Выпарные аппараты

В выпарных установках под  разряжением удается получить, возможно, больший перепад температур между  паром, греющим первую ступень и  вторичным паром последней ступени. Это позволяет применить наибольшую кратность использования пара в  установке, но связано с лотерей тепла со вторичным паром последней ступени, который из выпарной установки направляется непосредственно в конденсатор.

Используются и выпарные установки с ухудшенным вакуумом. В этих схемам предусматривается  частичное использование вторичного пара последней ступени для покрытия тепловой нагрузки низкого потенциала, остальная часть пара направляется в конденсатор. При выпаривании под вакуумом температура кипения снижается; эго обстоятельство используется при сгущении растворов, для которых. во избежание порчи продукта, нельзя допустить высоких температур кипения.

При выпаривании под  атмосферным давлением (проводят в  однокорпусных выпарных установках) вторичный пар используется и  обычно удаляется в атмосферу. Такой  способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным. Экономия вторичного пара может быть также достигнута в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового насоса (например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат.

Многокорпусная установка  позволяет значительно снизить  расход тепла за счет многократного  использования пара. Предельно выгодное или оптимальное число корпусов зависит одновременно от расхода пара и его стоимости, от единовременной стоимости выпарной установки, срока ее амортизации и др. На практике число корпусов обычно не превышает 5-6.

 

1.3 Конструкции  выпарных аппаратов

 

Наибольшее распространение в химической и смежных отраслях промышленности получили высокопроизводительные выпарные аппараты непрерывного действия, особенно трубчатые выпарные аппараты различных типов. Нагревательные камеры таких аппаратов могут быть непосредственно соосно соединены с сепараторами в единое устройство. Возможно и устройство, состоящее из двух самостоятельных элементов: нагревательной камеры и сепаратора.

Выпарные аппараты классифицируются по различным признакам. Наиболее существенной является классификация по принципу организации циркуляции кипящего раствора в аппарате. Различают выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора, пленочные и барботажные аппараты.

Хорошая циркуляция раствора в аппарате способствует интенсификации теплообмена, в первую очередь со стороны кипящей жидкости. Как известно, увеличение скорости движения жидкости приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя, снижению его термического сопротивления и повышению коэффициента теплоотдачи. Кроме того, циркуляция раствора предотвращает быстрое отложение на стенках кипятильных труб твердой фазы (накипи). Появляется возможность осуществлять выпаривание кристаллизующихся и высоковязких растворов.

 

1.3.1 Выпарные  аппараты с естественной циркуляцией

 

Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. Скорость (кратность) циркуляции здесь невелика (скорость движения парожидкостной смеси составляет 0,3-0,8 м/с). Поэтому коэффициенты теплопередачи также относительно низкие. Несмотря на достаточную простоту, аппараты этого типа заменяются на другие - с более интенсивной циркуляцией.

На рис. 3. показан выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой 2. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, следовательно раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. Разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильных трубах 1 и раствора в циркуляционной трубе больше, чем в аппаратах с центральной циркуляционной трубой, поэтому кратность циркуляции и коэффициенты теплопередачи несколько выше. Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах уменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться при концентрировании растворов.

Рис. 3 - Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой: 1- нагревательная камера; 2 - циркуляционная труба; 3 - центробежный брызгоуловитель; 4 - сепарационное (паровое) пространство

 

Существенного снижения отложения солей можно достичь  при использовании аппаратов  с вынесенной зоной кипения. В таких аппаратах вследствие увеличенного гидростатического давления столба жидкости кипения в трубах нагревательной камеры не происходит, упариваемый раствор только перегревается. При выходе перегретого раствора из этих труб в трубу вскипания он попадает в зону пониженного гидростатического давления, где и происходит интенсивное его закипание.

Таким образом, предотвращается  возможность отложения накипи на теплообменной поверхности труб и, следовательно, увеличиваются коэффициент  теплопередачи и время эксплуатации аппарата между профилактическими ремонтами.

 

1.3.2 Выпарные  аппараты с принудительной циркуляцией

 

Более высокие кратности  циркуляции, соответствующие скоростям  движения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 4). Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов 4, обладающих высокой производительностью. В связи с более высокими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи - более 2000 Вт/(м²∙К), поэтому такие аппараты могут эффективно работать при меньших полезных разностях температур (равных 3-5°С). В аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успехом концентрировать высоковязкие или кристаллизующиеся растворы.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией  выполняют с вынесенной нагревательной камерой (см. рис. 4.). В этом случае появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее загрязнении, а иногда к одному сепаратору подсоединять две или три нагревательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющая нагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с соосными греющей камерой и сепаратором (см. рис. 5.) является меньшая производственная площадь, необходимая для его размещения.

