Материальный баланс процесса выпаривания

Филиал НИЯУ МИФИ»

Физико-технический факультет                       Кафедра радиохимии

Специальность: 240501.65 «Химическая технология материалов
современной энергетики»

Семестр: 7            Форма обучения: очная

Дисциплина: «Процессы и аппараты химической технологии»

__________________________________________________________________________________________________________________

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по теме

«ПРОЕТИРОВАНИЕ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ РАСТВОРА НИТРАТА НАТРИЯ»

 

 

Руководитель курсового проекта Г.П. Попков       ______________________________

                                                                                Подпись, дата

Выполнил студент 4 курса группы ХТ-41 Кочетков И.С. _______________

     Подпись, дата

 

 

Димитровград 2016

ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Студент Кочетков И.С.

Группа ХТ-41

Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания раствора нитрата натрия.

Основные исходные данные:

1. Аппарат с кипением в трубах и естественной циркуляцией раствора.

2. Производительность аппарата по концентрированному раствору

3. Содержание растворенного вещества:

Начальное содержание

Конечное содержание

4. Начальная температура раствора

5. Избыточное давление греющего пара

6. Абсолютное давление в барометрическом конденсаторе

Выполнить:

1. Технологический расчет установки

2. Полный расчет тепловой установки

 

 

Содержание

Введение. 4.

1.Аналитический обзор. 6.

2.Технологическая часть. 10

3.Технологические  расчеты.. 12

3.1 Материальный баланс процесса выпаривания. 12

3.2 Движущая сила процесса выпаривания. 13

3.2.1 Температура и давление в барометрическом конденсаторе. 13

3.2.2 Температура и давление греющего пара. 13

3.2.3 Полезная разность температур (движущая сила процесса) 13

3.3 Тепловой баланс выпарного аппарата. 16

3.3.1 Расход тепла на нагревание раствора. 16

3.3.2 Расход тепла на испарение. 17

3.3.3 Расход греющего пара. 18

3.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата. 18

Выводы…………………………………………………………………...25

Список использованной литературы…………………………………...26

 

 

Введение

Задачей данного курсового проекта является спроектировать установку для концентрирования раствора нитрата аммония.

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ в жидких летучих растворителях. Процесс заключается в том, что путем нагревания, а иногда и понижения давления некоторую часть растворителя переводят в парообразное состояние и в виде пара удаляют из жидкой смеси.

Процесс выпаривания может сопровождаться кристаллизацией растворенных веществ. Иногда целью выпаривания является получение растворителя в чистом виде (при опреснении морской воды). Раствор, поступающий на выпаривание, называется исходным раствором, а удаляемый концентрированный раствор – упаренным.

Тепло, необходимое для кипения раствора, может подводиться различными способами. Однако наибольшее распространение получил в качестве греющего агента водяной пар, который называют греющим или первичным. Пар растворителя, который образуется при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным. Вторичный пар может использоваться в качестве греющего пара при многократном выпаривании либо для нужд, не связанных с выпариванием, в последнем случае он называется экстра-паром.

Выпарные установки кроме выпарных аппаратов включают и вспомогательное оборудование (конденсаторы, теплообменники, насосы и др.).

Выпарной аппарат состоит из следующих основных частей: греющей камеры, в которой нагревают раствор до требуемой температуры; испарительной (кипятильной) камеры, где происходит испарение (кипение) растворителя; сепаратора, обеспечивающего отделение капелек жидкого раствора от образующихся паров; устройств, обеспечивающих циркуляцию и транспортировку раствора. Части аппарата могут совмещаться и выполнять несколько функций. Так нагревание и испарение часто проводят в одной части аппарата, называемой обычно греющей камерой. Исходный раствор поступает в аппарат, как правило, нагретым до температуры кипения. В противном случае в греющей камере раствор нагревается до температуры кипения и подается в испарительную камеру, где кипит. Образующийся пар растворителя проходит через сепаратор, в котором отделяется от захваченных капель жидкости, и удаляется из аппарата (вторичный пар). Для подачи тепла в греющую камеру обычно используется греющий водяной пар. Разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором называется полезной разностью температур. Температура кипения раствора при выпаривании отличается от температуры вторичного пара на величину, называемую температурными потерями.

В данном проекте рассматривается аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой. В данном аппарате циркуляция раствора происходит за счет различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и по мере подъема закипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

В таких аппаратах облегчена очистка поверхности от отложений, так как доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

 

 

Аналитический обзор.

Способы выпаривания подразделяются в зависимости от различных признаков.

В зависимости от давления различают выпаривание под избыточным давлением, под атмосферным давлением и под вакуумом.

При проведении процесса под избыточным давлением можно использовать образующийся вторичный пар. При этом вторичный пар обладает высокой температурой и годен для использования в другом аппарате в качестве греющего, либо экстра-пара. Однако при выпаривании под высоким давлением повышается температура кипения упариваемого раствора, что применимо только для термически стойких веществ. Кроме того, повышаются затраты, связанные с внутренним высоким давлением в аппарате. Всех указанных недостатков, но также и достоинств лишен аппарат для проведения процесса под атмосферным давлением. Вторичный пар при этом обычно не используется и направляется в атмосферу. Конструктивно такие аппараты наиболее просты, но наименее экономичны.

Создание вакуума в аппарате приводит к понижению температуры проведения процесса. Это дает возможность концентрирования растворов веществ, склонных к термическому разложению, использования в качестве греющих агентов теплоносителей с низкими температурами. Кроме того, увеличивается полезная разность температур, что приводит к уменьшению требуемой поверхности теплообмена. Но при таком способе проведения процесса несколько увеличивается удельная теплота испарения растворителя, следовательно, возрастает расход необходимого тепла. Проведение процесса под вакуумом требует дополнительного оборудования для его создания и поддержания в аппарате.

В зависимости от использования вторичного пара различают: простое выпаривание, многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом. При простом выпаривании в однокорпусных установках вторичный пар не используется для выпаривания и удаляется из аппарата. При многократном выпаривании в многокорпусных установках, которые наиболее распространены, вторичный пар из предыдущего аппарата используется в качестве греющего в последующем. При этом давление в последовательно соединенных аппаратах поддерживается таким, чтобы вторичный пар из предыдущего аппарата служил греющим в последующем, т.е. температура вторичного пара из предыдущего корпуса должна быть выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Таким образом, первичным паром обогревается только первый аппарат, а последующие – вторичным паром из предыдущего. С этой целью давление по ходу движения пара снижается от корпуса к корпусу, что уменьшает температуру кипения раствора. Такой подход приводит к значительным снижениям энергетических затрат. Снижение энергетических затрат может быть достигнуто в однокорпусных выпарных установках с применением теплового насоса. В таких установках вторичный пар с помощью теплового насоса (турбокомпрессора или пароструйного инжектора) сжимается до давления, которое соответствует температуре первичного пара и возвращается в аппарат в качестве греющего, смешиваясь с первичным паром.

Выпарные аппараты также классифицируются по различным признакам.

По способу организации процесса во времени выпарные аппараты могут быть периодического и непрерывного действия. Однако установки периодического действия не нашли широкого распространения из-за низкой экономической эффективности. Они могут применяться для малых производств или при высокой концентрации получаемых продуктов.

В зависимости от организации кипения выпариваемого раствора аппараты можно подразделить: с парообразованием в зоне теплообмена; адиабатное испарение; парообразование при непосредственном контакте с теплоносителем. При парообразовании в зоне теплообмена кипение раствора проходит на поверхности, через которую проходит передача тепла от греющего агента, или вблизи нее. В аппаратах адиабатного испарения кипение раствора проводится вне зоны подвода тепла. Кипение проходит в специальной камере с пониженным давлением. Такие аппараты называют аппаратами с вынесенной зоной кипения.

