Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Л_24_ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ

.doc
Скачиваний:
33
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
120.83 Кб
Скачать

Лекция №24

Энергосбережение в выпарных установках.

Выпаривание представляет со­бой термический процесс кипения раствора с выделением паров рас­творителей в практически чистом виде (если не считаться с уносом жидкости); при этом растворимое нелетучее! вещество (твердое тело, например соль, или вязкая жид­кость, например вазелин) остается в концентрированном виде в аппа­рате. Получаемые при выпаривании пары удаляются в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Превращаться в пар раствори­тель может при кипении жидкости или при поверхностном испарении ее. В выпарных аппаратах приме­няется более интенсивный из этих способов превращения растворителя в пар, а именно кипение. Впервые выпаривание получило промышлен­ное применение в производстве сахара, а в дальнейшем — в химиче­ской промышленности. При концен­трировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса.

В технологических процессах в различных отраслях промышлен­ности выпаривают преимущественно водные растворы различных нелету­чих веществ, поэтому весь после­дующий материал будет изложен применительно к водным растворам.

В элементарном виде процесс выпаривания можно осуществить в простом открытом или закрытом сосуде, наполненном раствором, при подводе к нему тепла для кипения и отводе образующихся паров в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Выпарные аппараты по прин­ципу работы и конструктивному оформлению имеют много общего с испарителями, применяющимися на электрических станциях. Однако процесс выпарки водных растворов в выпарных аппаратах имеет прин­ципиальные отличия от процесса кипения чистой воды в испарителях.

Предположим, что имеются два открытых сосуда, обогреваемых па­ром через паровые рубашки. В пер­вом сосуде находится чистая вода, а во втором — 70%-ный водный рас­твор аммиачной селитры NН4NOз. Пусть давление греющего пара со­ставляет 0,4 МПа. Вода закипит при температуре около 100°С; рас­твор при том же атмосферном дав­лении закипит только при темпера­туре 120°С. Однако образующиеся из этого раствора водяные пары бу­дут иметь температуру ту же, что и в случае кипения чистой воды, т. е. около 100° С1.

Понижение температуры обра­зующихся из раствора водяных па­ров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-химической температурной депрессией. Обозначив ее через 1, можем написать:

1 = tр—,

Где tр — температура кипения рас­твора, °С;

 — температура образующихся паров воды, °С.

Физико-химическая температур­ная депрессия различна для разных растворов. Она больше у растворов веществ с малым молекулярным ве­сом. Для раствора одного и того же вещества физико-химическая темпе­ратурная депрессия увеличивается с повышением его концентрации.

Под концентрацией раствора по­нимают отношение веса сухого ве­щества в растворе к общему весу раствора в процентах1

b = Gcyx/(W+ Gcyx)

где b — массовая концентрация рас­твора, %; W — количество растворителя или воды в растворе, кг; Gcyx — масса растворенного или су­хого вещества в растворе, кг.

При выпарке вес сухого веще­ства в растворе остается постоян­ным, а количество растворителя (воды) уменьшается; следовательно, при этом концентрация раствора увеличивается.

Физико-химическая температур­ная депрессия для различных рас­творов может быть определена по справочникам. Справочные данные обычно относятся к условиям кипе­ния жидкости при атмосферном давлении. На практике выпаривание часто ведут и под вакуумом, и под давлением. В таких случаях расчет­ная физико-химическая температур­ная депрессия может быть вычисле­на по следующей приближенной формуле И. А. Тищенко:

1 = 0,003872'1T2/r; (1)

где 1 — искомая физико-химиче­ская температурная деп­рессия при давлении вы­паривания;

11 - депрессия, взятая из таб­лиц, при давлении 760 мм рт. ст.;

Т—абсолютная температура кипения раствора, °К;

r — скрытая теплота парооб­разования для воды при давлении выпаривания, кДж/кг.

Табл.1 Величины к в формуле (1)

T, °С

к

t, °С

К

t, °С

к

T, 0С

к

t, °С

к

t,°С

к

35

0,637

55

0,7364

75

0,8643

95

0,9677

ПО

1,0674

125

1,1757

40

0,661

60

0,7628

80

0,8755

100

1,00

115

1,1025

130

1,2135

45

0,685

65

0,7899

85

0,9057

105

1,0333

120

1,1384

135

1,2525

50

0,7106

70

0,8177

90

0,9362

Если в формуле (4-1) величину 0,003872 Т2/r заменить величиной к, то она примет вид:

1 =1 '*k (1a).

Величина к — функция T и r, следовательно, зависит от давления и температуры кипения чистой во­ды. В табл. 1 даны значения к в зависимости от температуры кипе­ния чистой воды.

Значения депрессии 11 для не которых наиболее часто встречаю­щихся растворов в зависимости от их концентраций даны на рис. 1.

Наличие физико-химической тем­пературной депрессии понижает по­лезную разность температур между первичным и вторичным паром в выпарном аппарате. Например, для рассмотренного случая кипения в открытом сосуде полезная разность температур для чистой воды

t = tн =142—100 = 42° С,

где tн= 142° С — температура кон­денсирующегося па­ра;

= 100°С — температура кипя­щей воды, равная температуре вто­ричного пара.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 9 0 100.

Концентрация раствора, %

Рис. 1. Изменение физико-химической температурной депрессии в зависимости от концентрации, меняющейся в процессе кипения раствора при атмосферном давле­нии.

Для кипящего раствора аммиач­ной селитры

t = tнtp =142 -120 =220C

Если в условиях рассматрива­емого примера приняты одинаковые коэффициенты теплопередачи при кипении чистой воды и раствора, то для одинаковой теплопроизводительности Q кВт выпарной аппа­рат должен иметь почти вдвое боль­шую поверхность, чем испаритель или паропреобразователь. Действительное уве­личение поверхности нагрева вы­парного аппарата будет еще боль­ше, так как при выпаривании рас­творов по сравнению с кипением чистой воды не только уменьшается полезная разность температур, но и в значительной степени снижается коэффициент теплопередачи.

Процесс выпарки характерен не только наличием физико-химической температурной депрессии, но и зна­чительным изменением физических констант раствора, связанных с из­менением его концентрации. С по­вышением концентрации раствора увеличиваются его вязкость, плот­ность и температурная депрессия и понижаются теплоемкость и тепло­проводность.

Вследствие увеличения вязкости растворов и понижения их тепло­проводности и теплоемкости уменьшается и коэффициент тепло­обмена ар между греющей стенкой и кипящим раствором. По опыт­ным данным, например, в нача­ле выпаривания клеевого раство­ра с начальной концентрацией 2% коэффициент теплопередачи к =3,49 кВт1(м2-град), а в конце выпаривания при концентрации 50% к = 0,29 кВт1(м2-град).

Теплоемкости некоторых веществ даны в табл. 2.

Таблица 2

Удельные теплоемкости безводных солей ссух, кДж/(кг-град)

Вещество

cсух

Вещество

ссух

СаС12 КС1 NН4С1

NaCl

KNO3

0,6873

0,6765

1,5195

0,8372

0,9251

NH4NO3

NаNОз (NН4)2SO4 Сахар

Глицерин

1,373 1,088 1,419 1,29309 2,4111

Теплопередача в выпарных аппа­ратах рассчитывается по формулам, изучаемым по ТМО. Значения фи­зических констант берутся из таб­лиц при соответствующих темпера­туре и концентрации раствора.

Классификация выпарных аппаратов и установок

По принципу работы выпарные установки разделяются на периоди­чески и непрерывно действующие. В периодически действующих установках жидкость подается в аппарат, выпаривается до необходи­мой более высокой концентрации, затем упаренный раствор удаляется из аппарата. Опорожненный аппа­рат вновь наполняется неконцентри­рованным раствором. Периодиче­ское выпаривание применяется при небольшой производительности установки или когда сгущенная жидкость не поддается откачке на­сосом либо в тех случаях, когда тре­буется выпарить весь растворитель.

В аппаратах непрерывного дей­ствия неконцентрированный (сла­бый) раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный (крепкий) раствор непрерывно отводится из него.

По сравнению с аппаратами пе­риодически действующими, аппара­ты непрерывного действия более экономичны в тепловом отношении, так как в них отсутствуют потери, связанные с расходом тепла на пе­риодический разогрев аппарата.

В большинстве случаев аппара­ты непрерывного действия компону­ются в так называемые многокор­пусные выпарные установки, в ко­торых упариваемый раствор после­довательно проходит через ряд от­дельных аппаратов. В каждом по­следующем аппарате устанавливает­ся большая концентрация раствора, чем в предыдущем.

По давлению внутри аппарата различают выпарные аппараты, ра­ботающие при избыточном и атмо­сферном давлениях и вакууме.

Вакуум в выпарных аппаратах применяется в следующих случаях:

а) когда раствор под влиянием вы­сокой температуры разлагается, из­меняет цвет, запах (например, са­хар, молоко);

б) когда раствор при атмосферном давлении имеет высо­кую температуру кипения, т. е. об­ладает большой физико-химической температурной депрессией, и требует высоких параметров греющего пара (например, раствор аммиачной се­литры, едкого кали и т. п.);

в) ког­да греющий теплоноситель имеет низкую температуру и, следователь­но, нужно снижать температуру ки­пения раствора;

г) для увеличения располагаемого температурного пе­репада в многокорпусной установке.

В тех случаях, когда получаемый в результате выпаривания раствора вторичный пар может быть исполь­зован как теплоноситель в других теплообменных устройствах и по­этому нет надобности удорожать выпарную установку подключением вакуум-насоса и конденсатора, мо­жет оказаться более рациональным выпаривание под давлением.

В качестве греющего теплоноси­теля наибольшее применение в вы­парных установках получил водя­ной пар.

Обогрев дистиллированной во­дой, высокотемпературными тепло-

носителями: горячим маслом, дифе-нильной смесью и др. применяется только в аппаратах периодического действия небольшой производитель­ности и требующих высокой темпе­ратуры обогрева. Система обогрева таких аппаратов состоит обычно из двух соединенных трубопроводами змеевиков, заполненных одним из указанных теплоносителей; один звеевик обогревается в печи, а вто­рой является греющей поверхностью выпарного аппарата. Греющий теп­лоноситель может иметь в змееви­ках естественную или принудитель­ную циркуляцию при помощи насо­са. В случае принудительной цир­куляции греющий теплоноситель полностью заполняет систему и на­ходится в ней под давлением, исключающим вскипание его, что необходимо для нормальной работы циркуляционных насосов. При есте­ственной циркуляции с возможно­стью парообразования система мо­жет быть заполнена теплоносителем частично.

Обогрев топочными газами мож­но встретить в примитивных выпар­ных установках периодического дей­ствия или при концентрировании растворов в распыленном состоянии, т. е. практически при сушке раство­ров '[Л. 19].

Электрообогрев методами элек­трического сопротивления или индукционных токов применяется в основном только в лабораторных выпарных аппаратах. По литератур­ным данным одна из наиболее крупных электровыпарных устано­вок потребляет 1 250 кет- ч электро­энергии (1075 000 ккал/ч), в то время как первый корпус мощной выпарной установки с паровым обо­гревом, например, для сахарного за­вода, расходует до 3 млн. ккал/ч.

Конструкции наиболее распространенных выпарных аппаратов

с паровым обогревом

Наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева, которые хорошо компону-

ются и занимают меньшую пло­щадь.

На рис. 4-4—4-9 показаны основ­ные наиболее распространенные ти­пы конструкций выпарных аппара­тов. Во всех этих конструкциях для облегчения очистки поверхности на­грева от накипеобразований пар по­ступает в межтрубное пространство, а раствор подогревается и кипит в трубках.

На рис. 4-4 представлен выпар­ной аппарат с центральной цирку­ляционной трубой. Естественная циркуляция раствора в аппарате происходит благодаря тому, что на единицу объема жидкости в кипя­тильных трубках приходится значи­тельно большая поверхность нагре­ва, чем в циркуляционной трубе (поверхность нагрева трубок про­порциональна их диаметру, а объем жидкости в трубках пропорциона­лен квадрату их диаметра). Поэто­му удельный вес раствора, находя­щегося в циркуляционной трубе, больше, чем в тонких трубках, в которых образование пузырьков па­ра протекает интенсивнее. Благода­ря устройству циркуляционной тру­бы усиливается естественная цирку­ляция, увеличивается коэффициент теплообмена и уменьшается осажде­ние накипи и твердых частичек на внутренних поверхностях кипятиль­ных трубок. Иногда вместо одной центральной циркуляционной трубы делают несколько труб меньшего диаметра.

Пар из раствора выделяется в паровое пространство, проходит че­рез ловушку, в которой происходит сепарация его от влаги, и поступает в паропровод вторичного пара.