 

Рис. 4 - Выпарной аппарат  с принудительной циркуляцией и  вынесенной нагревательной камерой: 1-греющая  камера; 2-сепаратор; 3-циркуляционная труба; 4 – электронасосный агрегат

 

Рис. 5 - Выпарной аппарат  с принудительной циркуляцией и  вынесенной циркуляционной трубой: 1 –  греющая камера; 2 – сепаратор; 3 –  циркуляционная труба; 4 - электронасосный  агрегат

 

К общим недостаткам  выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует отнести повышенный расход энергии, связанный с необходимостью работы циркуляционного насоса.

Все рассмотренные выше конструкции аппаратов по структуре  движения в них жидкости близки к  моделям идеального перемешивания, поэтому при сравнительно большом  объеме циркулирующего раствора последний находится при повышенных температурах достаточно длительное время (а отдельные частицы жидкости - бесконечно долго). Это существенно затрудняет выпаривание нетермостойких растворов. Для таких растворов можно использовать пленочные выпарные аппараты.

 

1.3.3 Пленочные  выпарные аппараты

 

Их относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции; процесс выпаривания осуществляется за один проход жидкости по кипятильным  трубам, причем раствор движется в  них в виде восходящей или нисходящей пленки жидкости. Как правило, эти аппараты работают при прямоточном движении раствора и образующегося вторичного пара, который занимает центральную часть труб. В связи с этим здесь отсутствует гидростатический столб парожидкостной смеси и, следовательно, гидростатическая депрессия. Для обеспечения заданных пределов изменения концентраций упариваемых растворов кипятильные трубы делают длинными (6-10 м).

Выпарной аппарат с  восходящей пленкой жидкости (рис. 6) работает следующим образом. Снизу заполняют раствором трубы на 1/4 и 1/5 их высоты, подают греющий пар, который вызывает интенсивное кипение. Выделяющийся вторичный пар, поднимаясь по трубам, за счет сил поверхностного трения увлекает за собой раствор. В сепараторе пар и раствор отделяются друг от друга.

 

Рис. 6 - Выпарные пленочные  аппараты с восходящей пленкой жидкости: 1 – греющая камера; 2 - сепоратор

 

В выпарном аппарате с  нисходящей пленкой жидкости (рис. 7) исходный раствор подают в верхнюю  часть греющей камеры 1, где обычно расположен распределитель жидкости, из которого последняя по трубам стекает вниз. Образующийся вторичный пар также движется в нижнюю часть нагревательной камеры, откуда вместе с жидкостью попадает в сепаратор 2 для отделения от раствора.

Рис. 7 - Выпарные пленочные аппараты с нисходящей пленкой жидкости: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор

 

Для снижения температуры  кипения раствора процесс, как правило, проводят под вакуумом. В этих аппаратах  удается упаривать также растворы, склонные к интенсивному пенообразованию. Вместе с этим пленочным аппаратам свойствен ряд недостатков. Они очень чувствительны к изменениям нагрузок по жидкости, в особенности при малых расходах растворов. Существует определенный минимальный расход раствора, ниже которого не удается достигнуть полного смачивания поверхности теплопередачи. Это может приводить к местным перегревам трубок, выделению твердых осадков, резкому снижению интенсивности теплопередачи. В таких аппаратах не рекомендуется выпаривать кристаллизующиеся растворы. Для них также требуются большие производственные площади.

Всем трубчатым выпарным аппаратам свойствен существенный недостаток: в них затруднительно, а часто и практически невозможно выпаривать агрессивные растворы. Для  таких растворов применяют аппараты, в которых отсутствуют теплопередающие поверхности, а процесс теплообмена осуществляют путем непосредственного соприкосновения теплоносителя (нагретых или топочных газов) с упариваемым раствором.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 РАСЧЕТ ТРЕХКОРПУСНОЙ  ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

 

Расчитать и спроектировать трёхкорпусную выпарную установку  непрерывного действия, для выпаривания  водного раствора KCl.

 

G_н= 3900 кг/ч

X_н= 7% (мас.)

X_к= 23% (мас.)

P_г1= 3 ат (изб.)

P_бк = 0,18 ат

t_н  (раствора) = 17 °С

 

2.1 Определение поверхности  теплопередачи выпарных аппаратов

 

Поверхность теплопередачи каждого  корпуса выпарной установки определяется по основному уравнению теплопередачи:

 

                                                                                                                 (2.1)

 

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δt_i необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.

 

Первое приближение

Производительность установки  по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса:

 

                                                                                                       (2.2)

 

Подставив, получим:

 

кг/с.

 

2.1.1 Концентрации  упариваемого раствора

 

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношений нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

 

^;                                                                                          (2.3)

 

 кг/с;                                                                (2.4)

 

 кг/с;                                                                                              (2.5)

 

 кг/с.                                                                                            (2.6)

 

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

 

 %                                                                 (2.7)

 

или 20,15 %;

 

 %                                                 (2.8)

 

или 28,19 %;