Методички для специальности "Машины и аппараты..." / Калишук_ПиАХТ_Ч

Общая и полезная разность температур

Общей разностью температур при выпаривании называют разность температур греющего и вторичного паров

(34.17)

Для многокорпусной выпарной установки суммарная общая разность температур определяется как разность температур греющего пара и вторичного пара в последнем корпусе

Движущую силу теплообмена в выпарном аппарате (установке) называют полезной разностью температур. Для выпарного аппарата (однокорпусной установки) она вычисляется как разность температур греющего пара (теплоносителя) и кипения раствора

Порядок расчѐта выпарного аппарата

Выпарные аппараты относятся к классу теплообменных, поэтому порядок и методика их расчѐта во многом повторяют порядок и методику расчѐта теплообменного аппарата. Главным конструктивным параметром, определяемым в ходе расчѐта, является поверхность теплопередачи F. По рассчитанной поверхности теплопередачи подбирают стандартный аппарат либо конструируют новый. Известно, что поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи

выбирают режим выпаривания (под атмосферным, избыточным или пониженным давлением), тип и конструкцию выпарного аппарата.

Многокорпусные выпарные установки

Многокорпусные выпарные установки используют при больших нагрузках по исходному раствору, при больших расходах вторичного пара. В корпусных выпарных установках греющий пар используется для обогрева только одного корпуса. Обогрев остальных корпусов осуществляется вторичным паром соседних корпусов. Такое аппаратно-технологическое оформление процесса обеспечивает снижение затрат энергии на его проведение.

Для того чтобы использовать вторичный пар в качестве греющего, нужно обеспечить условия, при которых температура вторичного пара в одном корпусе будет выше, чем температура кипения раствора в другом. Для этого устанавливают различные режимы работы корпусов, создавая в них различные режимы работы корпусов, создавая в них различные давления. За счѐт различия давлений температуры кипения раствора, вторичного пара в корпусах неодинаковы.

Наиболее распространенной многокорпусной выпарной установкой является прямоточная, схема которой представлена на рис.

1 – насос; 2 – подогреватель исходного раствора; 3,4 – выпарные аппараты; 5 – барометрический конденсатор; 6 – вакуум-насос.

G – раствор; D – греющий пар; W – вторичный пар; Н2О – вода; НГ – неконденсирующиеся газы.

В соответствии с приведѐнной схемой выпарной аппарат 3 работает под избыточным давлением, 4 – под вакуумом. Распределение давления по корпусам 3 и 4, Р1 и Р2 соответственно создают таким образом ( 1> 2), что температура

кипения в корпусе 3, т. к. при вводе холодного раствора в кипящий возникает кавитация. Подача раствора в первый корпус (поз. 3) осуществляется насосом 1, переток частично упаренного раствора из первого во второй корпус (поз. 4) самотѐком за счѐт перепада давлений в корпусах. Вторичный пар первого корпуса следует на обогрев второго корпуса, вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор 5, где конденсируется за счѐт смешения с водой. При конденсации пара создаѐтся разрежение, которое поддерживается за счѐт отвода неконденсирующихся газов из барометрического конденсатора вакуумнасосом 6. Конденсация раствора при проходе корпусов повышается и доводится до заданной конечной ( ). За счѐт того, что в последующий корпус раствор поступает перегретым, происходит частичное его самоиспарение.

Прямоточные выпарные установки применяются, если при выпаривании необходимо достичь значительного изменения концентраций при относительно небольших температурах (физико-химических) депрессиях. Достоинством их является то. Что отпадает потребность в насосах для перекачивания раствора из корпуса в корпус.

Противоточные выпарные установки используют при выпаривании растворов до высоких концентраций, когда в последнем по ходу корпусе возникают большие температурные депрессии. В них последний по ходу движения раствора корпус обогревается первичным паром (см. рис.)

1 – насосы; 2 – подогреватель; 3, 4 – выпарные аппараты.

Подача исходного раствора в первый корпус и из первого во второй

Недостаток: необходимость установки дополнительных насосов, схема непригодна для термочувствительных растворов. Достоинство: обогрев корпуса с наиболее концентрированным, вязким раствором, обладающим наименьшими коэффициентами теплоотдачи, осуществляется греющим первичным паром.

Установки с параллельным питанием корпусов применяют, если раствор при выпаривании мало меняет концентрацию, при выпаривании насыщенных растворов. Раствор движется перекрѐстно движению вторичного пара (см. рис.)

1 – насосы; 2 – подогреватели; 3, 4 – выпарные аппараты.

В этой схеме индивидуальное питание корпусов раствором с индивидуальными подогревателями.

Выбор числа корпусов выпарной установки

Известно, что с увеличением числа корпусов уменьшаются энергозатраты на проведение процесса, удельный расход пара Удельный расход пара в многокорпусной установке примерно обратно пропорционален числу корпусов по сравнению с удельным расходом пара в однокорпусной установке

Как видно из приведѐнных цифр, энергозатраты на выпаривание ЭЗ с увеличением числа корпусов снижаются. Однако при этом возрастает материалоѐмкость и сложность установки, затраты на еѐ ремонт и обслуживание. Поэтому капитальные затраты КЗ и затраты на ремонт и обслуживание ЗРО с увеличением числа корпусов растут. Общие затраты на выпаривание ОЗ представляют сумму ЭЗ, КР, ЗРО и условно-постоянных расходов УПР. При

Классификация выпарных аппаратов и общая их характеристика

По способу передачи тепла от греющего теплоносителя к упариваемому раствору выпарные аппараты делятся на поверхностные и смешения (контактные). Поверхностные аппараты по исполнению поверхности теплообмена подразделяют на аппараты с рубашками, змеевиковые, трубчатые и др. Выпарные аппараты смешения бывают барботажными и распылительными.

По роду греющего теплоносителя выпарные аппараты могут быть с паровым, газовым и др. теплоносителями, с электрическим обогревом.

По расположению оси греющей камеры выпарные аппараты делят на вертикальные, горизонтальные и наклонные.

По кратности циркуляции упариваемого раствора в греющей камере аппараты делят на прямоточные, в которых конечная концентрация раствора достигается за один проход его через аппарат, и с циркуляцией. Циркуляция раствора в аппарате может быть естественной свободной и направленной, а также принудительной.

Естественная циркуляция раствора возникает из-за разности плотностей раствора (парожидкостной смеси) в различных зонах аппарата и обусловлена неодинаковой интенсивностью подвода тепла. В выпарных аппаратах емкостного типа с внутренними нагревательными элементами (змеевиками, трубными пучками и др.), а также в емкостных аппаратах с рубашками циркуляция раствора, как правило, свободная, т. е. носит хаотический, неупорядоченный характер. Скорость свободной циркуляции невелика, поэтому аппараты со свободной циркуляцией малопригодны для выпаривания вязких, кристаллизующихся, накипеобразующих, а также термочувствительных растворов. Коэффициенты

теплоотдачи при свободной циркуляции относительно невелики, кроме того в виде внутренних устройств, рубашек трудно создать большие поверхности теплообмена. Поэтому они используются в основном в малотоннажных производствах.

Направленную циркуляцию раствора создают в контуре, объединяющем трубчатку греющей камеры и не обогреваемую (менее обогреваемую) циркуляционную трубу. При этом раствор в трубчатке (парожидкостная смесь) движется вверх, разделяясь в сепараторе на жидкость и пар, а более холодный раствор в циркуляционной трубе вниз. Для достижения большей скорости циркуляции необходимы большая высота кипятильных труб и увеличение перепада температур раствора в кипятильных трубах и в циркуляционной трубе.

Принудительную циркуляцию раствора организуют с помощью насосов, как правило, осевых, установленных в циркуляционной трубе.

Увеличение скорости циркуляции ведѐт к увеличению коэффициентов теплопередачи, уменьшению осаждения накипи на теплообменных поверхностях, уменьшению перегрева термочувствительных растворов.

Выпарные аппараты могут быть классифицированы по характеру кипения, зоне интенсивного парообразования. Раствор может кипеть в зоне расположения нагревательных устройств, во всѐм объѐме нагрева, и вне их, у своей поверхности, т.е. аппарат может иметь вынесенную зону кипения. Кипение раствора может осуществляться в его объѐме и на поверхности его плѐнки.

Вертикальные трубчатые аппараты являются наиболее распространѐнными. По взаимному расположению сепаратора, греющей камеры и циркуляционной трубы их делят на аппараты:

1)с соосными греющей камерой и циркуляционной трубой;

2)с соосными греющей камерой и вынесенной циркуляционной трубой»

3)с соосными циркуляционной трубой и вынесенной греющей камерой. Выпарные аппараты могут быть снабжены узлом солеотделения, если они

предназначены для выпаривания концентрированных кристаллизующих растворов. Разделение парожидкостной смеси, образующейся в результате кипения раствора, осуществляют в гравитационных сепараторах, размещѐнных, как правило, выше греющей камеры. Для улавливания капель жидкости, уносимых потоком вторичного пара, на второй стадии процесса разделения служат инерционные (жалюзийные, центробежные и др.), сетчатые и др. насадочные каплеуловители. Так как вторичный пар на выходе из слоя кипящей жидкости, как правило, перегрет, то уносимые им капли раствора доупариваются, и возможно образование кристаллов. Поэтому при упаривании концентрированных растворов предусматривают периодическую или постоянную промывку сепаратора

конденсатом.

Выпарные аппараты для выпаривания высоковязких, кристаллизующихся растворов могут быть снабжены механическими устройствами для принудительного его перемещения, схема осевших кристаллов, например, роторные.

Могут быть выделены и др. классификационные признаки для их характеристики.

Рекомендации по выпариванию растворов, обладающих специфическими свойствами

Рассмотрим устройство ВА с выносной греющей камерой и сосной циркуляционной трубой.

1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба; 4 – каплеуловитель.

Большая скорость циркуляции (до 1,5 м/с) ; высокие коэффициенты теплопередачи; отложение осадков.

ВА с вынесенной зоной кипения.

1 – гр. камера; 2 – сепаратор; 3 – циркул. труба; 4 – каплеуловитель; 5 – труба вскипания

Скорость циркуляции выше. ВА с принуд. циркуляцией.

1 – гр. камера; 2 – сепаратор; 3 – циркул. труба; 4 – каплеуловитель; 5 – насос (пропеллерный)

Для вязких, накипеобразующих, кристаллизующихся растворов. ВА с поднимающейся плѐнкой.

1 – гр. камера; 2 – сепаратор; 3 – каплеуловитель. Для маловязких, термочувствит. растворов.

Существуют плѐночные с пад. плѐнкой и роторные (для высоковязких р-ров).

ВА смешения (барботажный, погружного горения) 1 – корпус; 2 – горелка; 3 – сепаратор.

Для агрессивных, термостойких р-ров. Барометрический конденсатор.

1 – корпус; 2 – полки (сегментные, кольцевые); 3 – барометрическая труба; 4

– барометрический ящик.

Для конденсации пара и создания вакуума.

Расчѐт многокорпусных выпарных установок

Тепловой баланс

Тепловой баланс для каждого корпуса составляется так же, как для

часть растворителя в каждом последующем корпусе самоиспаряется. Можно приближенно считать, что (энтальпия греющего пара в последующем корпусе примерно равна энтальпии вторичного пара в предыдущем).

Общая полезная разность температур и еѐ распределение по корпусам

Как было указано ранее общая полезная разность температур

Полезная разность температур может быть распределена из учѐта равенства поверхностей выпарных аппаратов (их унификация) и из минимальной суммарной поверхности корпусов.

Распределение полезной разности температур из условия равных поверхностей выпарных аппаратов

При этом

⁄

⁄

Отсюда

( ⁄ ∑

∑( ⁄

Решение указанной системы уравнений совместно с уравнениями материального и теплового баланса проводят методом последовательных приближений, задаваясь распределением давлений по корпусам и расходов вторичного пара

Распределение полезной разности температур исходя из минимальной суммарной поверхности

Пример для двухкорпусной установки

⁄( ⁄(

∑

(∑

Обобщив для любого числа корпусов для -го корпуса установки из n корпусов

∑√ ⁄

∑√ ⁄

Установки с неравной поверхностью корпусов сложнее, дороже в расчѐте на единицу поверхности.

Лекции 36-38

Массообменные процессы и аппараты. Основы массопередачи Роль массообменных процессов и аппаратов. Их классификация

Массообменные процессы (диффузионные) – процессы переноса вещества (веществ) из фазы в фазу. Их используют для разделения гомогенных и гетерогенных систем с целью концентрирования содержащихся в фазах веществ. Переработанная таким образом фаза может являться конечным продуктом либо полупродуктом. За счѐт применения массообменных процессов также удаляют вредные примеси из технологических сред, стоков и газовых выбросов, извлекают из отходов, стоков и выбросов ценные вещества и т.д.

Массообмен в промышленных условиях протекают чаще всего между следующими фазами:

-газовой и жидкой; -паровой и жидкой; -жидкой и твѐрдой; -газовой и твѐрдой;

-между двумя жидкими (несмешивающиеся жидкости).

В зависимости от природы взаимодействующих фаз и сущности протекающих явлений массообменные процессы делятся на:

-абсорбцию (поглощение газа или пара жидкостью); -перегонку (разделение жидких однородных смесей, состоящих из

компонентов различной летучести, при взаимодействии жидкости и пара, полученного при испарении этой жидкости);

-адсорбцию(поглощение газового(парового)компонента из газовой фазы либо жидкого компонента из жидкой фазы твѐрдым поглотителем);

-экстракцию жидкостную (извлечение компонента (ов) из жидкой фазы другой жидкостью, практически не смешивающейся с разделяемой);

-экстракцию твѐрдофазную – экстрагирование (процесс извлечения компонента (ов) жидкостью из твѐрдой фазы);

-кристаллизацию (выделение твѐрдой фазы из жидкого пересыщенного раствора);

-растворение (переход твѐрдого вещества в жидкий раствор); -сушку термическую (удаление из твѐрдого, пастообразного материала влаги

с переводом еѐ в газовую за счѐт испарения); -ионный обмен – разновидность адсорбции.

Массоотдача – перенос вещества из ядра фазы к еѐ границе (или наоборот, от границы фазы в еѐ ядро). Массопередача – перенос вещества из ядра пересыщенной, отдающей фазы в ядро ненасыщенной, принимающей через границу раздела. Граница раздела может быть фиксированной (большинство случаев массообмена с участием твѐрдой фазы, некоторые случаи массообмена в системах жидкость – жидкость, жидкость – газ) и подвижной (системы жидкость – жидкость, газ – жидкость, жидкость – твѐрдое).

По числу минимально участвующих в процессе фаз и компонентов массообменные процессы и аппараты делятся на:

-1 группу – 2 компонента (оба распределяемые), 2 фазы (перегонка, кристаллизация, растворение);

-2 группу – 3 компонента (1 – распределяемый, 2 – компоненты-носители (инертные), каждый из компонентов-носителей присутствует только в одной из фаз), 2 фазы (абсорбция, экстракция, адсорбция, экстрагирование, сушка).

Скорость процессов массопереноса лимитируется молекулярной диффузией

уграницы раздела фаз, поэтому эти процессы называют диффузионными.

При массообмене перенос вещества возникает при наличии разности концентраций компонента в различных областях фазы. Следовательно, движущей силой массопереноса является разность концентраций (содержаний) компонента.

Процессы массопередачи, как правило, обратимы. Направление их протекания зависит от концентрации (действующей) компонента, , Т.

Движущая сила процесса характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия. Вещество перемещается из зоны больших концентраций в зону меньших концентраций, поэтому движущую силу принято выражать через разность концентраций. Процессы массопередачи как правило обратимы, и перенос веществ может протекать и в одном и в другом направлении в зависимости от давлений, температур и т. д. Направление перехода вещества зависит от концентрации распределяемого компонента в фазе и условий его равновесия.

Способы выражения состава фаз

Объѐмные концентрации м3 компонента/м3 смеси;

объѐмно-массовые кг А/м3 смеси; объѐмно-молярные кг А/моль смеси; относительные концентрации количество компонента/количество ост. комп.; относительная массовая

кг А/кг (В+С+…); Относительная молярная

моль А/моль (В+С+…)

Только для газовых смесей молярная и объѐмная концентрации численно равны (согласно уравнению Менделеева – Клайперона и закона Дальтона).