5.9 Определение поверхности теплопередачи выпарного аппарата

Для непрерывно действующего выпарного аппарата поверхность нагрева определяется на основе уравнения теплопередачи (5.12)

, м ,

где - тепловая нагрузка выпарного аппарата (определяется теплового баланса).

, , (5.13)

где - коэффициент теплопередачи,

- коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося греющего пара,

- коэффициент теплоотдачи со стороны кипящего раствора.

Полезная разность температур в выпарном аппарате представляет собой разность температуры конденсации греющего пара и температуры кипения выпариваемого раствора из уравнения (5.41)

В выпарном аппарате возникают температурные потери, общая величина которых складывается из температурной депрессии , гидростатической депрессии и гидравлической депрессии .

Температурная депрессия равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении.

при . (5.51)

Величина зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления; значения ее при атмосферном давлении приводятся в справочной литературе. Величину при любом давлении применительно к разбавленным растворам можно определить по уравнению И.А. Тищенко:

, (5.52)

где - температурная депрессия при атмосферном давлении ,град С;

Т – температура кипения чистого растворителя , град К;

r – теплота испарения, кДж/кг.

Гидростатическая депрессия обусловлена тем, что некоторая часть высоты кипятильных труб выпарного аппарата заполнена жидкостью, под которой находится паро-жидкостная эмульсия; содержание пара в ней резко возрастает по направлению к верхней кромке труб.

Назовем условно все содержимое кипятильных труб жидкостью. Вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах температура кипения нижерасположенных слоев жидкости в них будет больше, чем температура кипения вышерасположенных. Повышение температуры кипения раствора, связанное с указанным гидростатическим эффектом, называется гидростатической депрессией.

наиболее существенна при работе аппарата под вакуумом. зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности паро-жидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб, поэтому не может быть точно рассчитана.

Для вертикальных аппаратов с циркуляцией выпариваемого раствора величина может быть принята в пределах 1-3 град С.

Гидравлическая депрессия обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местные сопротивления), которые должен преодолеть вторичный пар при его движении, главным образом, через сепарационные устройства и паропроводы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры насыщения.

Для единичного аппарата , обычно колеблется в пределах 0,5-1,5 град. При расчете много корпусных установок гидравлическую депрессию учитывают, принимая во внимание снижение давления вторичного пара только в паропроводах между корпусами.

Температура кипения раствора с учетом температурных потерь, обусловленных температурной и гидростатической депрессиями, составляет:

, (5.53)

где - температура вторичного пара.

5.10 Основные схемы многокорпусных установок

Для снижения расхода греющего пара процесс выпаривания проводят в многокорпусных установках, в которых каждый последующий корпус, кроме первого, обогревается вторичным паром из предыдущего корпуса.

1-3-кopпyca; 4-барометрический конденсатор; 5- вакуум-насос; 6- подогреватель исходного раствора.

Рис. 5.19. Многокорпусная прямоточная выпарная установка

У становка состоит из 3 корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый первичным паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где впоследствии 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 в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется некоторое дополнительное количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.

Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.

Вторичный пар из третьего корпуса отводится в барометрический конденсатор, 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 неплотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку-брызгоуловитель вакуум-насосом.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур греющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, давление вторичного пара 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.

Применяемые схемы многокорпусных выпарных остановок различаются по давлению вторичного пара в последующем корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разряжением и под избыточным давлением.

Наиболее распространены выпарные установки первой группы. Используя отработанный пар из паровых турбин для обогрева первого аппарата, можно повысить экономичность установок.

Выпарные установки, работающие под некоторым избыточным давлением вторичного пара в последнем корпусе, позволяют использовать этот пар на посторонние нужды, т.е. в качестве экстра-пара. При работе под избыточным давлением требуется несколько большая толщина стенок аппаратов, но установка в целом упрощается, т.к. 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. Давление вторичного пара определяется путем технико-экономического расчета.

Многокорпусные установки различаются также по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора. По этому признаку установки делятся на прямоточные (рисунок 5.19) и противоточные (рисунок 5.20), в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях.

Рисунок 5.20 - Принципиальная схема многокорпусной противоточной выпарной установки

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.

Преимущества: наименее концентрированный раствор получает необходимое для выпаривания тепло от греющего пара наиболее высоких рабочих параметров при прямотоке, 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 противоточных установках в первом корпусе наиболее концентрированный раствор выпаривается за счет тепла пара наиболее высоких параметров, в то время как в последнем корпусе исходный раствор самой низкой концентрации получает тепло от вторичного пара, имеющего наиболее низкие давление и температуру. Поэтому при противотоке коэффициенты теплопередачи значительно меньше изменяются по корпусам, чем при прямотоке.

Но при противотоке приходится перекачивать выпариваемый раствор из корпусов с меньшим давлением в корпуса с более высоким давлением. Поэтому применение промежуточных циркуляционных насосов 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 нежелательно выпадение твердого вещества. Кроме того, по такой схеме выпаривают растворы, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации раствора.

По схеме с параллельным питанием корпусов (рисунок 5.21)исходный раствор поступает одновременно во все три корпуса установки. Упаренный раствор, удаляемый из всех корпусов, имеет одинаковую конечную концентрацию.

У становки такой схемы используют, главным образом, при выпаривании насыщенных растворов, в которых находятся частицы выпавшей твердой фазы (что затрудняет перемещение раствора из корпуса в корпус), а также в тех процессах выпаривания, где не требуется значительного повышения концентрации раствора.

Рисунок 5.21 - Принципиальная схема многокорпусной выпарной установки с параллельным питанием