Выпаривание под вакуумом

ВЫПАРНЫЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 2

1. ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ.. 3

Выпаривание под вакуумом.. 4

Недостатки выпаривания под вакуумом.. 5

Выпаривание под повышенным давлением (выше атмосферного) 5

Однокорпусные установки. 5

Многокорпусные установки. 6

Непрерывное (циркуляционное) выпаривание. 6

Периодическое выпаривание. 6

1.1. Свойства растворов. 6

1.1.1. Концентрация раствора. 6

1.1.2. Растворимость твердых веществ в жидкостях. 7

1.1.3. Плотность раствора. 8

1.1.4. Вязкость жидких растворов. 8

1.1.5. Удельная теплоемкость раствора. 8

1.1.6. Теплопроводность растворов. 10

1.2. Температурные потери при выпаривании. 12

1.2.1. Физико-химическая температурная депрессия .... 12

1.2.2. Повышение температуры кипения растворов вследствие гидростатического давления (гидростатическая депрессия) ..... 15

1.2.3. Охлаждение вторичного пара в паропроводах между корпусами (гидравлическая депрессия ). 16

1.3. Типовые конструкции выпарных аппаратов [1-5] 17

1.3.1. Циркуляция растворов в выпарных аппаратах [4, 5] 19

Движущий напор. 20

1.3.2. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией [2, 3, 5] 22

1.3.3. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией. 25

1.3.4. Пленочные выпарные аппараты [4, 5] 27

1.3.5. Барботажные выпарные аппараты с погружными горелками. 28

Вопросы для самоконтроля. 29

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК.. 30

2.1. Выпарные установки с аппаратами поверхностного типа[1-5] 30

2.1.1. По числу ступеней: 31

2.1.2. По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора: 31

2.1.2.1. Прямоточные выпарные установки. 31

2.1.2.2. Противоточные выпарные установки. 32

3. По давлению вторичного пара в последней ступени: 34

4. По технологии обработки раствора: 36

2.2. Выпарные аппараты с тепловым насосом.. 38

2.3. Адиабатные и контактные выпарные установки. 41

2.3.1. Адиабатные выпарные установки [1] 41

2.3.2. Выпарные установки с контактными нагревателями [1] 42

2.3.3. Выпарные установки с аппаратами погружного горения (АПГ) [1] 44

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК.. 46

3.1. Расчет однокорпусной выпарной установки. 46

3.1.1. Материальный баланс выпарного аппарата. 47

3.1.2. Тепловой баланс выпарного аппарата. 47

3.1.3. Определение поверхности теплообмена. 49

3.2.1. Ввод исходных данных. 55

3.2.2. Распределение в первом приближении выпариваемой воды и давления греющих паров по корпусам.. 57

3.2.3. Расчет концентраций упариваемого раствора в корпусах. 58

3.2.4. Определение температуры кипения растворов. 58

3.2.5. Определение свойств раствора, водяного пара и конденсата. 60

3.2.6. Определение расходов греющего (первичного) пара и выпариваемой воды в каждом корпусе 60

3.2.7. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи. 61

3.2.8. Распределение полезной разности температур по ступеням.. 61

3.3. Расчет оптимального числа корпусов многокорпусной установки. 67

3.3.1. Предельное число корпусов многокорпусной установки. 67

3.3.2. Оптимальное число ступеней установки [1] 68

3.3.3. Энергосбережение в выпарных установках. 72

3.4. Расчет вспомогательного оборудования. 73

3.5. Варианты заданий для проектирования выпарных установок. 76

Вопросы для самоконтроля. 80

4. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК.. 81

4.1. Расчет однокорпусной выпарной установки ..... 81

4.1.1. Материальный баланс. 83

4.1.2. Тепловой расчет. 83

4.2. Расчет трехкорпусной вакуум-выпарной установки ..... 89

4.2.1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов. 90

4.2.2. Концентрации упариваемого раствора. 91

4.2.3. Температуры кипения растворов. 92

4.2.4. Полезная разность температур. 96

4.2.5. Определение тепловых нагрузок. 96

4.2.6. Выбор конструкционного материала. 100

4.2.7. Расчет коэффициентов теплопередачи. 100

4.2.8. Распределение полезной разности температур. 106

4.2.9. Уточненный расчет поверхности теплообмена. 107

4.3. Определение толщины тепловой изоляции [7] 110

4.4. Расчет барометрического конденсатора. 111

4.4.1. Расход охлаждающей воды.. 111

4.4.2. Диаметр конденсатора. 112

4.4.3. Высота барометрической трубы.. 112

4.5. Расчет производительности вакуум – насоса. 113

5. КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ.. 177

5. 1. Устройство и принцип действия кристаллизаторов. 179

Поверхностные кристаллизаторы. 180

Объемные кристаллизаторы. 182

Объемные кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем кристаллов. 185

Поверхностно-объемные кристаллизаторы. 187

5.2. Материальный и тепловой балансы кристаллизации. 188

Вопросы для самоконтроля. 190

ВВЕДЕНИЕ

Современная промышленность характеризуется весьма большим числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов и многообразием физико-химических свойств перерабатываемых веществ и выпускаемой продукции. Вместе с тем технологические процессы различных производств представляют собой комбинацию сравнительно небольшого числа типовых процессов (нагревание, охлаждение, выпаривание и т. д.). Теоретические основы этих процессов, методы их расчета и принципы наиболее рационального аппаратурного оформления составляют предмет и содержание курса тепломассообменного оборудования предприятий.

В квалификационной характеристике для подготовки инженера- промтеплоэнергетика указано, что специалист должен знать энергопроизводящее и энергопотребляющее оборудование электрических, тепловых, воздуходувных, газовых, холодильных станций, основы проектирования и эксплуатации тепломассообменных установок и аппаратов, уметь выполнять теплотехнологические и конструктивные расчеты энергоустановок промышленных предприятий, осуществлять расчет и выбирать вспомогательное оборудование и сооружения для тепловых и технологических выбросов.

ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ

При кипении растворов нелетучих веществ (например, растворов солей, щелочей, органических веществ с очень низким давлением паров при температуре кипения и т.п.) в пары переходит практически только растворитель.

По мере испарения растворителя и удаления растворителяв виде паров концентрация раствора повышается.

Процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении, называется выпариванием.

1. Испарение при температурах ниже температуры кипения данного раствора происходит с егоповерхности раствора.

2. Испарение при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего растворителя (из объема раствора).

Обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в применяемых для выпаривания аппаратах вещество должно оставаться в текучем состоянии.

В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора.

При дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т.е. выделение из него твердого вещества.

Процесс выпаривания широко применяется для:

- повышения концентрации разбавленных растворов,

- выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации,

- а иногда – для выделения растворителя (например, при получении питьевой или технической воды в выпарных опреснительных установках).

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними (полезной разности температур).

При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур.

В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным, хотя, конечно, для этой цели могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоносители.

(Есть еще вторичный или соковый пар).

Таким образом, выпаривание является типичным процессом переноса теплоты от более нагретого теплоносителя - греющего пара – к кипящему раствору. Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключаются в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.

Выпаривание проводят:

1- при атмосферном давлении,

2- под вакуумом или

3- под давлением, большим атмосферного.

Образующийся при выпаривании растворов пар называется вторичным, или соковым.

Выпаривание под вакуумом

Преимущества выпаривания под вакуумом по сравнению с атмосферной выпаркой:

1+ снижается температура кипения раствора, что дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически нестойких веществ;

2+ повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата;

3+ несколько снижаются потери теплоты в окружающую среду (так как снижается температура стенки аппарата);

4+ появляется возможность использования теплоносителя низкого потенциала.

Недостатки выпаривания под вакуумом

1- удорожание установки (так как требуется дополнительное оборудование – конденсатор, вакуум–насос и др.)

2- больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раствором происходит увеличение теплоты испарения растворителя).

Выпаривание под повышенным давлением (выше атмосферного)

При выпаривании под повышенным давлением (выше атмосферного) вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента для различных технологических нужд.

Однокорпусные установки

Если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат (рис.1.1), то ее называют однокорпусной установкой.

Рис. 1.1. Схема однокорпусной выпарной установки:

1 – сепаратор; 2 – греющая камера; 3 – циркуляционная труба; 4 – барометрический конденсатор; 5 – барометрическая труба; 6 – вакуум-насос

Многокорпусные установки

Если же в установке имеются два и более последовательно соединенных корпусов, то ее называют многокорпусной установкой.

В этом случае вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что приводит к существенной экономии свежего греющего пара. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называют экстра-паром. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и т.д.

Непрерывное (циркуляционное) выпаривание.

При больших производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого раствора в час и выше), что характерно для промышленности, выпаривание проводят по непрерывному принципу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, т.е. в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения. Поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи (так, с повышением концентрации раствора увеличивается его вязкость и, следовательно, снижается коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору).

Периодическое выпаривание

Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и необходимости упаривания раствора до существенно высоких концентраций.

Свойства растворов

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: