Однокорпусное выпаривание

Выпаривание.

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении раствора.

Движущей силой процессов выпаривания является разность давлений.

Цели:

1. Повышение концентрации раствора.

2. Получение насыщенного раствора с последующей кристаллизацией с получением твердых веществ.

3. Получение чистого растворителя(например: получении пресной воды).

 

Процесс выпаривания - это тепловой процесс, в котором необходимо передать тепло от греющего агента к кипящему раствору, это возможно при наличии между ними разности температур.

Разница между температурой греющего агента и температурой кипения раствора называется полезной разностью температур().

Знание полезной разности температур позволяет рассчитать площадь кипятильной установки().

В качестве водяного агента как правило используют водяной пар при повышенных давлениях, также используются ВОТ, электрообогрев, топочные газы.

Выпаривание может быть осуществлено:

1. При атмосферном давлении(открытые аппараты). Поскольку пар, образующийся в процессе выпаривания низкопотенциален и он нигде не используется он выбрасывается.

2. При повышенном давлении(). В этом случае образуется вторичный пар, который может быть использован для последующего нагрева(экстапар). Недостаток заключается в том, что при повышении давления резко возрастает температура кипения раствора.

3. Под вакуумом(). Уменьшение давления приводит к снижению температура кипения раствора повышается полезная разность температур, а это позволяет снизить поверхность теплопередачи. Такой метод позволяет выпаривать термически нестойкие соли. Недостатком является удорожание установки.

Процесс выпаривания может осуществляться либо в периодическом либо в непрерывном режиме. В периодическом режиме используется один выпарной аппарат, такая установка называется однокорпусной(греющий агент используется только один раз). Для обеспечения высокой производительности используют многокорпусные выпарные установки(ряд аппаратов) – непрерывно действующие(греющий агент только в первый корпус,а греющим агентом для второго и последующих является вторичный пар).

Пар растворителя образующийся в ходе выпаривания называется вторичным.

Однокорпусное выпаривание.

Материальный баланс однокорпусной выпарной установки.

Выпаренный раствор обратным ходом поднимается вверх в виде парожидкостной смеси, плотность которой меньше плотности раствора. В сепараторе происходит разделение на пар и концентрированный раствор. Упаренный раствор по циркуляционной трубе стекает вниз аппарата и отводится из аппарата снизу.

- общий материальный баланс процесса по раствору.

При расчете процесса выпаривания считается, что растворенное вещество не выпаривается с паром, таким образом его количество остается неизменным.

- массовая доля растворенного вещества в растворе.

- материальный баланс по растворенному веществу.

Теловой баланс однокорпусной выпарной установки.

 

D - количество греющего пара;

I – энтальпия греющего пара;

iкон – энтальпия конденсата;

W – количество воды в виде пара;

Iвп - энтальпия вторичного пара.

 

 

Предполагая, что исходный раствор подается в аппарат при температуре кипения, составляем тепловой баланс упаренного раствора.

Общий тепловой баланс:

 

- приходная часть баланса;

- выход;

- потери + теплота дегидратации.

Выделим количество тепла, которое отдает греющий пар.

 

- теплота необходимая для нагрева исходного раствора до температуры кипения;

- теплота необходимая для испарения воды из раствора при температуре кипения.

- теплота парообразования.

1. Раствор подается в выпарной аппарат рпи температуре кипения, для эффективности выпаривания, отсюда следует .

2. Отсутствуют потери и теплота дегидратации.

3. .

- теплота испарения воды из кипящего раствора;

- теплота кондесации греющего водяного пара.

Если речь идет выпаривании водных растворов с учетом наших допущений получается, что:

Теоретически без учета потерь: , на практике: .

Если мы вернемся к общему уравнению теплопередачи чтобы рассчитать площадь теплопередачи, то получим:

; ;

При кипении раствора а не чистой воды

;

- температурные депрессии.

 

Температурные депрессии.

Они складываются из:

· концентрационной температурной депрессии();

· гидростатической температурной депрессии();

· гидравлической температурной депрессии();

 

Концентрационной температурной депрессии – это повышение температуры кипения по сравнению с температурой кипения чистого растворителя.

Определение концентрационной температурной депрессии заключается в следующем, которая зависит от физикохимических свойств вещества, растворителя, концентрации раствора и внешнего давления определяется следующим образом.

1. Опытным путем находят, температурную депрессию

При атмосферном давлении, а затем пересчитывают ее на реальные условия. При опытном определении депрессий используют правила:

· Правило Бабо: отношение упругости пара над растворителем к упругости пара чистого растворителя при той же температуре есть величина постоянная, не зависящая при данной концентрации раствора от давления.

Последовательность определения.

Зная, температуру кипения раствора при некотором давлении по справочным данным находят давление насыщенного пара растворителя при этом же давлении и рассчитываем концентрацию раствора. Зная, концентрацию при заданном давлении определяют давление насыщенных паров, по этому давлению по справочным данным определяют температуру кипения. Это и есть температура кипения раствора.

