Схемы установок для выпаривания и конструкции выпарных аппаратов

Схемы установок для выпаривания и конструкции выпарных аппаратов

Министерство образования и науки Украины

Украинский государственный химико-технологический университет

Кафедра ПАХТ

Реферат

на тему: «Схемы установок для выпаривания и конструкции выпарных аппаратов»

Выполнил:

ст. гр. 3-М-48

Львов А.В.

___________

Проверил:

преподаватель

Шишков Н.И.

_____________

г. Днепропетровск

2000 г.

ВЫПАРИВАНИЕ

Общие сведения

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих

или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы

щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при

температуре выпаривания весьма малым давлением пара, — некоторые

минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание

иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при

опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар

конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.

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.

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 подавляющем 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.

Тёпло 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 выпарив» ни под вакуумом можно использовать греющий агент более низких

pa6очих параметров (температура и давление. Вследствие этого выпаривание

под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов,

например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с

использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

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.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать

вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с

процессом выпаривания.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстрапаром. Отбор

экстрапара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше

использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание

под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения

раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически

стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы

греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется

и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее

простым, но наименее экономичным.

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.

В химической промышленности применяются в основном непрерывно

действующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а

также при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций иногда

используют выпарные аппараты периодического действия.

Концентрация раствора в таком аппарате приближается к конечной лишь в

конечный период процесса. Поэтому средний коэффициент теплопередачи здесь

может быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, где

концентрация раствора ближе к конечной в течение всего процесса

выпаривания.

Современные выпарные установки имеют очень большие поверхности нагрева

(иногда превышающие 2000 м2 в каждом корпусе) и являются крупными

потребителями тепла.

Однокорпусные выпарные установки

Как указывалось, однокорпусная выпарная установка включает лишь один

выпарной аппарат (корпус). Рассмотрим принципиальную схему одиночного

непрерывно действующего выпарного аппарата с естественной циркуляцией

раствора на примере аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой

(рис. 1).

Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей)

камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном

аппарате (см. рис. 1) или камера может быть вынесена и соединена с

сепаратором трубами ( рис. 12). Камера обогревается обычно водяным

насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат

отводят снизу камеры.

3323

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.

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 yстановке. 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.

Ввиду 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.

Основные схемы многокорпусных установок. Применяемые схемы

многокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в

последнем корпусе. В соответствия с этим признаком установки делятся на

работающие под разрежением и под избыточным давлением.

Наиболее распространены выпарные установки первой группы. Помимо

установки, доказанной на рис. 2, в промышленной практике применяют

установки аналогичного типа, обладающие повышенной экономичностью за счет

использования тепла пара низкого потенциала. Так, например, иногда обогрев

первого корпуса производят отработанным паром из паровых турбин, который

является в данном случае первичным паром.

Дросселированный свежий пар, добавляется только для поддержания

стабильного режима работы выпарной установки при колебаниях нагрузки

турбины.

В выпарных установках, работающих под некоторым избыточным давлением

вторичного пара в последнем корпусе, этот пар может быть шире использован

на посторонние нужды, т.е. в качестве экстрапара. Наряду с этим повышение

давления вторичного пара в последнем корпусе уменьшает возможную кратность

использования свежего (первичного) пара, греющего первый корпус.

При работе под избыточным давлением требуется несколько большая толщина

стенок аппаратов, но установка в целом упрощается, так как отпадает

необходимость в постоянно действующем конденсаторе паров (небольшой

конденсатор используют лишь в период пуска установки).

В выпарных установках под давлением труднее поддерживать постоянный

режим работы, чем в установках под вакуумом, и для этой цели требуется

автоматическое регулирование давления пара и плотности упаренного раствора.

Для повышения устойчивости режима работы установок под давлением используют

различные схемы.

Выбор давления вторичного пара в последнем корпусе установки зависит от

соотношения между количеством тепла, которое может отдать этот пар, и

количеством тепла пара низкого потенциала, требующегося на другие

производственные нужды. Оптимальное давление вторичного пара в последнем

корпусе можно установить в каждом конкретном случае путем технико-

экономического расчета.

Многокорпусные выпарные установки различаются также по взаимному

направлению движения греющего пара и выспариваемого раствора. Кроме

наиболее широко распространенных установок с прямоточным движением пара и

раствора (см. рис 2), приме|чаются также противоточные выпарные установки,

в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в

корпус во взаимно противоположных направлениях (рис. 3).

Исходный раствор подается насосом в последний по ходу греющего пара

(третий) корпус, из которого упаренный раствор перекачивается во второй

корпус, и т.д., причем из первого корпуса удаляется окончательно упаренный

раствор. Свежий (первичный) пар поступает в первый корпус, а вторичный пар

из этого корпуса направляется для обогрева второго корпуса, затем вторичный

пар из предыдущего корпуса используется для обогрева последующего. Из

последнего корпуса вторичный пар удаляется в конденсатор.

В первом корпусе выпарной прямоточной установки (см. рис. 2) наименее

концентрированный раствор получает необходимое для выпаривания тепло от

греющего пара наиболее высоких рабочих параметров, а в последнем корпусе

наиболее концентрированный (и наиболее вязкий) раствор выпаривается при

помощи вторичного пара наиболее низких параметров. Таким образом от первого

корпуса к последнему (по |ходу раствора) повышается концентрация и

понижается температура выпариваемого раствора, что приводит к возрастанию

его вязкости. В результате коэффициенты теплопередачи уменьшаются от

первого корпуса к последнему.

В многокорпусных противоточных установках (см. рис. 3) в первом корпусе

наиболее концентрированный раствор выпаривается за счет тепла пар наиболее

высоких параметров, в то время как в последнем корпусе исходный раствор

самой низкой концентрации получает ,тепло от вторичного пара, имеющего

наиболее низкие давления и температуру. Поэтому при противотоке

коэффициенты теплопередачи значительно меньше изменяются по корпусам, чем

при прямотоке.

Однако необходимость перекачивания выпариваемого раствора из корпусов,

где давление меньше, в корпуса с более высокий давлением является серьезным

недостатком противоточной схемы, так как применение промежуточных

циркуляционных насосов (насосы 4 и 5 на рис. 3) связано со значительным

возрастанием эксплуатационных расходов.

Противоточные выпарные установки используют при выпаривании растворов до

высоких конечных концентраций, когда в последнем корпусе (по ходу раствора)

возможно нежелательное выпадение твердого вещества. Кроме того, по такой

схеме выпаривают растворы, вязкость которых резко возрастает с увеличением

концентрации раствора.

По схеме с параллельным питанием корпусов (рис. 4) исходный раствор

поступает одновременно во все три корпуса установки. Упаренный раствор,

удаляемый из всех корпусов, имеет одинаковую конечную концентрацию.

Установки такой схемы используют, главным образом, при выпаривании

насыщенных растворов, в которых находятся частицы выпавшей твердой фазы

(что затрудняет перемещение выпариваемого раствора из корпуса в корпус), а

также в тех процессах выпаривания, где не требуется значительного повышения

концентрации раствора.

Тепловой баланс. Рассмотрим тепловой баланс трехкорпусной вакуум-

выпарной прямоточной установки (рис. 5), первый корпус которой обогревается

свежим насыщенным водяным паром. Расход свежего (первичного) пара d1

кг/сек, его энтальпия IГ1 кдж/кг и температура ?1 °C.

После первого корпуса отбирается Е1 кг/сек и после второго корпуса Е2

кг/сек экстра-пара. Соответственно расход вторичного пара из первого

корпуса, направляемого в качестве греющего во второй корпус, составляет

(W1—E1) кг/сек и вторичного пара из второго корпуса, греющего третий корпус

(W1—E3) кг/сек, где W1 и W2 - количества воды, выпариваемой в первом и

втором корпусах соответственно.

Уравнения тепловых балансов корпусов:

первый корпус

[pic]

второй корпус

[pic]

третий корпус

[pic]

Устройство выпарных аппаратов

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемые в

промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые

рубашки, змеевики, трубчатые различных видов) и по ее расположению в

пространстве (аппараты c вертикальной, горизонтальной, иногда с наклонной

нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар,

высокотемпературные теплоносители, электрический ток| и др.), а также в

зависимости от того, движется ли теплоносители снаружи или внутри труб

нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации

выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует

считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной, или свободной,

направленной естественной и принудительной циркуляцией раствора.

Страницы: 1, 2