Необходимость их появления связана с тем, что при кипении в зоне подвода тепла на поверхности теплопередачи могут выделяться отложения растворенных веществ. Такие отложения резко снижают теплопередачу и уменьшают производительность аппаратов. В аппаратах с кипением, вызванным непосредственным контактом раствора и теплоносителя, образующиеся пары необходимо отделять от теплоносителя. Использование газа в качестве такого теплоносителя приводит к образованию парогазовой смеси, разделять которую можно путем конденсации пара. При этом отсутствуют отложения, препятствующие теплообмену между раствором и теплоносителем.

По агрегатному состоянию теплоносителя, используемому в качестве греющего агента, аппараты можно подразделить на: использующие теплоноситель в газообразном (продукты сгорания, горячий воздух), парообразном (водяной пар), жидком (вода, масло, высокотемпературные теплоносители и др.), твердом состоянии или обогрев ведется с помощью электричества. Наиболее распространен обогрев водяным паром.

По типу циркуляции раствора в аппаратах различают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также без циркуляции раствора (прямоточные). Естественная циркуляция раствора может быть свободной (неорганизованной) или направленной (организованной). Естественная циркуляция осуществляется под действием силы тяжести за счет разности плотностей раствора в различных точках аппарата. Принудительная циркуляция обеспечивается с помощью насосов, мешалок, подачи пара (газа), вращением или вибрацией частей самого аппарата. Свободная (неорганизованная) циркуляция осуществляется в объеме аппарата, и движение раствора специальным образом не организуется. При направленной циркуляции движение раствора организуется за счет специальных устройств (циркуляционных труб). В аппаратах без циркуляции проводят выпаривание за один проход раствора. В аппаратах с циркуляцией раствор за время процесса множество раз циркулирует в объеме аппарата, что увеличивает скорость его движения и приводит к росту коэффициента теплоотдачи, а также уменьшению отложения накипи.

По типу поверхности нагрева – поверхностные (трубчатые, змеевиковые, аппараты с рубашкой и т.д.) и контактные (при непосредственном контакте с нагревающим агентом.)

По ориентации греющей камеры в пространстве – аппараты с вертикальной, горизонтальной, наклонной камерами.

Кроме того, выпарные аппараты могут подразделяться по многим другим признакам: по степени концентрирования раствора, по производительности, по степени заполнения сечения греющей камеры раствором и т.д. Конструкции выпарных аппаратов очень разнообразны. При выборе конструкции выпарного аппарата для конкретного производства необходимо учитывать множество факторов: расход упариваемой жидкости, начальную и конечную концентрации раствора, возможную кристаллизацию и отложения на стенках греющей камеры и т.д. Обилие конструкций выпарных аппаратов обусловлено наличием множества способов и условий проведения процесса, разнообразием свойств концентрируемых растворов, многообразием теплоносителей.

За основу классификации выпарных аппаратов обычно принимают тип циркуляции раствора [3].

 

 

Технологическая часть

Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата.

Исходный раствор с концентрацией растворенного вещества Х_н в количестве G_в подается в трубное пространство греющей камеры 1 выпарного аппарата.

Выгрузка упаренного раствора с концентрацией Х_к производится из нижней или верхней части трубного пространства. Греющий пар (D) подается в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется на наружной поверхности труб, а образующий конденсат стекает в нижнюю часть межтрубного пространства, откуда выходит из выпарного аппарата через конденсатоотводчик 8.

Вторичный (W), т.е. удаленный из кипящего раствора, пар выходит из верхней части сепаратора 2 и поступает в барометрический конденсатор 5, куда так же подается вода (G_в). При непосредственном контакте вторичного пара и более холодной воды происходит конденсация вторичного пара с выделением теплоты фазового перехода; образующаяся при этом смесь G_в+W представляет собой горячую воду, которая по барометрической трубе 7 под действием силы тяжести выводится из выпарной установки.