Производительность аппаратов с циркуляционной трубой по опытным данным, например, для выпарива­ния сульфатных щелоков составляет 8—10 кг пара в 1 ч с 1 м2 поверх­ности нагрева. Аппараты с цирку­ляционной трубой изготовляют из черных и цветных металлов с по­верхностью нагрева до 350 м2 (не­стандартные аппараты изготовляют­ся с поверхностью нагрева до 1 000 м2 и более). Кипятильные трубки имеют высоту от 0,76 до 4 м и диаметр от 25 до 57 мм. Диаметр циркуляционной трубы прини­мается не менее 194 мм.

-

Рис. 2. Вертикальный выпарной аппарат типа В'В с центральной цир­куляционной трубой.

/ — греюшая камера с труб­ками; 2 —'центральная цир­куляционная труба; 3 — па­ровое пространство; 4 — се­паратор; 5 — отражательный зонт,

Конструкция аппарата, пока­занная на рис. 4-4, не имеет флан­цевых соединений, если она при­меняется для выпаривания щелоков, разъедающих прокладки. Для вы­паривания некорродирующих рас­творов могут применяться конструк­ции с фланцевыми соединениями, более удобные для чистки.

Большое распространение полу­чили пленочные выпарные аппара­ты. На рис. 4-5 показан выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (при кипении раствора в трубках). Кипятильные трубки заполняются раствором только на 1/4—1/5 их вы­соты. При достижении температуры кипения в растворе бурно образу­ются пузырьки пара, которые, дви­гаясь вверх, увлекают за собой раствор, распределяя его тонким слоем по внутренней поверхности трубки. Испарение жидкости происходит при этом в тонком слое, движущемся с большой скоростью (до 20 м/сек), что ­

Упаренный раствор

Греющий пар

Рис. 3. Выпарной аппа­рат пленочного типа с длин­ными трубками.

/ — корпус; 3 — сепаратор; 4 — камера для раствора; о—от­ражательный зонт; 6 — смотро­вое стекло; 7 — газоотводная трубка; 9 — опорные лапы; 10 — продувка шлама.

увеличивает коэффициент теплообмена по срав­нению с аппаратом, имеющим цир­куляционную трубку. Парожидкост-ная эмульсия из трубок поступает в центробежный сепаратор, где про­исходит отделение жидкости от па­ра. Вторичный пар поступает в тру­бопровод, а концентрированный раствор отбирается через патрубок для производственных целей или от­водится в следующий корпус.

В описываемом аппарате цир­куляция раствора отсутствует, т. е. каждая частица раствора однократ­но омывает греющую поверхность. В связи с этим эффективность дей­ствия таких аппаратов зависит от

уровня раствора: при заполнении аппарата на полную высоту трубок коэффициент теплообмена получает­ся наименьшим вследствие незна­чительного паросодержания и ма­лой скорости движения жидкой эмульсии внутри трубок; при сниже­нии уровня раствора в трубках ни­же допустимого минимума полу­чается недостаточное количество парожидкостной эмульсии и она вся превращается в пар, не достигнув, верхних концов трубок. В этом слу­чае производительность аппарата падает почти до нуля, но не за счет уменьшения коэффициента теплооб­мена, как в первом случае, а за счет выключения из работы верхней зо­ны трубок, т. е. уменьшения актив­ной поверхности нагрева. Таким об­разом, существует оптимальная вы­сота уровня раствора в кипятиль­ных трубках, устанавливаемая опытным путем. Этой высоте соот­ветствуют и достаточно высокий коэффициент теплообмена, и нуж­ное количество парожидкостной эмульсии, при котором верхние кон­цы трубок не будут оставаться су­хими и в эмульсии будет количество концентрированной жидкости, до­статочное для питания последую­щих аппаратов или отбора раствора как готового продукта.

Для получения максимального эффекта от процесса кипения рас­твора в пленке греющие трубки в аппаратах этой системы имеют дли­ну 6—9 м. Большой длиной трубок достигаются увеличение скорости движения парожидкостной эмульсии и уменьшение средней толщины пленки раствора. Увеличение скоро­сти пара, образующегося при кипе­нии пленки, происходит вследствие роста его удельного объема с пони­жением температуры кипения рас­твора в направлении к верхнему концу трубок за счет уменьшения гидростатического давления. В ре­зультате этих явлений повышается коэффициент теплообмена между­ стенкой и пленкой.

2