· Правило Дюринга: частные от деления разности температур кипения раствора, при 2 разных произвольно взятых давлениях на разность температур кипения какой-либо другой стандартной жидкости при тех же условиях есть величина постоянная.

 

К=

 

Гидростатическая температурная депрессия

- характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением давления гидростатического столба жидкости. Она проявляется лишь в аппаратах с кипением раствора в кипятильных трубах нагревательной камеры.

Разность давлений в т. 1 и 2 обуславливается наличием столба жидкости в кипятильных трубах, т.е давление в т.2 будет равно:

этом случае за температуру кипения раствора принимают температуру кипения в средней части кипятильных труб.

Кипящий раствор по опытным данным имеет порозность (паронаполнение) ε= 0.5. Поэтому за плотность паро-жидкостной смеси принимают плотность жидкости, деленная на 2

 

 

 

Гидродинамическая температурная депрессия

- появляется, при наличии на паровой линии каких-то гидравлических сопротивлений. Особенно важное значение имеет для многокорпусных выпарных установок. Она вызывается потерей давлений вторичных паров при переходе из одного аппарата в другой, на преодоление местных сопротивлений и сопротивление трению. В инженерных расчетах это сопротивление не рассчитывают, а считают, что снижение давления за счет этого приводит к падению температуры на 1- С.

Многокорпусное выпаривание.

Многокорпусное выпаривание используют для осуществления процесса в больших масштабах в непрерывном режиме работы.

 

Многокорпусное выпаривание проводят в нескольких последовательно соединенных аппаратов, причем греющий пар подают только в первый корпус, обогрев остальных осуществляется вторичным паром.

В аппаратах давление поддерживают таким образом, чтобы вторичный пар предыдущего корпуса можно было использовать в качестве греющего в каждом корпусе.

Многокорпусные установки могут работать:

1. Под давлением. Во всех корпусах давление выше атмосферного, но по цепочке аппаратов снижается.

2. Под вакуумом.

3. Последний аппарат работает под атмосферным давлением. А все предыдущие под давлением

Преимущества многокорпусного выпаривания: такая организация выпаривания приводит к значительной экономии греющего пара.

 

Таблица 1 – Зависимость расхода греющего пара от числа корпусов.

Число корпусов.
Расход греющего пара.		0,52	0,4	0,3	0,27

 

В зависимости от взаимного направления движения раствора и греющего пара из корпуса в корпус различают прямоточные и противоточные выпарные установки.

В зависимости от способа подачи исходного раствора различают установки с параллельной и смешанной подачей.

П рямоточная установка. Раствор и греющий пар идут в одном направлении.

Преимущества прямотока:

1. раствор из корпуса в корпус идет самотеком.

2. температура кипения раствора и давление вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем. Поэтому раствор из предыдущего корпуса в последующий поставляется перегретым, т.е мгновенно вскипает. Такое явление называется самоиспарением.

Недостатки прямотока:

1. От корпуса к корпусу падает коэффициент теплопередачи.

2. По мере выпаривания раствор становится более вязким, параметры пара ухудшаются. Появляется опасность кристаллизации в последующих корпусах.

 

Противоточная система.

 

Преимущество такой схемы заключается в выравнивании коэффициентов теплопередачи по корпусам.

Недостатком является затрата на работу насоса.

 

Схема со смешенным питанием.

С параллельным питанием.

Материальный и тепловой балансы многокорпусной тепловой установки.

 

Уравнения материального и теплового балансов многокорпусной установки представляет собой системы уравнений записанных для каждого корпуса в отдельности.

Уравнения материального баланса позволяют определить общее количество испаренной воды и концентрацию раствора по корпусам.

 

W_общ=

G_H=G₁+W₁

 

a₁= =

a₂= = =

a_n= ; W_общ.=

 

Тепловой баланс.

 

Е – экстрапар из корпуса.

i- энтальпия вторичного пара.

t_кип - температура кипения раствора.

 

Записываем уравнения для первого корпуса.

- количество тепла, отданное паром в первом корпусе.

- количество тепла затраченное на нагрев исходного раствора до температуры кипения.

- количество тепла пошедшее на испарение С_в1

Движущей силой выпаривания многокорпусной установки является полезная разность температур Δt_пол

Т_гп1 – температура греющего пара первого корпуса.

t_кипn – температура кипения раствора в nкрпусе.

 

Для многокорпусной установки характерно наличие всех трех температурных депрессий.

- сумма всех депрессий по всем корпусам.

 

Способы распределения полезной разности температур по корпусам.

 

Существуют 2 основных способа распределения:

1. Основан на принципе равенства поверхностей теплопередачи в каждом корпусе.

В установке возможно применение аппаратов с одинаковыми характеристиками. Это обеспечивает взаимозаменяемость аппаратов и удешевляет их эксплуатацию.

Q₁/К₁ – тепловая нагрузка и коэффициент теплопередачи в первом корпусе.

Δt_п – общая полезная разность температур.

2. основан на принципе нахождения минимальной суммарной поверхности теплопередачи всех корпусов.

Используется, если выпарные аппараты необходимо изготовлять из дорогостоящих металлов (наличие коррозионных сред).

 

 

Выбор числа корпусов.

С увеличением числа корпусов уменьшается расход греющего пара. С увеличением числа корпусов выше 5 резко повышаются температурные потери и снижается Δt_пол, поэтому на практике число корпусов определяется 3-5.

 

Порядок расчета многокорпусных установок.

 

Суть расчета заключается в выборе оптимального числа корпусов, расчета геометрических размеров аппарата и расчет поверхности теплопередачи каждого корпуса, а также технологических параметров.

В основе расчетов лежит система уравнений материального и тепловых балансов для всей установки в целом и для каждого корпуса в отдельности, а также уравнений для расчета коэффициента теплопередачи и поверхности теплопередачи.

1. По уравнению материального баланса определяют общее количество испаренной воды во всех корпусах и выбирают способ распределения ее по корпусам.

2. Задают общий перепад давления по установке и распределяют его между корпусами.

3. По полученным величинам давления определяют температуру кипения раствора и температуру кипения греющего и вторичного пара.

4. По рассчитанным температурам определяют полезную разность температур по всей установке и в отдельных корпусах

5. По уравнению теплового баланса рассчитывают тепловые нагрузки каждого аппарата и всех остальных.

6. Рассчитывают поверхность теплопередачи в каждом корпусе.

 

Выпаривание с тепловым насосом.

 

 

 

За счет сужения в трубе вентури идет подсасывание водяного пара и повышение его параметров.

 

 

Могокорпусным выпарным установкам присущ ряд недостатков.

1. высокая стоимость оборудования.

2. Большая занимаемая площадь.

3. необходимость создания высокой температуры кипения в первом корпусе.

Суть теплового насоса заключается в том, что используя один корпус тем или иным способом повышают параметры вторичного пара. Это можно осуществить с помощью турбокомпрессора или парового инжектора. В первом случае используется электрическая энергия. Во втором в качестве носителя энергии используется свежий пар.

 

Конструкции выпарных аппаратов.

Выпарные аппараты классифицируют по принципу организации циркуляции кипящего раствора в аппарате.

1 тип: выпарные аппараты со свободной циркуляцией.

К таким аппаратам относятся аппараты с паровой рубашкой.

 

Аппарат работает в периодическом режиме. Вторичный пар не имеет тепловых характеристик и выкидывается.

 

2 тип: выпарные аппараты с естественной циркуляцией.

Движущей силой является разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильнике и упариваемого раствора в циркуляционной среде.

Аппарат с центральной циркуляционной средой.

 

1. греющая камера.

2. сепаратор.

3. центральная циркуляционная труба.

В таких аппаратах кратность циркуляции не велика.

Скорость движения парожидкостной смеси по трубам составляет 0,3-,8 м/с, что приводит к низким коэффициентам теплопередачи.

В таком аппарате необходимо жестко закреплять трубы, что может привести к температурным деформациям.

 

 

Выпарные аппараты с вынесенной циркуляционной трубой.

 

Исходный раствор подается в трубное пространство, где за счет греющего пара вскипает и за счет того, что парожидкостная смесь имеет тенденцию подниматься, идет по трубам. Попадая в сепаратор парожидкостная смесь разделяется. Жидкость идет вниз по внешней циркуляционной трубе.

По сравнению с предыдущим аппаратом повышается кратность циркуляции, что приводит к увеличению скорости в трубном пространстве и увеличивает коэффициент теплопередачи.

Увеличение скорости в трубном пространстве препятствует отложению солей.

 

Аппарат с вынесенной греющей камерой.

Легкая ремонтоспособность

 

3 тип: выпарные аппараты с принудительной циркуляцией.

В аппарате с принудительной циркуляцией используется насос. Насос встраивается в осевую трубу.

В этих аппаратах обеспечивается скорость движения парожидкостной смеси 2-3м/с.

4 тип: пленочные выпарные аппараты.

В них циркуляция отсутствует. Раствор выпаривается до конечной концентрации за один проход.

Исходный раствор подается снизу и заполняется 0,25 часть трубы. Далее начинают подавать греющий пар и исходный раствор начинает кипеть. Пузырьки вторичного пара поднимают парожидкостную смесь по трубам в виде пленки. По мере продвижения пленки вверх раствор еще больше концентрируется.

 

5 тип: барбатажные выпарные аппараты.

 

 

Используются при выпаривании агрессивных растворов.

Преимущество: отсутствие теплопередающей поверхности роль которой исполняют пузырьки побулькивающие ч/з слой жидкости.

 

Барбатажный аппарат с погруженной горелкой.

1.форсунка

2. погруженная горелка.

3. корпус аппарата.

В горелку подается топливо. Топливо в форсунке распыливается и смешивается с воздухом. Горелка поджигается, и образуются дымовые газы, которые проходят через слой выпариваемой жидкости и барбатируют.

Недостаток: необходимость очистки отходящих дымовых газов.