Из верхней части барометрического конденсатора 5 вакуум – насосом 6 непрерывно или периодически откачивается сравнительно небольшое количество воздуха G_вх. Во-первых, это воздух, который был растворен в исходном растворе G_н и холодной воде G_в и теперь выделяется в массу вторичного пара при нагревании раствора и воды. Во-вторых, это воздух, попадающий в выпарную установку в результате негерметичности уплотнений, если установка работает под разряжением. Схема выпарной установки представлена на рисунке 1

 

 

Рисунок 1 – Схема выпарной установки.

1- корпус греющей камеры; 2 – сепаратор; 3 – кипятильные трубы; 4 центральная циркуляционная труба; 5- барометрический конденсатор; 6- вакуум насос; 7- барометрическая труба; 8- сборник конденсата; 9- брызгоулавливатель.

 

Технологические расчеты

Расход тепла на испарение

Расход тепла на испарение рассчитывается по формуле:

                         (3.17)

где  энтальпия вторичного пара, найденная по таблице LVI стр.548 [1], ;

− удельная теплоемкость воды, найденная по формуле (3.16) с учетом, что ;

Расход тепла на испарение по формуле (3.17) равен:

Тогда полный расход тепла с учетом потерь (4% от суммы  и ) составит

                         (3.18)

Расход греющего пара

Расход греющего пара  в выпарном аппарате определяем по формуле:

                                (3.19)

где  паросодержание (степень сухости) греющего пара;

удельная теплота конденсации (испарения) греющего пара, кДж/кг.

Удельная теплота конденсации греющего пара находим по значению температуры греющего пара  из таблицы LVII стр. 550, [1].

Удельный расход греющего пара:

                                       (3.20)

ВЫВОДЫ

 

В данной курсовой работе представлен процесс выпаривания раствора нитрата натрия.

В результате приведенных выше расчетов был выбран следующий выпарной аппарат с естественной циркуляцией:

1. выпарной аппарат: тип 1 исполнение 2 (выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой);

2. площадь теплообмена 301 м² (по внутреннему диаметру трубы);

3. диаметр труб 38x2 мм

4. длинной труб 4 м

5. диаметр греющей камеры не менее 1400 мм

6. диаметр сепаратора не более 3200 мм

7. количество труб 640

8. диаметр циркуляционной трубы 488 мм

9. масса аппарата не более 15000 кг

 

 

Список использованной литературы

 

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.- корр. АН СССР П. Г. Романкова, - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

2. Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И./Под редакцией Дытнерского Ю. И., 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1991. - 496с

3. Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные: Метод. указания/ЛТИ им. Ленсовета. - Л.: 1989. - 40 с.

4. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 8-е изд., М.: Химия, 1971. - 784 с.

5. Романков П. Г., Фролов В. Ф. и др. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). – СПб: Химия, 1993. – 496 с.

6. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю. И. Дытнерского. М.: Химия, 1991.- 496 с.

7. http: //files.stroyinf.ru/Data2/1/4293802/4293802215.pdf

 

 

Филиал НИЯУ МИФИ»

Физико-технический факультет                       Кафедра радиохимии

Специальность: 240501.65 «Химическая технология материалов
современной энергетики»

Семестр: 7            Форма обучения: очная

Дисциплина: «Процессы и аппараты химической технологии»

__________________________________________________________________________________________________________________

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по теме

«ПРОЕТИРОВАНИЕ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ РАСТВОРА НИТРАТА НАТРИЯ»

 

 

Руководитель курсового проекта Г.П. Попков       ______________________________

                                                                                Подпись, дата

Выполнил студент 4 курса группы ХТ-41 Кочетков И.С. _______________

     Подпись, дата

 

 

Димитровград 2016

ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Студент Кочетков И.С.

Группа ХТ-41

Спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия для выпаривания раствора нитрата натрия.

Основные исходные данные:

1. Аппарат с кипением в трубах и естественной циркуляцией раствора.

2. Производительность аппарата по концентрированному раствору

3. Содержание растворенного вещества:

Начальное содержание

Конечное содержание

4. Начальная температура раствора

5. Избыточное давление греющего пара

6. Абсолютное давление в барометрическом конденсаторе

Выполнить:

1. Технологический расчет установки

2. Полный расчет тепловой установки

 

 

Содержание

Введение. 4.

1.Аналитический обзор. 6.

2.Технологическая часть. 10

3.Технологические  расчеты.. 12

3.1 Материальный баланс процесса выпаривания. 12

3.2 Движущая сила процесса выпаривания. 13

3.2.1 Температура и давление в барометрическом конденсаторе. 13

3.2.2 Температура и давление греющего пара. 13

3.2.3 Полезная разность температур (движущая сила процесса) 13

3.3 Тепловой баланс выпарного аппарата. 16

3.3.1 Расход тепла на нагревание раствора. 16

3.3.2 Расход тепла на испарение. 17

3.3.3 Расход греющего пара. 18

3.4 Расчет греющей камеры выпарного аппарата. 18

Выводы…………………………………………………………………...25

Список использованной литературы…………………………………...26

 

 

Введение

Задачей данного курсового проекта является спроектировать установку для концентрирования раствора нитрата аммония.

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ в жидких летучих растворителях. Процесс заключается в том, что путем нагревания, а иногда и понижения давления некоторую часть растворителя переводят в парообразное состояние и в виде пара удаляют из жидкой смеси.

Процесс выпаривания может сопровождаться кристаллизацией растворенных веществ. Иногда целью выпаривания является получение растворителя в чистом виде (при опреснении морской воды). Раствор, поступающий на выпаривание, называется исходным раствором, а удаляемый концентрированный раствор – упаренным.

Тепло, необходимое для кипения раствора, может подводиться различными способами. Однако наибольшее распространение получил в качестве греющего агента водяной пар, который называют греющим или первичным. Пар растворителя, который образуется при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным. Вторичный пар может использоваться в качестве греющего пара при многократном выпаривании либо для нужд, не связанных с выпариванием, в последнем случае он называется экстра-паром.

Выпарные установки кроме выпарных аппаратов включают и вспомогательное оборудование (конденсаторы, теплообменники, насосы и др.).

Выпарной аппарат состоит из следующих основных частей: греющей камеры, в которой нагревают раствор до требуемой температуры; испарительной (кипятильной) камеры, где происходит испарение (кипение) растворителя; сепаратора, обеспечивающего отделение капелек жидкого раствора от образующихся паров; устройств, обеспечивающих циркуляцию и транспортировку раствора. Части аппарата могут совмещаться и выполнять несколько функций. Так нагревание и испарение часто проводят в одной части аппарата, называемой обычно греющей камерой. Исходный раствор поступает в аппарат, как правило, нагретым до температуры кипения. В противном случае в греющей камере раствор нагревается до температуры кипения и подается в испарительную камеру, где кипит. Образующийся пар растворителя проходит через сепаратор, в котором отделяется от захваченных капель жидкости, и удаляется из аппарата (вторичный пар). Для подачи тепла в греющую камеру обычно используется греющий водяной пар. Разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором называется полезной разностью температур. Температура кипения раствора при выпаривании отличается от температуры вторичного пара на величину, называемую температурными потерями.

В данном проекте рассматривается аппарат с естественной циркуляцией и с вынесенной греющей камерой. В данном аппарате циркуляция раствора происходит за счет различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и по мере подъема закипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

В таких аппаратах облегчена очистка поверхности от отложений, так как доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

 

 

Аналитический обзор.

Способы выпаривания подразделяются в зависимости от различных признаков.

В зависимости от давления различают выпаривание под избыточным давлением, под атмосферным давлением и под вакуумом.

При проведении процесса под избыточным давлением можно использовать образующийся вторичный пар. При этом вторичный пар обладает высокой температурой и годен для использования в другом аппарате в качестве греющего, либо экстра-пара. Однако при выпаривании под высоким давлением повышается температура кипения упариваемого раствора, что применимо только для термически стойких веществ. Кроме того, повышаются затраты, связанные с внутренним высоким давлением в аппарате. Всех указанных недостатков, но также и достоинств лишен аппарат для проведения процесса под атмосферным давлением. Вторичный пар при этом обычно не используется и направляется в атмосферу. Конструктивно такие аппараты наиболее просты, но наименее экономичны.

Создание вакуума в аппарате приводит к понижению температуры проведения процесса. Это дает возможность концентрирования растворов веществ, склонных к термическому разложению, использования в качестве греющих агентов теплоносителей с низкими температурами. Кроме того, увеличивается полезная разность температур, что приводит к уменьшению требуемой поверхности теплообмена. Но при таком способе проведения процесса несколько увеличивается удельная теплота испарения растворителя, следовательно, возрастает расход необходимого тепла. Проведение процесса под вакуумом требует дополнительного оборудования для его создания и поддержания в аппарате.

В зависимости от использования вторичного пара различают: простое выпаривание, многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом. При простом выпаривании в однокорпусных установках вторичный пар не используется для выпаривания и удаляется из аппарата. При многократном выпаривании в многокорпусных установках, которые наиболее распространены, вторичный пар из предыдущего аппарата используется в качестве греющего в последующем. При этом давление в последовательно соединенных аппаратах поддерживается таким, чтобы вторичный пар из предыдущего аппарата служил греющим в последующем, т.е. температура вторичного пара из предыдущего корпуса должна быть выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Таким образом, первичным паром обогревается только первый аппарат, а последующие – вторичным паром из предыдущего. С этой целью давление по ходу движения пара снижается от корпуса к корпусу, что уменьшает температуру кипения раствора. Такой подход приводит к значительным снижениям энергетических затрат. Снижение энергетических затрат может быть достигнуто в однокорпусных выпарных установках с применением теплового насоса. В таких установках вторичный пар с помощью теплового насоса (турбокомпрессора или пароструйного инжектора) сжимается до давления, которое соответствует температуре первичного пара и возвращается в аппарат в качестве греющего, смешиваясь с первичным паром.

Выпарные аппараты также классифицируются по различным признакам.

По способу организации процесса во времени выпарные аппараты могут быть периодического и непрерывного действия. Однако установки периодического действия не нашли широкого распространения из-за низкой экономической эффективности. Они могут применяться для малых производств или при высокой концентрации получаемых продуктов.

В зависимости от организации кипения выпариваемого раствора аппараты можно подразделить: с парообразованием в зоне теплообмена; адиабатное испарение; парообразование при непосредственном контакте с теплоносителем. При парообразовании в зоне теплообмена кипение раствора проходит на поверхности, через которую проходит передача тепла от греющего агента, или вблизи нее. В аппаратах адиабатного испарения кипение раствора проводится вне зоны подвода тепла. Кипение проходит в специальной камере с пониженным давлением. Такие аппараты называют аппаратами с вынесенной зоной кипения.

Необходимость их появления связана с тем, что при кипении в зоне подвода тепла на поверхности теплопередачи могут выделяться отложения растворенных веществ. Такие отложения резко снижают теплопередачу и уменьшают производительность аппаратов. В аппаратах с кипением, вызванным непосредственным контактом раствора и теплоносителя, образующиеся пары необходимо отделять от теплоносителя. Использование газа в качестве такого теплоносителя приводит к образованию парогазовой смеси, разделять которую можно путем конденсации пара. При этом отсутствуют отложения, препятствующие теплообмену между раствором и теплоносителем.

По агрегатному состоянию теплоносителя, используемому в качестве греющего агента, аппараты можно подразделить на: использующие теплоноситель в газообразном (продукты сгорания, горячий воздух), парообразном (водяной пар), жидком (вода, масло, высокотемпературные теплоносители и др.), твердом состоянии или обогрев ведется с помощью электричества. Наиболее распространен обогрев водяным паром.

