6.3.7 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

Данные аппараты просты по конст­рукции и применяются для выпаривания растворов с невысокой вязкостью, не склонных к кристаллизации.

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой представлен на рисунке 6.13.

Циркуляция в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. Скорость циркуляции невелика (скорость парожидкостной смеси составляет от 0,3 до 0,8 м/с).

Аппарат с вынесенной циркуляционной трубой представлен на рисунке 6.14. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, следовательно, раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. Движение происходит за счет разности плотностей.

Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах уменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться при концентрировании растворов.

6.3.8 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией

Данные аппараты позволя­ют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопере­дачи. Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов, обладающих высокой производительностью. В связи с более высокими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи – более 2000 Вт/(м²·К), поэтому такие аппараты могут эффективно работать при меньших полезных разностях температур (равных 3…5 °С). В аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успехом концентрировать высоковязкие или кристаллизующиеся растворы.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (рисунок 6.15а). В этом случае появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее загрязнении, а иногда к одному сепаратору подсоединять две или три нагревательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющая нагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с соосной греющей камерой и сепаратором (рисунок 6.15б) является меньшая производительная площадь, необходимая для его размещения.

а б

1 – нагревательные камеры; 2 – сепараторы;

3 – брызгоуловитель; 4 – циркуляционные трубы; 5 – насосы

Рисунок 6.15 – Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

и вынесенными нагревательной камерой (а)

и циркуляционной трубой (б)

6.3.9 Расчет выпарного аппарата

Технологический (тепловой) расчет выпарного аппарата при его проектировании сводится к определению поверхности нагрева при заданных условиях работы выпарного аппарата (рисунок 6.16). Расчет заключается в решении систем уравнений материального, теплового балансов и теплопередачи с учетом дополнительных условий.

При расчете заданы обычно следующие параметры:

S_н – производительность аппарата, кг/с;

х_н, х_к – соответственно начальная и конечная массовые доли растворенного вещества.

Этапы расчета выпарного аппарата:

а) определить количество растворителя W, которое необходимо выпарить, чтобы повысить концентрацию от х_н до х_к ;

б) определить количество теплоты, которое необходимо для выпаривания этого количества растворителя;

в) определить расход теплоносителя (в большинстве случаев пара) D_г.п.;

г) определить поверхность нагрева F, м²;

д) выбрать стандартный выпарной аппарат по стандарту.

Из-за большого количества неизвестных величин расчет становится громоздким. Поэтому его выполняют методом последовательных приближений. Задаются значениями соответствующих величин, выполняют расчет и в случае существенного расхождения принятых и рассчитанных величин принимают новые значения тех же величин для последующего приближения. Предварительно выполняют приближенный расчет, который позволяет выяснить ориентировочные показатели работы аппарата.

Количество выпариваемого раствора W определяют исходя из общего балансового соотношения (Пр-Ух+Ис-Ст=Нак).

Поскольку рассматривается непрерывный процесс, количество субстанции, которая приходит в аппарат, равно количеству субстанции, которая уходит Пр=Ух. То есть материальный баланс выпарной установки будет выглядеть так:

(6.21)

или по растворенному веществу

. (6.22)

Сопоставив уравнения (6.21) и (6.22), получим

_{. (6.23)}

Таким образом, из уравнения (6.23) можно найти количество выпариваемой воды, если задана конечная концентрация раствора; или конечную концентрацию раствора при заданном количестве выпаренной воды.

с – удельная теплоемкость, Дж/кгК; t – температура, К; Н – энтальпия, Дж/кг; G – расход раствора, кг/с; D – расход пара, кг/с; Q – количество тепла, Вт; х – концентрация, %; φ – влажность пара, %

Рисунок 6.16 – К расчету поверхности нагрева

выпарного аппарата

Количество теплоты и расход греющего пара определяют из теплового баланса (Пр=Ух).

Приход теплоты:	Уход теплоты:
– с греющим паром ;	– с упаренным раствором ;
	– со вторичным паром ;
– с исходным раствором ;	– с паровым конденсатом ;
	– теплота концентрирования ;
	– потери в окружающую среду .

Из уравнения теплового баланса находят расход греющего пара на выпаривание:

. (6.24)

Таким образом, греющий пар используется для нагревания исходного раствора до температуры кипения, испарения влаги из раствора с учетом теплового эффекта концентрирования раствора и тепловых потерь в окружающую среду.

В случае, если раствор поступает в аппарат при температуре кипения, отсутствуют тепловой эффект концентрирования раствора и тепловые потери в окружающую среду, удельный расход пара можно определить по упрощенной формуле:

. (6.25)

_{Движущую силу процесса выпаривания определяют по формуле}

. (6.26)

_{Коэффициент теплопередачи}

_(6.27)

_{Поверхность греющей камеры}

_{. (6.28)}