Процесс выпаривания

Содержание

 

Введение

1 Основная часть

1.1 Краткое описание технологического процесса

1.2 Анализ технологического процесса как объекта управления

1.3 Постановка задачи автоматизации

1.4 Описание принципиальной электрической схемы

1.5 Описание функциональной схемы

1.6 Выбор приборов и средств автоматизации

1.7 Спецификация используемых средств автоматизации

Заключение

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Современная промышленность характеризуется весьма большим  числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов и  многообразием физико-химических свойств  перерабатываемых веществ и выпускаемой  продукции. Вместе с тем технологические  процессы различных производств, представляют собой комбинацию сравнительно небольшого числа типовых процессов (нагревание, охлаждение, выпаривание и т. д.) При  кипении растворов нелетучих  веществ (например, растворов солей, щелочей, органических веществ с  очень низким давлением паров  при температуре кипения и  т.п.) в пары переходит практически  только растворитель. По мере его испарения  и удаления в виде паров концентрация раствора повышается. Процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении, называется выпариванием [1].

Испарение при температурах ниже температуры  кипения данного раствора происходит с его поверхности, в то время  как при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего растворителя из раствора.

Обычно из раствора удаляют  лишь часть растворителя, так как  в применяемых для выпаривания  аппаратах вещество должно оставаться в текучем состоянии. В ряде случаев  при выпаривании растворов твердых  веществ достигается насыщение  раствора. При дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т.е. выделение из него твердого вещества.

Процесс выпаривания широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов, выделения  из них растворенных веществ путем  кристаллизации, а иногда – для  выделения растворителя (например, при получении питьевой или технической  воды в выпарных опреснительных установках) [2].

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту  от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при  наличии разности температур между  ними. При анализе и расчете  процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и  кипящим раствором принято называть полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным, хотя, конечно, для этой цели могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоносители.

Таким образом, выпаривание  является типичным процессом переноса теплоты от более нагретого теплоносителя - греющего пара – к кипящему раствору. Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание  в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключаются  в особенностях его аппаратурного  оформления и методе расчета выпарных установок.

Выпаривание проводят при  атмосферном давлении, под вакуумом или под давлением, большим атмосферного. Образующийся при выпаривании растворов пар называется  вторичным, или соковым [3].

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению  с атмосферной выпаркой: снижается  температура кипения раствора, что  дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов  термически нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что  ведет к снижению требуемой поверхности  теплопередачи выпарного аппарата; несколько снижаются потери теплоты  в окружающую среду (так как снижается  температура стенки аппарата); появляется возможность использования теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам выпаривания под вакуумом относятся удорожание установки (так как требуется дополнительное оборудование – конденсатор, вакуум–насос и др.), а также несколько больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раствором происходит увеличение теплоты испарения растворителя).

При выпаривании под повышенным давлением (выше атмосферного) вторичный  пар может быть использован в  качестве греющего агента для различных технологических нужд.

В случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной. Если же в установке имеются два и более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпусной. В этом случае вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что приводит к существенной экономии свежего греющего пара. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называют экстра-паром. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и т.д.

При больших производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого  раствора в час и выше), что  характерно для промышленности, выпаривание  проводят по непрерывному принципу. В  аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной  циркуляции раствора, т.е. в таких  аппаратах гидродинамическая структура  потоков близка к модели идеального смешения. Поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к  конечной, что приводит к ухудшению  условий теплопередачи (так, с повышением концентрации раствора увеличивается  его вязкость и, следовательно, снижается  коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору) [4].

 

 

 

 

1. Основная часть

 

1. Краткое описание технологического процесса

 

Выпариванием называется концентрирование растворов практически  нелетучих или мало летучих веществ  в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие  жидкости, обладающие при температуре  выпаривания весьма малым давлением  пара, — некоторые минеральные  и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения  растворителя в чистом виде: при  опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар  конденсируют и воду используют для  питьевых или технических целей.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его  температуре кипения. Поэтому выпаривание  принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с  поверхности раствора при любых  температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор  подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных  для этих целей.

Получение высококонцентрированных  растворов, практически сухих и  кристаллических продуктов облегчает  и удешевляет их перевозку и хранение.

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 элементом служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании  кипящего раствора, называется вторичным. Тёпло необходимое для выпаривания  раствора, обычно подводится через  стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производства

концентрированных растворов  осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого  раствора стопочными 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 определённые преимущества перед  выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения  раствора несколько возрастает с  понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание  1 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 pa6очих 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.

При выпаривании под давлением  выше атмосферного также можно исполь-

зовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд, несвязанных с процессом выпаривания.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстрапаром. Отбор экстрапара 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.

При выпаривании под атмосферным  давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

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 выпариваемого  раствора) корпусах снижается таким  образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром  из предыдущего корпуса и раствором, кипящим 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 

иногда используют выпарные аппараты периодического действия. Концентрация

раствора в таком аппарате приближается к вырабатываемой лишь в конечный период процесса. Поэтому средний коэффициент теплопередачи здесь может быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, где концентрация раствора ближе к конечной в течение всего процесса выпаривания.

Современные выпарные установки  имеют очень большие поверхности  нагрева (иногда превышающие 2000 м² в каждом корпусе) и являются крупными потребителями тепла [5].

 

1.2 Анализ технологического процесса как объекта управления

 

Показателем эффективности  процесса является концентрация упаренного раствора. Цель управления выпарной установки  состоит в получении раствора заданной концентрации, а также в  поддержании материального и  теплового балансов.

Расход свежего раствора можно стабилизировать или изменять для достижения цели управления процессом  выпаривания, так как этот процесс  в большинстве случаев является основным на производствах.

Концентрация свежего  раствора определяется предшествующими  технологическими процессами; её изменения  будут сильными возмущениями для  процесса выпаривания. Расход паров  растворителя определяется параметрами  исходного раствора, а также режимными  параметрами в аппарате: температурой давлением, концентрацией раствора, интенсивностью подвода тепла.

Если предположить, что  цель управления достигнута, т.е. концентрация упаренного раствора на выходе из аппарата постоянна и соответствует заданной, то между температурой и давлением  в аппарате будет соблюдаться  определенная зависимость. Поэтому  достаточно стабилизировать только один из этих параметров. В большинстве  случаев это- давление в аппарате, которое можно регулировать изменением отбора пара из аппарата. Интенсивность  подвода тепла к кипятильнику определяется параметрами теплоносителя: расходом, температурой, давлением  и энтальпией.

Концентрация упаренного раствора зависит от расхода, концентрации и температуры исходного раствора, расхода и давления греющего пара, давления в выпарном аппарате. В  соответствии с целью управления схемой автоматизации предусматривают  регулирование концентрации упаренного раствора. Концентрацию можно измерить кондуктометрическим методом, по плотности  раствора, по показателю преломления  света или по величине температурной  депрессии раствора, т.е. по разности температур кипения раствора и растворителя. Последний метод вследствие простоты и наличия однозначной зависимости  между концентрацией и температурной  депрессией при постоянном давлении применяют довольно часто.