По типу циркуляции раствора в аппаратах различают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также без циркуляции раствора (прямоточные). Естественная циркуляция раствора может быть свободной (неорганизованной) или направленной (организованной). Естественная циркуляция осуществляется под действием силы тяжести за счет разности плотностей раствора в различных точках аппарата. Принудительная циркуляция обеспечивается с помощью насосов, мешалок, подачи пара (газа), вращением или вибрацией частей самого аппарата. Свободная (неорганизованная) циркуляция осуществляется в объеме аппарата, и движение раствора специальным образом не организуется. При направленной циркуляции движение раствора организуется за счет специальных устройств (циркуляционных труб). В аппаратах без циркуляции проводят выпаривание за один проход раствора. В аппаратах с циркуляцией раствор за время процесса множество раз циркулирует в объеме аппарата, что увеличивает скорость его движения и приводит к росту коэффициента теплоотдачи, а также уменьшению отложения накипи.

По типу поверхности нагрева – поверхностные (трубчатые, змеевиковые, аппараты с рубашкой и т.д.) и контактные (при непосредственном контакте с нагревающим агентом.)

По ориентации греющей камеры в пространстве – аппараты с вертикальной, горизонтальной, наклонной камерами.

Кроме того, выпарные аппараты могут подразделяться по многим другим признакам: по степени концентрирования раствора, по производительности, по степени заполнения сечения греющей камеры раствором и т.д. Конструкции выпарных аппаратов очень разнообразны. При выборе конструкции выпарного аппарата для конкретного производства необходимо учитывать множество факторов: расход упариваемой жидкости, начальную и конечную концентрации раствора, возможную кристаллизацию и отложения на стенках греющей камеры и т.д. Обилие конструкций выпарных аппаратов обусловлено наличием множества способов и условий проведения процесса, разнообразием свойств концентрируемых растворов, многообразием теплоносителей.

За основу классификации выпарных аппаратов обычно принимают тип циркуляции раствора [3].

 

 

Технологическая часть

Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата.

Исходный раствор с концентрацией растворенного вещества Х_н в количестве G_в подается в трубное пространство греющей камеры 1 выпарного аппарата.

Выгрузка упаренного раствора с концентрацией Х_к производится из нижней или верхней части трубного пространства. Греющий пар (D) подается в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется на наружной поверхности труб, а образующий конденсат стекает в нижнюю часть межтрубного пространства, откуда выходит из выпарного аппарата через конденсатоотводчик 8.

Вторичный (W), т.е. удаленный из кипящего раствора, пар выходит из верхней части сепаратора 2 и поступает в барометрический конденсатор 5, куда так же подается вода (G_в). При непосредственном контакте вторичного пара и более холодной воды происходит конденсация вторичного пара с выделением теплоты фазового перехода; образующаяся при этом смесь G_в+W представляет собой горячую воду, которая по барометрической трубе 7 под действием силы тяжести выводится из выпарной установки.

Из верхней части барометрического конденсатора 5 вакуум – насосом 6 непрерывно или периодически откачивается сравнительно небольшое количество воздуха G_вх. Во-первых, это воздух, который был растворен в исходном растворе G_н и холодной воде G_в и теперь выделяется в массу вторичного пара при нагревании раствора и воды. Во-вторых, это воздух, попадающий в выпарную установку в результате негерметичности уплотнений, если установка работает под разряжением. Схема выпарной установки представлена на рисунке 1

 

 

Рисунок 1 – Схема выпарной установки.

1- корпус греющей камеры; 2 – сепаратор; 3 – кипятильные трубы; 4 центральная циркуляционная труба; 5- барометрический конденсатор; 6- вакуум насос; 7- барометрическая труба; 8- сборник конденсата; 9- брызгоулавливатель.

 

Технологические расчеты

Материальный баланс процесса выпаривания

Основные уравнения материального баланса:

                                            (3.1)

                                  (3.2)

где ,  – массовые расходы начального и конечного раствора соответственно, кг/с;

,  – массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе соответственно, %;

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с.

Из формулы 3.2 получаем:

Выразив W из формулы (3.1), получаем:

Все результаты сводятся в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Материальный баланс выпаривания

12Следующая ⇒

Поделиться: