Лекция № 9. Расчет и конструирование выпарной установки

Процесс концентрирования растворов, заключающийся в удалении растворителя путем испарения при кипении, называется выпариванием.

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

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 большинстве случаев в качестве грею­ще­го агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим или первичным. Пер­вич­ным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар про­ме­жу­точного отбора паровых турбин. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, назы­ва­ет­ся вторичным. Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, от­де­ляющую теплоноситель от раствора. Выпаривание проводят под вакуумом, при повышенном и ат­мо­сфер­ном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью ис­пользования тепла вторичного пара.

При выпаривании раствора под атмосферным давлением образующийся вторичный пар вы­пус­ка­ет­ся в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым.

При выпаривании под пониженным давлением в аппарате создается вакуум путем конденсации вто­ричного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с по­мо­щью вакуум-насоса.

При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как на­гре­вающий агент в подогревателях, для отопления и т.п. Наибольшее распространение для выпа­ривания получили выпарные аппараты с паровым обо­гре­вом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб. Выпарные аппараты с паровым обо­гре­вом состоят из двух основных частей: 1. Кипятильника (греющей камеры), в котором расположена по­верхность теплообмена и происходит выпаривание раствора; 2. Сепаратора, в пространстве кото­ро­го вторичный пар отделяется от раствора.

По существу выпаривание представляет собой массообменный процесс - с переносом компонента из жидкой фазы в паровую. Однако на практике в ходе выпаривания в паровую фазу переходит только растворитель; растворенное вещество (зa крайне редким исключением) полностью остается в раство­ре. При этом количество испаренного растворителя всецело определяется количеством подведенной теплоты. Поэтому про­цесс выпаривания трактуется и рассчитывается как тепловой.

Выпариванием называют процесс частичного удаления рас­творителя из растворов путем кипения последних. В подав­ляющем большинстве случаев выпариванию подвергают водные растворы твердых веществ, однако растворителями могут быть и другие жидкости. При этом методы инженерного расчета и аппаратурного оформления являются общими (не зависят от вида растворителя).

Раствор какой-либо соли, подлежащий выпариванию, будем называть исходным, или свежим раствором. Получаемый в процессе выпаривания раствор называют упаренным раствором, а отводимый пар растворителя - вторичным паром. Вторичный пар, как правило, практически не содержит растворенного вещества. В результате при удалении растворителя концентрация растворенного вещества в растворе повышается.

Обычно удаляют лишь часть растворителя с таким расчетом, чтобы раствор оставался в текучем состоянии, и его можно было в соответствии с технологической схемой передавать в другой аппарат или потребителю. Иногда при выпаривании растворов твердых веществ происходит насыщение раствора и выпадение твердого вещества. В этом случае выпариванию сопутствует процесс кристаллизации.

Таким образом, выпаривание применяют как для повышения концентрации разбавленных растворов, так и для выделения из них твердого вещества путем кристаллизации.

Выпаривание до конечной концентрации может произво­диться как периодически, так и непрерывно. В последнем случае после выхода на режим (т.е. достижения в аппарате заданной конечной концентрации) в выпарной аппарат непрерывно вво­дят поток свежего раствора и выводят из него поток упаренно­го раствора, причем параметры ведения процесса остаются неизменными во времени.

Концентрирование растворов методом выпаривания - один из наиболее распространенных технологических процессов в химической, пищевой и других отраслях промышленности. Число действующих выпарных установок исчисляется многими сотнями, а суммарное количество выпариваемой воды в наибо­лее крупных из них достигает миллиона тонн в год и более. При этом на испарение 1 кг растворителя требуется подвести теплоту, равную (оценочно) теплоте парообразования (для наи­более часто используемого растворителя - воды - это величи­на порядка 2000 кДж/кг). В результате на процессы выпарива­ния растворов расходуется огромное количество теплоты, вы­паривание - крайне энергоемкий процесс.

Выпаривание до заданной концентрации может произво­диться как в одном аппарате, так и в нескольких (в так назы­ваемой многокорпусной выпарной установке) с увеличением концентрации раствора от корпуса к корпусу.

Необходимость передачи больших количеств (потоков) тепла упариваемому раствору предопределяет другую отличительную особенность процессов выпаривания - их металлоемкость: на изготовление выпарных аппаратов расходуются десятки тысяч тонн сталей (часто легированных), хрома, никеля и других ме­таллов. Поэтому для каждого конкретного случая выпаривания важно научиться выбирать оптимальную схему проведения процесса и наиболее подходящую конструкцию аппарата с тем, чтобы обеспечить максимальную производительность установку при фиксированных затратах энергии и металла или минимальные затраты - при определенной производительности.

Целью технологического расчета выпарной установки является:

- определение расхода греющего пара на проведение процесса;

- определение поверхности теплообмена и основных размеров выпарного аппарата;

- выявление режимных характеристик процесса (температуры, давления, концентрации и т.д.).

Методика расчета выпарной установки зависит от выбранной технологической схемы, конструкции аппарата и способа ведения процесса (непрерывно или периодически).

Классификация выпарных аппаратов

Множество конструкций выпарных аппаратов обусловлено индивидуальными особенностями выпариваемых растворов, имеющимся набором теплоносителей и желанием получить максимальный эффект при сочетании этих факторов. Единой классификации, охватывающей все многообразие выпарных аппаратов, не существует; их обычно классифицируют по от­дельным признакам. Приведем наиболее существенные срезы классификации с кратким комментарием.

По рабочему давлению в корпусе (в последнем корпусе, если выпаривание производится в многокорпусной установке) вы­парные аппараты разделяются на работающие под атмосферным давлением (или близким к нему), под повышенным давлением и под разрежением. В последнем случае достигается больший пе­репад температур между греющим теплоносителем и кипящим раствором. Однако использование теплоты отводимых вторич­ных паров затруднительно. При работе под повышенным дав­лением энергия вторичного пара может быть использована в других теплоиспользующих установках.

По степени насыщения раствора различают выпарные аппа­раты для повышения концентрации вещества в области ниже состояния насыщения (без кристаллизации) и с получением насыщенных (и пересыщенных) растворов. В последнем случае конструкция выпарного аппарата отличается наличием камеры солеотделения для образующихся кристаллов.

Различают выпарные аппараты и по способу подачи теплоты: через теплопередающую поверхность или путем непосредственного контакта греющего агента с выпариваемым раствором. Последний вариант применяют при выпаривании агрессивных жидкостей, разрушающих теплопередающую поверхность.

Конструкции наиболее типичных выпарные аппараты показаны на рисунке 32.

Выпарные аппараты с циркуляцией раствора включают в себя греющую камеру 1, циркуляционную трубу 2, сепаратор 3 и брызгоуловитель 4 в верхней части последнего. Циркуляционная труба может быть размещена в осевой (центральной) части греющей камеры (отсюда название "выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой", (рисунок 32, а) или отдельно от греющей камеры. В этом случае последняя может быть расположена либо соосно с сепаратором (рисунок 32, 6), либо на некотором расстоянии от оси сепаратора - вынесенная греющая камера (рисунок 32, в).

Подвод теплоты к раствору, кипящему в трубах греющей камеры, осу­ществляется за счет подачи в межтрубное пространство конденсирующегося водяного пара. Сепаратор и в ряде случаев расположенный в нижней части отбойник (позиция 5 на рис. 32, 6) служат для разделения парожидкостной смеси, выходящей из нагревательных труб, на раствор и пар.

Для более полной очистки вторичного пара от уносимых им капель раствора в верхней части сепаратора устанавливается брызгоуловитель. На рисунке 32, а показан простейший тип брызгоуловителя, работа которого основана на многократном изменении величины и направления скорости парового потока.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией могут быть выполнены с соосной (как показано на рисунке 32, г)или вынесенной греющей камерой; они могут иметь также трубу вскипания и солеотделитель (рисунок 32, г). В аппарате с принудительной циркуляцией наиболее высокий коэффициент теплопередачи (он достаточно высок даже при выпаривании вязких концентрированных растворов). К недостаткам выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует отнести расход энергии, связанный с необходимостью работы циркуляционного насоса. Отметим также жесткие условия работы насоса: высокие температуры, нередко агрессивные среды, повышенная опасность возникновения кавитации при перекачке кипящей жидкости.

Рисунок 32 – Пленочные выпарные аппараты с естественной (а – в) и принудительной (г) циркуляцией: а – с центральной циркуляционной трубой, б – с вынесенной циркуляционной трубой, в – с вынесенной греющей камерой.

1- греющая камера, 2 – циркуляционная труба, 3 – сепаратор, 4 – брызгоуловитель, 5 – отбойник, 6 – труба вскипания, 7 – солеотделитель, 8 – насос с электродвигателем. I- исходный раствор, II-упаренный раствор, III-вторичный пар, IV- греющий пар, V- конденсат

Аппараты с принудительной циркуляцией применяют в тех случаях, когда нет другого выхода, а также при выпаривании дорогих растворов, когда затраты энергии на циркуляцию не могут ощутимо увеличить себестоимость продукта (упаренного раствора).

Рассмотренные выше конструкции выпарных аппаратов с циркуляцией рас­твора по структуре движения в них жидкости близки к моделям идеального перемешивания, поэтому время пребывания отдельных частиц жидкости в аппа­рате различно (некоторых - бесконечно большое). Это не позволяет выпаривать в них термолабильные растворы.

Установки, состоящие из одиночного аппарата, вторичный пар которого не используется (при вы­па­ривании под атмосферным давлением или при разрежении) или используется вне аппарата назы­ва­ют­ся однокорпусными выпарными установками. Принципиальная схема одиночного непре­рыв­но­дей­ст­вующего выпарного аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой приведена на ри­сун­ке 33.

Аппарат состоит из теплообменного устройства - нагревательной (греющей) камеры 1 и се­па­­ратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате или камера может быть вы­не­сена и соединена с сепаратором трубами. Камера обогревается обычно водяным насыщенным па­ром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры. Поднимаясь по тру­бам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение па­ра от жидкости происходит в сепараторе 2. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар уда­ля­ет­ся из верхней части сепаратора. Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе 4 под ниж­нюю трубную решетку греющей камеры. Из-за разности плотностей раствора в трубе 4 и паро­жид­кост­ной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор уда­ля­ется через штуцер в днище аппарата.

Рисунок 33 – Схема устройства одиночного (однокорпусного) выпарного аппарата: 1 - нагревательная камера; 2 - сепаратор;

3 - кипятильные трубы; 4 - циркуляционная труба

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, состоящие из не­сколь­ких выпарных аппаратов или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса на­правляется в качестве греющего в последующий корпус. Первичным паром обогревается только пер­вый корпус.

В таких установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с одно­кор­пусными установками такой же производительности. Обычно число корпусов многокорпусных вы­пар­ных установок не меньше двух, но не больше 5-6. Наиболее часто многокорпусные установки име­ют 3-4 корпуса.

Конструкции наиболее часто используемых выпарных аппаратов приведены на рисунках 34 и 35.

Рисунок 34 – Аппарат выпарной с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

Рисунок 35 – Аппарат выпарной с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой и зоной кипения

Расчет выпарной установки включает:

1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов:

- концентрация упариваемого раствора;

- температура кипения растворов;

- полезная разность температур;

- определение тепловых нагрузок;

- выбор конструкционного материала;

- расчет коэффициентов теплопередачи;

- распределение полезной разности температур;

- расчет поверхности теплопередачи.

2. Определение толщины тепловой изоляции.

3. Расчет барометрического конденсатора.

- расход охлаждающей воды;

- диаметр конденсатора;

- высота барометрической трубы.

4. Расчет производительности вакуум-насоса.

5. Расчет оптимального числа корпусов многокорпусной установки.

Литература: 1 осн. [164-190], 2 осн. [46-58].

Контрольные вопросы:

1. Что включает технологический расчет выпарной установки?

2. Классификация выпарных аппаратов.

3. Конструкции выпарных аппаратов с циркуляцией раствора.

4. Конструкция выпарного аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой.

5. Конструкции выпарных аппаратов с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой и зоной кипения.

Дата добавления: 2014-12-10