Выпарные аппараты со свободной циркуляцией

Рис 1.Схема трехкорпусной выпарной установки с прямоточным питанием

 

Слабый раствор подается в первый корпус, из него поступает во второй, из второго в третий и т. д. Таким образом, раствор и вторичный пар движутся в одном направлении. Раствор переходит из одного корпуса в другой вследствие разности давлений в корпусах. Так как температура кипения в каждом последующем корпусе понижается, то раствор поступает во все корпуса (кроме первого) с температурой более высокой, чем температура кипения. В результате раствор охлаждается и за счет отдаваемого при этом тепла испаряется некоторое количество воды (самоиспарение). Однако при питании первого корпуса холодным раствором значительное количество греющего пара в этом корпусе затрачивается на подогрев раствора. Поэтому при прямоточном питании целесообразно подавать в первый корпус предварительно подогретый раствор (путем установки подогревателей, обогреваемых зкстра-паром или конденсатом).

Недостаток схемы с прямоточным питанием заключается в том, что в последнем корпусе, где температура кипения самая низкая, выпаривается наиболее концентрированный раствор. Одновременное понижение температуры и повышение концентрации раствора приводит к повышению вязкости и снижению коэффициентов теплопередачи; поэтому в данной схеме коэффициенты теплопередачи уменьшаются от первого корпуса к последнему.

 

При схеме с противоточным питанием (рис.2) слабый раствор подается в последний корпус, из него в предпоследний и т. д.; следовательно, раствор и вторичный пар движутся из корпуса в корпус в противоположных направлениях. Так как в этом случае раствор поступает из корпуса с меньшим давлением в корпус с более высоким давлением, то для передачи раствора между корпусами устанавливаются насосы.

 

 

Рис. 2 Схема трехкорпусной выпарной установки с параллельным питанием.

 

При противоточном питании наиболее высокая концентрация раствора достигается в первом корпусе, где и температура кипения наибольшая. Поэтому значительного падения коэффициента теплопередачи в корпусе с наиболее концентрированным раствором не происходит и коэффициенты теплопередачи мало изменяются по корпусам. Это является наиболее существенным преимуществом противоточного питания перед прямоточным. Кроме того, при противоточном питании количество воды, выпариваемой в последнем корпусе, меньше, чем при прямоточном питании, что уменьшает нагрузку на конденсатор (при выпарке в вакууме). В отношении расхода тепла противоточное питание выгоднее прямоточного при питании холодным раствором, но уступает ему при питании горячим раствором.

Основным недостатком противоточной схемы является необходимость в установке насосов между корпусами, что связано с дополнительным расходом электроэнергии, усложняет установку и затрудняет ее регулирование.

При схеме с параллельным питанием (рис. 3) слабый раствор подается одновременно во все корпуса, а упаренный раствор отбирается из всех корпусов.

 

 

Рис. 3. Схема трехкорпусной выпарной установки с параллельным питанием.

 

 

Эта схема применяется редко, главным образом при незначительном повышении концентрации раствора и при выпаривании кристаллизующихся растворов, так как передача их из корпуса в корпус в этом случае затруднительна вследствие возможного закупоривания перепускных трубопроводов и арматуры.

 

 

4. Выпарные аппараты.

 

Общие сведения. Число конструкций выпарных аппаратов очень велико. Впервые однокорпусный вакуум-выпарной аппарат с паровой рубашкой был применен в 1812 г. для выпаривания сахарных растворов. В 1829 г. было осуществлено многократное использование греющего, пара в многокорпусной выпарной установке.

Позднее нагревательные устройства в виде рубашек были заменены горизонтальными паровыми трубами (сундучные выпарные аппараты),

И, наконец, широкое распространение получили аппараты с вертикаль­ной трубчатой паровой камерой (вертикальные выпарные аппараты).

С целью интенсификации процесса были созданы пленочные выпарные аппараты, работающие по принципу «всползания» жидкостной пленки по внутренней поверхности труб, выпарные аппараты с вынос­ными кипятильниками и, наконец, высокопроизводительные

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

• кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;
• сепаратор — пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в паровом пространстве (сепараторе) составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

1) выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

2) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

3) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

4) пленочные выпарные аппараты.

 

Рис 5 Выпарной аппарат с выносным кипятильником

Рис 6. Выпарной аппарат для концентрированных растворов

Пленочные выпарные аппараты

В пленочных аппаратах раствор движется вдоль поверхности теплообмена в виде тонкой пленки.

Пленочные аппараты с вертикальными трубами (рис. 8) состоят из пучка кипятильных труб, обогреваемых снаружи паром и присоединенных вверху к сепаратору. Жидкость подается снизу, причем уровень ее поддерживается на 1/4 – 1/5 высоты труб. Остальная часть высоты труб заполнена парожидкостной смесью, расслаивающейся на пленку жидкости (около стенок) и пар (в центре). Трением о струю пара жидкая пленка увлекается вверх; поэтому такие аппараты часто называют аппаратами с поднимающейся пленкой.

 

 

Рис. 8. Пленочный выпарной аппарат:

1 – кипятильник; 2 – сепаратор.

 

Пленочные аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи. Последний, однако, достигается лишь при определенном уровне жидкости, который устанавливается опытным путем: при повышении уровня коэффициент теплопередачи снижается; при понижении уровня уменьшается содержание жидкости в парожидкостной смеси, что приводит к недостаточному смачиванию верхних концов труб и снижению активной поверхности теплообмена. Ввиду однократного прохождения жидкости через аппарат со значительной скоростью, для получения достаточно концентрированного упаренного раствора требуются длинные трубы (обычно 6 – 9 м).

Недостатками вертикальных пленочных аппаратов являются трудность очистки длинных труб и сложность регулирования процесса при колебаниях давления греющего пара и начальной концентрации раствора. Кроме того, для размещения пленочных аппаратов необходимо строить производственные здания большой высоты.

Эти аппараты применяются для выпаривания пенящихся, а также чувствительных к высокой температуре растворов; при выпаривании очень вязких и кристаллизующихся растворов они малопригодны.

Расчетная часть

Рассчитать трех корпусную выпарную установку для выпаривания 60000кг/ч щелока от начальной концентрации 12% до 55%. Щелок перед поступлением на выпарку нагревается в теплообменнике до температуры кипения. Давление в барометрическом конденсаторе составляет 0.3 кгс/см² . Греющий пар подается при давление 3,0 кгс/см².

 

1) Количество выпарной влаги равно:

W = G * (1 - )

W = 60000*()= 4800 кг/ч

2) Задаемся распределением влаги по корпусам:

ω_1: ω₂ : ω₃ = 1,0: 1,1: 1,25

3) Количество испаренной влаги в каждом корпусе будет равно:

W =

 

W₁ = = 14328 кг/ч = 3,98 кг/сек

 

W₂ = W₁ + ω₂

 

W₂ =143288 * 1,1 = 15761 кг/ч = 4,4 кг/сек

 

 

					ВФ ФГБОУ «ПГТУ»
Изм.	Лист	№ докум.	Подпись	Дата
Разраб.	Кривошеина			Расчетная часть	Лист	Масса	Масштаб
Провер.	Астраханцева
				Лист	Листов
Н.контр.	Астраханцева			гр.ЦБ -31
Утвержд.

 

W₃ = W₁ * ω₂

W₃ = 14328 * 1,25 = 17911 кг/ч = 4,98 кг/сек

W = W₁ + W₂ + W₃

 

W = 14328 + 15761 +17911 = 48000 кг/ч

 

4) Конечная концентрация щелока по корпусам определяется по уравнениям:

 

а_1к =

 

а_1к = = = 15,8 %

 

а_{2к =}

 

а_2к = = 24%

 

а_3к =

 

а_3к = = 60%

 

5) Средняя концентрация щелока по корпусам определяется по уравнениям:

 

а_{ср1 =}

 

а_ср1 = 13.9 %

 

а_ср2 =

 

а_ср2 = = 19.9 %

 

а_ср3 =

 

а_ср3 = = 42 %

 

6) Повешение температуры кипения щелока в зависимости от его средней концентрации при атмосферном давлении равно:

 

Δ ^|₁ = 0,9 ^оС

 

Δ^|₂ = 1,6 ^оС

 

Δ^|₃ = 5 ^оС

 

7) Разность между давлением греющего пара и давлением вторичного пара в барометрическом конденсаторе равна:

 

Δ р = р_гр.п - р_б.и =3,0 – 0,3 = 2,7 кгс/см²

 

8) При распределении перепада давления по корпусам поровну:

 

Δ р_i = = = 0,9 кгс/см²

Тогда абсолютное давление по корпусам будет равно:

 

р₃ = 0,3 кгс/см²

 

р₂ = р₃ + Δ р_i = 0,3 + 0,9 = 1,2 кгс/см²

 

р₁ = р_{2 +} Δ р_{i =} 1,2 + 0,9 = 2,1 кгс/см²

 

9) Поправочный коэффициент для давлений и величины температурной депрессии для каждого корпуса равны (2. Стр 267):

 

Корпус	Давление кг/сек	Величина поправки, f	Температурная депрессия при 1 кгс/см^2,^оС	Температурная депрессия при рi, ^оС
	2,1	1,15	0,9	1,04
	1,2	1,04	1,6	1,7
	0,3	0,81		4,05

 

По трем корпусам сумма температурной депрессии равна:

Δm = ∑ _Δmi = 1,04 + 1,7 + 4,05 = 6,79 ^оС

10) Принимаем движение раствора по трубке в виде пленки. В этом случае величина гидростатической депрессии мала и ею можно пренебречь. Температурные потери возникают при движение вторичного пара по паропроводам, примем равным между корпусами 1 ^оС и их сумма

∑ _Δmс = 3^оС.

 

11) Сумма всех температурных потерь для установки составляет:

Δ∑ = Δ_т + Δ_г + Δс = 6,79 + 0 + 3 = 9,79 ^оС

 

12) В зависимости от принятого распределения давлений по корпусам выпарной установки температура вторичного пара и теплота парообразования равны [2. Стр. 263]:

Корпус	Температура насыщенного пара, ^оС	Теплота парообразования, кДж/кг
	120,9	2204,3
	103,4
	68,7

 

 

13) Температура кипения щелока в каждом корпусе рассчитывается по уравнению:

t_кип = vi + Δ_тi + Δс

14) Температура вторичного пара равна температуре чистого растворителя

 

1 корпус t₁ = t_нп + р_i1 + 1

t₁ = 120,9 + 1,04 + 1 = 122,94 ^OС

2 корпус t₂ = t_нп + р_i2 + 1

t₂ = 103,4 +1,7 + 1 = 106,1 ^оС

 

3 корпус t₃ = t_нп + р_i3 + 1

t₃ = 68,7 + 4,05 + 1 = 73,75 ^оС

 

15) Полезную разность температур находи по уравнению:

t_{пол =} t_п + t + Δ∑

t_пол = 133 + 68,7 + 9,79 = 54,51 ^оС

 

Составляем тепловой баланс по корпусам без учета тепловых потерь, пользуясь уравнением (9-16).

 

16) Расход тепла в одном корпусе (щелок подается подогретым до температуры кипения):

Q₁ = W₁ * r ₁= 3,98 * 2204,3 = 8773 квт

 

17) В балансе тепла для 2 корпуса учитываем перегрев раствора в 1 корпусе (теплота самоиспарения):

 

Q₂ = W₂ * L₁ – * C₂ * (t₁ – t₂ )

Q₂ =4,4 * 2251 - * 3,8 * (122,94 – 106,1)= 9091,7 квт.

Это количество тепла дает вторичный пар из 1 корпуса при конденсации в межтрубном пространстве 2 корпуса

18) Расход тепла в 3 корпусе

Q₃ = W₃ * L₂ – * С₃ (t₂ - t ₃ )

Q₃ =4,98 * 2336 - * 3,26 * (106,1 – 73,75) = 10758 квт

 

19) Теплота парообразования греющего пара при давление 3 кгс/см²

r_гр = 2171 кдж/кг. Расход греющего пара для 1 корпуса равен:

 

D = = = 4,04 кг / сек = 14544 кг/сек

Удельный расход пара:

d = = = 0,303 кг/кг

20) Для коэффициента теплопередачи приняты следующие значения:

К₁ = 1300 Вт/м^{2 *} град

К₂ = 0,8 = 1040 Вт/м^{2 *} град

К₃ = 0,6 = 780 Вт/м^{2 *} град

 

21) Распределяем полезную разность температур по корпусам из условия равной поверхности корпусов (9-23) – (9-26)

 

1 корпус - Ɵ_{1 =}

 

Ɵ₁ = = 12,56 ^оС

2 корпус –

Ɵ₂ = Ɵ₁ * = 12,56 * = 16,3 ^оС

 

3 корпус - Ɵ₃ = Ɵ₁* =12,56 * ^оС

 

Проверка:

 

Ɵ_пол = 12,56 + 16,3 + 25,6 = 54,5 ^оС

 

22) Определяем поверхность теплообменника по формулам:

F₁ = = = 537 м²

F₂ = = 537 м²

F₃ = = = 537 м²

 

 

Список литературы.

1. В.А.Бушмелев, Н.С. Вольдман, О.А. Кокошкин «Процессы и аппараты»

2. Ю.Н.Болдырев, А.А. Зорин, В.В. Попов,»Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов ЦБП»

Рис 1.Схема трехкорпусной выпарной установки с прямоточным питанием

 

Слабый раствор подается в первый корпус, из него поступает во второй, из второго в третий и т. д. Таким образом, раствор и вторичный пар движутся в одном направлении. Раствор переходит из одного корпуса в другой вследствие разности давлений в корпусах. Так как температура кипения в каждом последующем корпусе понижается, то раствор поступает во все корпуса (кроме первого) с температурой более высокой, чем температура кипения. В результате раствор охлаждается и за счет отдаваемого при этом тепла испаряется некоторое количество воды (самоиспарение). Однако при питании первого корпуса холодным раствором значительное количество греющего пара в этом корпусе затрачивается на подогрев раствора. Поэтому при прямоточном питании целесообразно подавать в первый корпус предварительно подогретый раствор (путем установки подогревателей, обогреваемых зкстра-паром или конденсатом).

Недостаток схемы с прямоточным питанием заключается в том, что в последнем корпусе, где температура кипения самая низкая, выпаривается наиболее концентрированный раствор. Одновременное понижение температуры и повышение концентрации раствора приводит к повышению вязкости и снижению коэффициентов теплопередачи; поэтому в данной схеме коэффициенты теплопередачи уменьшаются от первого корпуса к последнему.

 

При схеме с противоточным питанием (рис.2) слабый раствор подается в последний корпус, из него в предпоследний и т. д.; следовательно, раствор и вторичный пар движутся из корпуса в корпус в противоположных направлениях. Так как в этом случае раствор поступает из корпуса с меньшим давлением в корпус с более высоким давлением, то для передачи раствора между корпусами устанавливаются насосы.

 

 

Рис. 2 Схема трехкорпусной выпарной установки с параллельным питанием.

 

При противоточном питании наиболее высокая концентрация раствора достигается в первом корпусе, где и температура кипения наибольшая. Поэтому значительного падения коэффициента теплопередачи в корпусе с наиболее концентрированным раствором не происходит и коэффициенты теплопередачи мало изменяются по корпусам. Это является наиболее существенным преимуществом противоточного питания перед прямоточным. Кроме того, при противоточном питании количество воды, выпариваемой в последнем корпусе, меньше, чем при прямоточном питании, что уменьшает нагрузку на конденсатор (при выпарке в вакууме). В отношении расхода тепла противоточное питание выгоднее прямоточного при питании холодным раствором, но уступает ему при питании горячим раствором.

Основным недостатком противоточной схемы является необходимость в установке насосов между корпусами, что связано с дополнительным расходом электроэнергии, усложняет установку и затрудняет ее регулирование.

При схеме с параллельным питанием (рис. 3) слабый раствор подается одновременно во все корпуса, а упаренный раствор отбирается из всех корпусов.

 

 

Рис. 3. Схема трехкорпусной выпарной установки с параллельным питанием.

 

 

Эта схема применяется редко, главным образом при незначительном повышении концентрации раствора и при выпаривании кристаллизующихся растворов, так как передача их из корпуса в корпус в этом случае затруднительна вследствие возможного закупоривания перепускных трубопроводов и арматуры.

 

 

4. Выпарные аппараты.

 

Общие сведения. Число конструкций выпарных аппаратов очень велико. Впервые однокорпусный вакуум-выпарной аппарат с паровой рубашкой был применен в 1812 г. для выпаривания сахарных растворов. В 1829 г. было осуществлено многократное использование греющего, пара в многокорпусной выпарной установке.

Позднее нагревательные устройства в виде рубашек были заменены горизонтальными паровыми трубами (сундучные выпарные аппараты),

И, наконец, широкое распространение получили аппараты с вертикаль­ной трубчатой паровой камерой (вертикальные выпарные аппараты).

С целью интенсификации процесса были созданы пленочные выпарные аппараты, работающие по принципу «всползания» жидкостной пленки по внутренней поверхности труб, выпарные аппараты с вынос­ными кипятильниками и, наконец, высокопроизводительные

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

• кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;
• сепаратор — пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в паровом пространстве (сепараторе) составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

1) выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

2) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

3) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

4) пленочные выпарные аппараты.

 

Выпарные аппараты со свободной циркуляцией

В этих аппаратах неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб. В растворе возникают неупорядоченные конвекционные токи (свободная циркуляция), обусловленные свободной конвекцией. К данной группе относятся аппараты, выполненные в виде чаш или котлов, поверхность теплообмена которых образована стенками аппарата. В настоящее время такие аппараты применяются редко, главным образом при выпаривании очень вязких жидкостей.

Змеевиковые выпарные аппараты аналогичны змеевиковым погружным теплообменникам. Греющий пар проходит по змеевику, а выпариваемая жидкость находится снаружи. Змеевики полностью погружены в жидкость, над уровнем которой остается объем, необходимый для сепарации вторичного пара. Эти аппараты работают неинтенсивно и в настоящее время применяются лишь для выпаривания вязких растворов при небольших масштабах производства, когда не требуется большая поверхность теплообмена. Они могут быть использованы также при применении греющего пара высокого давления и при выпаривании агрессивных жидкостей. В последнем случае змеевики изготовляются из химически стойкого материала, а внутренняя поверхность аппарата снабжается защитным покрытием. Выпарные аппараты с горизонтальными трубами (пар пропускается по трубам, жидкость — снаружи труб) могут быть изготовлены с значительными поверхностями теплообмена — до 800 м² и более (рис. 1). Для компенсации удлинения труб и разборки аппарата с целью очистки крепление труб в трубных решетках делают на сальниках или применяют U-образные трубы.

Рис. 1. Выпарной аппарат с горизонтальными трубами.

 

 

Основным недостатком аппаратов этого типа является трудность очистки межтрубного пространства, вследствие чего они непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов. Кроме того, такие аппараты имеют невысокий коэффициент теплопередачи, громоздки и требуют значительного количества металла для изготовления. В настоящее время они применяются редко и вытесняются более совершенными конструкциями.