата. Зная исходный расход (например, 1000 кг/ч) и концентрации (например, с 10% до 50%), находим G_конц из второго уравнения: G_конц = (1000 * 10) / 50 = 200 кг/ч.
2. Находим количество испаренной влаги. Из первого уравнения находим W: W = G_исх — G_конц = 1000 — 200 = 800 кг/ч.

Таким образом, мы определили массы всех потоков в нашей системе, что является основой для всех дальнейших вычислений.

Тепловой баланс как инструмент для определения расхода греющего пара

Если материальный баланс отвечает на вопрос «сколько?», то тепловой баланс отвечает на вопрос «сколько нужно энергии?». Суть его проста: количество подведенной к аппарату теплоты (приход) должно равняться количеству отведенной теплоты (расход). Это позволяет рассчитать главный экономический параметр — расход греющего пара.

Уравнение теплового баланса состоит из следующих статей:

Приход теплоты:

• Q_пара: Основная статья. Теплота, выделяющаяся при конденсации греющего пара. В качестве теплоносителя часто используют именно пар из-за его высокой теплоты конденсации.
• Q_исх: Теплота, вносимая в аппарат с исходным раствором.

Расход теплоты:

• Q_втор: Теплота, уносимая вторичным паром.
• Q_конц: Теплота, уносимая горячим концентрированным раствором.
• Q_конд: Теплота, уносимая конденсатом греющего пара.
• Q_пот: Потери теплоты в окружающую среду через изоляцию аппарата. Обычно их принимают в размере 3-5% от общего прихода тепла.

Q_пара + Q_исх = Q_втор + Q_конц + Q_конд + Q_пот

Решая это уравнение относительно Q_пара и зная теплоту конденсации пара, можно легко найти его массовый расход. Этот показатель напрямую влияет на производственные затраты.

Аппаратурный расчет для определения ключевых размеров конструкции

После того как мы определили материальные и тепловые потоки, наступает время конструктивного, или аппаратурного, расчета. Его главная цель — определить физические размеры оборудования, и в первую очередь — площадь поверхности теплообмена (F), то есть суммарную площадь всех трубок в греющей камере.

Расчет ведется по основному уравнению теплопередачи:

Q = K * F * Δt

Где:

• Q — количество теплоты, которое необходимо передать от греющего пара к раствору, Вт (берется из теплового баланса).
• F — искомая площадь поверхности теплообмена, м².
• Δt — полезная разность температур между греющим паром и кипящим раствором, °C.
• K — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К).

Коэффициент теплопередачи K является комплексной величиной, которая зависит от множества факторов: скорости движения жидкости, ее вязкости, теплопроводности, а также от материала стенок и наличия загрязнений. Его определяют по сложным эмпирическим формулам или выбирают из справочных данных для схожих условий. Рассчитав необходимое Q и определив K и Δt, мы находим требуемую площадь F. На основе этой площади уже можно выбрать стандартный теплообменник из каталога либо рассчитать количество и длину трубок для проектирования уникального аппарата.

Механический и гидравлический расчеты как проверка на прочность и работоспособность

Проектирование аппарата не заканчивается на определении его размеров. Необходимо убедиться, что он будет прочным и работоспособным. Для этого служат механический и гидравлический расчеты, которые являются обязательной частью курсового проекта по ПАХТ.

Механический расчет (расчет на прочность) преследует цель определить минимально необходимую толщину стенок корпуса аппарата, его днищ и крышек. Конструкция должна выдерживать рабочее давление без разрушения и деформаций. В нашем случае аппарат работает под вакуумом, поэтому расчет ведется на устойчивость к внешнему атмосферному давлению.

Гидравлический расчет необходим для определения гидравлических сопротивлений в системе (в трубопроводах, греющей камере, арматуре). Зная общее сопротивление контура, можно правильно подобрать мощность циркуляционного насоса. Он должен не просто прокачивать раствор, а обеспечивать заданную скорость его движения, необходимую для эффективного теплообмена и предотвращения отложений.

Структура пояснительной записки и требования к графической части

Результаты всей проделанной работы оформляются в виде пояснительной записки и графической части. Это финальный продукт вашего курсового проекта.

