Проектирование вакуум-выпарной установки

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой является одной из наиболее старых, но широко распространенных конструкций

1 – корпус; 2 – кипятильные  трубы; 3 – циркуляционная труба; 4 – сепаратор; 5 – отбойник.

Рисунок 3- Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой

     Греющая камера состоит из ряда вертикальных кипятильных труб 2, обогреваемых снаружи паром. По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба 3 значительно большего диаметра, чем кипятильные трубы. Греющий пар подаётся в межтрубное пространство, конденсируется и отводится из аппарата в виде конденсата. Упаренный раствор также непрерывно удаляется через штуцер, находящийся в днище аппарата. Парообразование внутри центральной трубы значительно меньше, чем в кипятильных трубах, так как за единицу объёма жидкости в ней приходится меньшая теплопередающая поверхность. Раствор выдавливается в кипятильные трубки, поднимается по ним вверх, частично выпаривается и, освобождённый вверху от пара, возвращается вниз по центральной трубе. Образующийся пар удаляется в верхней части аппарата, пройдя предварительно через каплеуловитель.

     Недостатки аппарата: жёсткая конструкция греющей камеры, не имеющая температурной компенсации.

     Достоинства: простота конструкции и легкость доступа для чистки и ремонта.

     Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой состоит из греющей камеры 2, которая свободно подвешивается внутри корпуса 1, опираясь на лапы.

1 – корпус; 2 – кожух  греющей камеры; 3 – кипятильные  трубы; 4 – труба для подвода  пара к греющей камере.

Рисунок 4- Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой

     Греющий пар подаётся в межтрубное пространство нагревательной камеры по трубе 4. Образующийся вторичный пар проходит сепаратор над греющими трубками и далее инерционный каплеуловитель, из которого уловленная жидкость стекает вниз по трубе.

     Принцип циркуляции:

Малоэмульгированный раствор из-за большой плотности опускается вниз по кольцевому пространству между корпусом аппарата и нагревательной камерой, передавливая вверх постоянно образующуюся в трубках более лёгкою парожидкостную эмульсию.

     Погружение нагревательной камеры в выпариваемую среду препятствует возникновению температурных напряжений, так как в этом случае корпус камеры и трубки находятся в одинаковых температурных условиях.

     Недостатками являются усложнение конструкции и большие габариты.

     Достоинства – повышенный коэффициент теплопередачи за счет хорошего охлаждения раствора в кольцевом пространстве и легкость выемки греющей камеры из аппарата для чистки, ремонта или замены.

     Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой состоит из нагревательной камеры (кипятильника) 1, представляющей собой пучок труб, сепаратора 3 и циркуляционной трубы 4, присоединенной к нижней растворной камере.

1 – кипятильник; 2 - труба  для парожидкостной смеси; 3 –  сепаратор; 4 – циркуляционная труба.

Рисунок 5- Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой

     Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубкам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз. Вторичный пар, пройдя сепаратор и брызгоуловитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

      Высота трубок в таких аппаратах составляет 5 … 7 м. Сечение циркуляционной трубы равно или больше площади поперечного сечения всех кипятильных трубок. В результате значительной скорости циркуляционного раствора повышается коэффициент теплоотдачи и уменьшается опасность отложения пристенных осадков.

     Чистка и замена трубок выпарных аппаратов с выносной греющей камерой достаточно удобны.

     Так же в промышленности применяют выпарные аппараты:

- С поднимающейся плёнкой;

- С падающей плёнкой;

- Роторный прямоточный аппарат;

- Барботажный выпарной аппарат;

- С погружными горелками.

 

 

2.1Особенности выпаривания раствора NH4NO3

     C увеличением концентрации растворов NH4NO3 при их упаривании температура раствора (плава) повышается и возрастают потери с соковым паром . Поэтому применяются выпарные аппараты , работающие при разряжении 550-600 мм рт. ст. Это позволяет упаривать растворы при пониженной температуре их кипения , что способствует уменьшению потерь продукта на этой стадии его производства .

     Вакуум в  выпарных аппаратах создается  в результате конденсации сокового  пара в барометрических конденсаторах , орошаемых оборотной водой ; несконденсировавшиеся пары и воздух отсасываются из них ротационными вакуум-насосами . Чаще всего используются пленочные выпарные аппараты ,представляющие собой кожухотрубчатые теплообменники с сепараторами специальной конструкции .

     Так как  в данном задании концентрация  NH4NO3 в исходном растворе и в конечном не велика , то вполне подойдет однокорпусный вакуум-выпарной аппарат . Для выпаривания больших концентраций и получения аммиачной селитры используются двух- или трехступенчатые схемы выпаривания , где получают плав свыше 99% . Азотная кислота в исходном растворе берется до 60 % , а тепло реакции нейтрализации используется для частичного упаривания раствора аммиачной селитры .

Рисунок 6- Схема работы выпарного аппарата

     На рисунке 6 представлен выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой. Аппарат состоит из следующих основных элементов: греющей камеры, сепаратора, циркуляционной трубы и брызгоотделителя.

     Греющий пар подают в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется, конденсат выводится из нижней части межтрубного пространства греющей камеры. Теплота, выделяющаяся при конденсации насыщенного пара, передается через стенки кипятильных трубок раствору. В трубах греющей камеры раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Эта парожидкостная смесь,

поступает в сепаратор выпарного аппарата, где происходит отделение пара от раствора. В брызгоотделителе от вторичного пара отделяются мелкие брызги раствора, не удаленные в сепараторе, затем пар выводится из верхней части аппарата. Вследствие различия плотностей сред в циркуляционной трубе и кипятильных трубах греющей камеры в аппарате возникает направленная естественная циркуляция раствора, при которой раствор по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубкам поднимается вверх. Организованная циркуляция раствора способствует увеличению коэффициента теплоотдачи к кипящему раствору и замедляет процесс образования накипи в кипятильных трубах.               Исходный (разбавленный раствор) подают в циркуляционную трубу. Концентрированный раствор выводят из нижней части

сепаратора.

     При проведении процесса выпаривания под вакуумом требуется дополнительное оборудование: барометрический конденсатор с барометрической трубой и вакуум-насос. Барометрический конденсатор - это смесительный теплообменный аппарат, в котором теплообмен между теплоносителями происходит при их непосредственном контакте [1]. В результате смешения поступающего в конденсатор вторичного пара и охлаждающей воды, происходит конденсация пара. Так как, объем образующегося конденсата существенно меньше (примерно в тысячу раз) объема пара, то в барометрическом конденсаторе возникает вакуум. Для поддержания вакуума необходимо удалять из конденсатора воздух, который попадает туда с охлаждающей водой, а также через неплотности конструкции конденсатора. Для этой цели используется вакуум-насос. Смесь конденсата и охлаждающей воды самотеком выводится из конденсатора через барометрическую трубу, погруженную в жидкость для создания гидравлического затвора, препятствующего проникновению в конденсатор атмосферного воздуха.

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Основные зависимости и расчетные формулы

2.2.1 Расчет выпарного аппарата

Уравнения материального баланса процесса выпаривания

Gн=Gк+W                                                                                                       (1)

Gк*xк =Gн*xн                                                                                               (2)

где Gн - массовый расход начального раствора, кг/с;

Gк - массовый расход конечного раствора, кг/с;

W- массовый расход вторичного  пара, кг/с;

xн- массовая концентрация начального раствора, кг раств. вещества/кг раствора;

xк - массовая концентрация конечного раствора, кг раств. вещества/кг раствора.

 

Тепловая нагрузка выпарного аппарата

Q=Gн*cн*(tкон.-tн)+W*rвт.п.+Qпот.                                                                       (3)

где Q - расход теплоты на процесс выпаривания, Вт;

Qнагр. - расход теплоты на нагрев раствора, Вт;

Qисп. -расход теплоты на испарение растворителя, Вт;

Qпот. - потери теплоты в окружающую среду, Вт;

сн - удельная теплоемкость начального раствора, Дж/кг∙К;

tн - температура начального раствора на входе в выпарной аппарат, оС;

tк - температура конечного раствора на выходе из аппарата, оС;

rвт.п.- удельная теплота конденсации вторичного пара, Дж/кг.

   При расчете выпарных  аппаратов потери теплоты в  окружающую среду Qпот.

обычно принимают в размере (3-5)% от суммы ( Qнагр.+Qисп.)[4,5].

Расход греющего пара в выпарном аппарате

Gгр.п.=Q/(rгр.п.*x)                                                                                                (4)

где Gгр.п. - расход греющего пара, кг/с;

rгр.п. - удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг∙К;

х - степень сухости пара.

Удельный расход греющего пара

d= Gгр.п/W                                                                                                    (5)

где d – удельный расход греющего пара, кг пара/ кг воды.

Давление в среднем слое выпариваемого раствора в кипятильных трубах

Рср= Р1+0.5ρ*g*Hур                                                                                                (6)

где Рср.- давление в среднем слое выпариваемого раствора, Па;

ρр – плотность раствора конечной концентрации при температуре кипения, кг/м3;

Нур.- высота уровня раствора в кипятильных трубах, м.

Оптимальная высота уровня раствора в кипятильных трубах выпарного аппарата с естественной циркуляцией

Нопт.=(0.26+0.0014*(ρ-ρв))* Нтр.                                                                   (7)

где Hопт. – оптимальная высота уровня раствора в кипятильных трубах, м;

ρр – плотность раствора конечной концентрации при температуре кипения, кг/м3;

ρв – плотность воды при температуре кипения, кг/м3;

Hтр. – рабочая высота труб, м.

 

Площадь поверхности теплопередачи греющей камеры выпарного аппарата

F=Q/(K*Δtпол.)                                                                                                    (8)

где F – площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата, м2;

Q – тепловая нагрузка  выпарного аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/м2∙К;

Δtпол. – полезная разность температур, К(0С).

Δtпол.=tгр.п-tкип.                                                                                                             (9)

где tгр.п. – температура конденсации греющего пара, 0С;

tкип. – температура кипения раствора на среднем уровне кипятильных труб (при давлении Pср.), 0С.

Коэффициент теплопередачи:

К=1/(+∑rcn.+)                                                                                            (10)

где α1 - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара, Вт/м2∙К;

α2 - коэффициент теплоотдачи к кипящему раствору, Вт/м2 ∙К;

∑rст. -суммарное термическое сопротивление всех слоев из которых состоит

стенка, включая слои загрязнений, м2 ·К/Вт.

∑rcn.=rзагр.1++rзагр.2                                                                                                                                         (11)

где rзагр.1, rзагр.2 - термические сопротивления слоев загрязнений стенки,

м2 ·К/Вт;

δ- толщина стенки, м;

λ- коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м∙К.

Критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи