Выпарной аппарат для выпаривания концентрированных растворов

Выпарной аппарат для выпаривания концентрированных растворов (рис 6), состоит из греющей камеры 1, над которой расположена камера вскипания 2 высотой около 3 м. В верхней части камеры вскипания размещены концентрические перегородки 3, образующие кольцевые каналы. Из камеры вскипания парожидкостная смесь поступает в сепаратор 5, откуда жидкость возвращается в греющую камеру по циркуляционной трубе 4 через приемник для кристаллов 6. В греющей камере происходит только подогрев раствора, а кипит он в каналах между перегородками 3. Эти перегородки упорядочивают поток вскипающей жидкости и препятствуют образованию пульсаций и вредных циркуляционных токов в зоне кипения.

Рис 6. Выпарной аппарат для концентрированных растворов

Греющая камера, 2 – камера вскипания, 3 – концентрические перегородки, 4 – циркуляционная труба, 5 – сепаратор, 6 – приемник кристаллов

 

 

В описанном аппарате достигается большая скорость циркуляции (до 3,5 м/с вместо 1-1,5 м/с в обычных аппаратах с естественной циркуляцией). Это наряду с отсутствием кипения в трубах приводит к значительному уменьшению выделений накипи на поверхности теплообмена. Такой аппарат наиболее пригоден для выпаривания концентрированных, кристаллизующихся и вязких растворов

 

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией

Для повышения интенсивности циркуляции и коэффициента теплопередачи в последнее время стали применять аппараты с принудительной циркуляцией. На рис. 7 показан такой аппарат, снабженный наружной циркуляционной трубой 3.

Рис. 7. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией:

1 – кипятильник; 2 – циркуляционный насос; 3 – циркуляционная труба; 4 – сепаратор.

 

 

Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом 2. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается не на подъем жидкости, а лишь на преодоление гидравлических сопротивлений. Давление внизу кипятильных труб больше, чем вверху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Ввиду этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а перегревается по сравнению с температурой кипения, соответствующей давлению в сепараторе. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды; поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

Принудительную циркуляцию применяют также в аппаратах с выносным кипятильником и в аппаратах других типов.

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 1,5-3,5 м/с. Скорость циркуляции определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от уровня жидкости и парообразования в кипятильных трубах. Поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3-5° С) и при выпаривании растворов с большой вязкостью, естественная циркуляция которых затруднительна.

Достоинствами аппаратов с принудительной циркуляцией являются высокие коэффициенты теплопередачи (в 3 – 4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а также отсутствие загрязнений поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур.

Недостаток этих аппаратов – необходимость расхода энергии на работу насоса.

Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогостоящего материала (в этом случае весьма существенно сокращение поверхности теплообмена вследствие повышения коэффициентов теплопередачи), при выпаривании кристаллизующихся растворов (сокращаются простои во время очистки аппарата) и при выпаривании вязких растворов (что при естественной циркуляции требует наличия большой разности температур).

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»