Технологический расчет выпарного аппарата

В основе всех расчетов лежит  система уравнений материальных и тепловых балансов для всей установки в целом и каждого корпуса в отдельности, уравнений для расчета коэффициентов теплопередачи и поверхности теплообмена для каждого корпуса, уравнений для расчета основных физических и термодинамических характеристик потоков растворов и паров.

Рисунок 1.5. Зависимость эксплуатационных и капитальных затрат 3 от числа корпусов n:1-эксплуатационные затраты; 2-капитальные вложения; 3-суммарные затраты.

Методика расчета многокорпусной установки основана на такой последовательности решения уравнений:

1) определяют общее количество испаренной воды по уравнению (17)-и распределение ее по какому-либо правилу между корпусами, например по опытным данным. В первом приближении доли испаренной воды можно распределять поровну между корпусами (задавшись предварительно числом корпусов);

2) с помощью уравнений (1.18) и (1.19) рассчитывают концентрации вещества в потоках растворов, поступающих в каждый корпус установки и выходящих из него;

находят общий перепад  давления по всей установке - по уравнению (1.22)-и распределяют его между корпусами (в первом приближении можно поровну);

3) по значениям давлений паров и концентраций растворов в аппаратах определяют температуры греющих и вторичных паров, температуры кипения растворов с учетом всех температурных депрессий по уравнениям (1.12)-(1.14), суммарную полезную разность температур-по уравнению (1.21)-и полезные разности температур по корпусам-по уравнению (1.11);

4) с помощью уравнений тепловых балансов (1.20) находят тепловые нагрузки в каждом аппарате;

5) с учетом тепловых нагрузок и коэффициентов теплопередачи распределяют суммарную полезную разность температур [уравнения (1.28) и (1.29)] между корпусами. Сравнивают распределенную полезную разность температур с найденной из расчета и в случае расхождения (выше заданной величины), например, более 5%) расчет повторяют. В основу уточненного расчета закладывают найденные по распределению, полезные разности температур. Расчеты проводят методом итераций до совпадения принятых и распределенных полезных разностей температур;

 по уравнению теплопередачи определяют потребную поверхность теплопередачи выпарного аппарата и по ней подбирают его нормализованные размеры. ^[2]

 

1.1.5 Выпаривание с тепловым насосом

 

Многокорпусным выпарным установкам присущ ряд недостатков: высокая стоимость оборудования, большая занимаемая площадь, высокая  температура кипения раствора в первых корпусах. Эти недостатки устраняются при однокорпусном выпаривании с тепловым насосом. Вторичный пар, образующийся при упаривании раствора, с помощью турбокомпрессора или парового инжектора сжимают до давления греющего пара и вновь подают в нагревательную камеру этого же аппарата.

Таким образом, первичный  греющий пар необходим в основном для пуска аппарата в работу, а  затем в небольшом количестве -для компенсации снижения теплоты  конденсации пара после его сжатия в тепловом насосе и потерь теплоты в окружающую среду.

Принципиальная схема  выпарного аппарата с тепловым насосом  показана на рисунок 1.6. В данном случае вторичный пар полностью поступает в турбокомпрессор с приводом от электродвигателя или, реже, паровой турбины. Затем этот пар направляют в нагревательную камеру.

Расход греющего пара D для выпарного аппарата с тепловым насосом может быть определен из уравнения, аналогичного уравнению (1.7):

DH_г + WH_в.п.с + G_нH_н = G_кH_к + WH_в.п + (D+W)H_г.к + Q _кон + Q_{п ,} (1.31)

где H_в.п.с-энтальпия сжатого вторичного пара (после сжатия в компрессоре). 

Рисунок 1.6. Схема выпарного аппарата с тепловым насосом:1-корпус аппарата; 2-паровой инжектор; 3-цирку-ляционная труба.

Однако необходимость  использования для работы дорогостоящей электрической энергии сужает области применения выпарных аппаратов с

турбокомпрессорами. Экономически целесообразнее использование для этих целей более дешевых видов энергии, в частности энергии пара, например с помощью пароструйных инжекторов. В этом случае вторичный пар подают в инжектор, где он сжимается до давления греющего пара посредством рабочего пара более высоких термодинамических параметров. Если массовая единица рабочего пара инжектирует n массовых единиц вторичного пара, то в результате инжекции образуется греющий пар в количестве D_p(l + n) (где D_p-расход рабочего пара), который подают в греющую камеру. Вторая часть вторичного пара, равная W— D_pn, может быть направлена на другие производственные нужды. Тепловой баланс выпарного аппарата для этого случая записывается в следующем виде:

D_p(l + n) Н_г + G_нН_н = G_кН_к + D_p(l + n) Н_г.к + Q_кон + Q_п, (1.32)

Величину n часто называют коэффициентом инжекции. По физическому смыслу он представляет собой отношение расходов вторичного  D_B и рабочего D_p паров, т.е.   D_B/D_p. В реальных условиях работы выпарных установок коэффициент инжекции составляет 0,2-0,5.Таким образом, расход рабочего греющего пара в выпарном аппарате с пароструйным инжектором обратно пропорционален коэффициенту инжекции. Наибольшие коэффициенты инжекции характерны для невысоких степеней сжатия. Такие условия обеспечиваются при выпаривании растворов, имеющих сравнительно небольшую температурную депрессию (не более 10-15 °С) и невысокую полезную разность температур. Расчеты показывают, что при использовании высокопроизводительных турбокомпрессоров выпарные аппараты с тепловым насосом могут выдержать конкуренцию с многокорпусными выпарными установками. ^[2]

 

1.2 Классификация 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 (с погружными горелками) 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 Устройство типовых выпарных аппаратов

 

Выпарные  аппараты с естественной циркуляцией. Одна из конструкций таких аппаратов с центральной циркуляционной трубой показана на рисунок 1. Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной  трубе и  кипятильных  трубах. Скорость  (кратность) циркуляции здесь невелика (скорость движения парожидкостнойсмеси 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 рисунок 1.7 показан выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой 5. 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 2 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.

Рисунок 1.7. Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой:1-нагревательная камера; 2-кипятильные трубки; 3-сепаратор; 4-брызгоотбойник; 5-циркуляционная труба. Рисунок 1.8.Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:1-нагревательная камера; 2-сепаратор; 3-брызгоотбойник; 4-труба вскипания; 5-циркуляционная труба.

Существенного снижения отложения солей можно достичь  при использовании аппаратов с вынесенной зоной кипения (рисунок 1.8). В таких аппаратах вследствие увеличенного гидростатического давления столба жидкости кипения в трубах нагревательной камеры 1 не происходит, упариваемый раствор только перегревается. При выходе перегретого раствора из этих труб в трубу вскипания 4 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.

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 (рисунок 1.9). Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов 5, 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.

Рисунок 1.9. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенными нагревательной камерой (а) и циркуляционной трубой (б): 1-нагревательные камеры; 2-сепараторы; 3-брызгоуловитель; 4-циркуляционные трубы; 5-насосы.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (смотрите рисунок 1.9, а). 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 (смотрите рисунок 1.9,б) является меньшая производственная площадь, необходимая для его размещения.

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.

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 (рисунок 1.10,а) работает следующим образом. Снизу заполняют раствором трубы на ¼-1/5 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.

В выпарном аппарате с  нисходящей пленкой жидкости (рисунок 1.10,б) исходный раствор подают в верхнюю часть нагревательной 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.

Для снижения температуры  кипения раствора процесс, как правило, проводят под вакуумом. В этих аппаратах удается упаривать также растворы, склонные к интенсивному ценообразованию. 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.

Рисунок 1.10. Выпарные пленочные аппараты с восходящей (а) и нисходящей (б) пленкой жидкости:1-нагревательные камеры; 2-сепараторы; 3-брызгоотбойник.

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.