Расчет выпарного аппарата

1. Описание и теоретические  основы технологического  процесса.

      Выпариванием  называется концентрирование растворов  практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях. Выпариванию подвергают растворы твердых веществ, а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара.

      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.

      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. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

      Тепло необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными 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 температуры и давления.

      Примёнение  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.

      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 равнению с однокорпусными установками той же производительности.

      Экономия  первичного пара (и соответственно топлива) может быть достигнута также 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 для выпаривания раствора.

1.1. Однокорпусные выпарные установки

Рис. 1.

      Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат (корпус).  Принципиальная схема одиночного выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора с внутренней центральной циркуляционной трубой изображена на рис. 1. 

      Аппарат  состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор  могут быть объединены в одном  аппарате (рис. 1) 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 2 под нижнюю трубную решётку греющей камеры. Вследствие 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.

      Если  выпаривание производится под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом. Упаренный раствор удаляется из конического днища аппарата.

1.2. Много корпусные выпарные установки.

 

      В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. В однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процессы в многокорпусной выпарной установке.  Принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

      Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 2.

      Установка состоит из нескольких (в данном случае трёх) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.

      В виду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

      Аналогично  упаренный раствор из второго  корпуса перетекает самотёком в  третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.

      Предварительный нагрев исходного раствора до температуры  кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что  позволяет избежать увеличения поверхности  нагрева в первом корпусе.

      Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через не плотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7.

      С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как  остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей конденсатор.

      Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой  полезной разности температур, определяемой разностью температур зреющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, давление вторичного дара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно. 

Аппараты  с выносной нагревательной камерой.

Рис. 3.

      При размещении нагревательной камеры вне  корпуса аппарата имеется возможность  повысить интенсивность выпаривания  не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

      Аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. 3) имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

      Выносная  нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает  и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две камеры.

      Исходный  раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается.

      Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по не обогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется с сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

      Скорость  циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа получили широкое распространение.

      В некоторых конструкциях выпарных аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 3, у которого удалена циркуляционная труба.

      В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т.е. аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов. 
 
 
 

 

2. Расчет аппарата.

      Расчет  производится по методике [3] п. 3.4.

2.1. Материальный расчет.

   Производительность  установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

                                           W = G_Н(1-x_Н/x)                                              (2,1)

   G_Н = 1.316 кг/с; x_Н = 12%; x_К = 50%.

   Подставив, получим:

   W = 1.316(1-12/50) = 1 кг/с

      А количество сгущенного продукта определяется по формуле:

        кг/с (2.2)

                                           кг/с; 

2.2. Тепловой расчет.

      Расход  греющего пара определяется из уравнения теплового баланса по формуле: 

        кг/с, (2.3)

где: c - теплоемкость продукта, Дж/кг К;