Пояснительная записка, объемом около 35-45 страниц, должна иметь четкую структуру и включать все ключевые разделы:

1. Введение (с обоснованием актуальности)
2. Аналитический обзор существующих технологий и конструкций
3. Описание выбранной технологической схемы и принципа ее работы
4. Технологические расчеты (материальный и тепловой балансы)
5. Конструктивный (аппаратурный) расчет
6. Механический расчет на прочность
7. Гидравлический расчет
8. Выводы по работе
9. Список использованной литературы

Графическая часть обычно состоит из одного или двух чертежей формата А1, на которых представляется чертеж общего вида спроектированного вакуум-выпарного аппарата со спецификацией и детальная технологическая схема установки.

Заключение, в котором мы обобщаем результаты проектирования

В ходе выполнения курсового проекта была решена комплексная инженерная задача. Мы начали с анализа актуальности темы, изучили теоретические основы процесса выпаривания и провели обзор существующих конструкций аппаратов. На основе этого анализа был сделан обоснованный выбор в пользу аппарата с принудительной циркуляцией, для которого была разработана технологическая схема.

Ключевой частью работы стало последовательное выполнение всех необходимых расчетов: материального, теплового, конструктивного, механического и гидравлического. В результате был спроектирован вакуум-выпарной аппарат, полностью соответствующий поставленной технологической задаче по концентрированию раствора сульфата титанила, и подготовлена вся необходимая проектная документация.

Список использованной литературы

1. Мировой рынок титана [Электронный ресурс] // Cmmarket.ru: мировые товарные рынки. – М., 2013. Режим доступа: http://www.cmmarket.ru/markets/tiworld.htm (Дата обращения: 14.10.16)
2. Мировой рынок диоксида титана: по материалам «Института исследования товародвижения и конъюнктуры оптового рынка» («ИТКОР») [Электронный ресурс] // ОАО «ЯрегаРуда». – 2007. – Режим доступа: http://www.yaregaruda.ru/ru/node/49 (Дата обращения: 15.10.16)
3. Мировой рынок диоксида титана: информационный бюллетень МЭР РФ [Электронный ресурс] // Информационное агентство MetalTorg.Ru. – 2010. – Режим доступа: http://www.metaltorg.ru/analytics/publication/index.php?id=3646 (Дата обращения: 20.10.16)
4. Химия и технология редких и рассеянных элементов: ч. 2 / И.В. Шахно и др.; под ред. К.А. Большакова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1978. – 360 с.
5. Хазин, Л.Г. Двуокись титана. – 2-е изд., испр. и доп. – Л.: Химия, 1970. – 176 с.
6. Техническая двуокись титана и ее получение из измененного ильменита сернокислотным методом: монография / Я.В. Горошенко и др. – Киев: Наукова думка, 1968. – 95 с.
7. Процессы и аппараты химической технологии [Электронный ресурс]. – Невинномысск, 2010. – Режим доступа: http://paht.vector-study.ru/ (Дата обращения: 27.10.16)
8. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. – 2-е изд. в 2 кн. – М.: Химия, 1995. – 400 с.
9. Касаткин, А.П. Основные процессы и аппараты химической технологии. – 7-е изд. – М.: Госхимиздат, 1961. – 831 с.
10. Справочник химика: т. V. В VII томах / Под ред. Б.П. Никольского и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1968. – 972 с.
11. Расчет выпарных установок: учебное пособие / Л.Н. Кузнецова, Л.И. Селянина, С.И. Третьяков. – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2004. – 72 с.
12. Аппараты выпарные трубчатые вертикальные общего назначения: каталог-справочник / Сост. А.В. Герасименко, Е.М. Ковалев. – М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1965. – 52 с.
13. Справочник сернокислотчика / Под ред. К.М. Малина. – 2-е изд., доп. и перераб. – М.: Химия, 1971. – 744 с.
14. Технология серной кислоты: учебное пособие / К.М. Малин, Н.Л. Аркин, Г.К. Боресков, М.Г. Слинько. – М.: Госхимиздат, 1950. – 570 с.