Процесс выпаривания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Процесс выпаривания

План

1. Выпаривание. Методы проведения выпаривания

2. Однокорпусные и многокорпусные выпарные установки. Температурные потери в выпарной установке

3. Материальный и тепловой балансы однокорпусной выпарной установки

1. Выпаривание. Методы проведения выпаривания

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

Испарение при температурах ниже температуры кипения данного раствора происходит с его поверхности, в то время как при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего раствора, что значительно интенсифицирует процесс удаления растворителя из раствора.

Процесс выпаривания широко применяется:

1) для повышения концентрации разбавленных растворов,

2)выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации,

3)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. 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. Образующийся при выпаривании растворов пар, называют вторичным, или соковым.

Таким образом, выпаривание - типичный процесс переноса теплоты от более нагретого теплоносителя - греющего пара -к кипящему раствору.

Методы проведения выпаривания.

Выпаривание проводят

-при атмосферном давлении,

-под вакуумом,

- под давлением, большим атмосферного.

2. Однокорпусные и многокорпусные выпарные установки

Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключается в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.

В отличие от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис. 6-1): греющей камеры, или кипятильника, 2 (как правило, в виде пучка труб) и сепаратора 1, предназначенного для улавливания капель раствора из пара, образующегося при кипении раствора. Для более полного улавливания в сепараторе устанавливают различные по конструкции брызгоуловители.

Для снижения скорости отложения загрязнений (накипи) на стенках труб в выпарных аппаратах создают условия для интенсивной циркуляции раствора (при этом скорость движения раствора в трубах составляет 1-3 м/с). Естественно, циркуляцию раствора также следует учитывать при расчете выпарных аппаратов. Выпарной аппарат указанного типа работает по принципу направленной естественной циркуляции, которая вызывается различием плотностей кипящего раствора в циркуляционной трубе 3 и в кипятильных трубах греющей камеры 2.

Рис. 6-1. Схема однокорпусной выпарной установки: 1-сепаратор; 2-греющая камера; 3-циркуляционная труба; 4-барометрический конденсатор; 5-барометрическая труба; 6-вакуум-насос

Разность плотностей обусловливается различием удельного теплового потока, приходящегося на единицу объема раствора: в кипятильных трубах он выше, чем в циркуляционной трубе.

Поэтому интенсивность кипения, а следовательно, и парообразование в них тоже выше; образующаяся здесь парожидкостная смесь имеет меньшую плотность чем в циркуляционной трубе. Это приводит к направленной циркуляции кипящего раствора, который по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубам поднимается вверх. Парожидкостная смесь попадает затем в сепаратор в котором пар отделяется от раствора, и его выводят из аппарата. Упаренный раствор выходит из штуцера в днище аппарата. Таким образом, в аппаратах с естественной циркуляцией раствора создается организованный циркуляционный контур по схеме: кипятильные (подъемные) трубы > паровое пространство > циркуляционная (опускная) труба > подъемные трубы, и т.д.

В случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат (см. рис. 6.1), такую установку называют однокорпусной. Если же в установке имеются два или более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпусной. 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.

В зависимости от взаимного направления движения раствора и греющего пара из корпуса в корпус различают:

прямоточные выпарные установки

противоточные выпарные установки,

установки с параллельной подачей раствора в аппараты

установки со смешанной подачей раствора в аппараты.

Наибольшее распространение в промышленных условиях получили прямоточные выпарные установки.

Рис. 6-2. Многокорпусная прямоточная выпарная установка: 1-3-корпуса; 4-барометрический конденсатор; 5-вакуум-насос; 6-подогреватель исходного раствора

Температурные потери в выпарной установке

Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления первичного греющего и вторичного паров, а следовательно, определены и их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарного аппарата:

Общая разность температур связана с полезной разностью температур соотношением:

Величины называются температурными депрессиями (температурными потерями)

- концентрационная температурная депрессия, определяется как повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя при данном давлении.

- гидростатическая температурная депрессия, характеризуется повышением температуры кипения раствора с увеличением давления гидростатического столба жидкости.

3. Материальный и тепловой балансы однокорпусной выпарной установки

выпаривание установка температурный растворитель

Материальный баланс выпарного аппарата для непрерывного процесса записывают при допущении, что отсутствует унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими из кипящего раствора во вторичный пар. Для этих условий составляют материальный баланс по общему количеству продуктов, по нелетучему продукту, из которых определяют расходы упаренного раствора и выход растворителя (вторичного пара).

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса.

4. Конструкции выпарных аппаратов

Наибольшее распространение в химической и смежных отраслях промышленности получили высокопроизводительные выпарные аппараты непрерывного действия, особенно трубчатые выпарные аппараты различных типов. Нагревательные камеры таких аппаратов могут быть непосредственно соосно соединены с сепараторами в единое устройство. Возможно и устройство, состоящее из двух самостоятельных элементов: нагревательной камеры и сепаратора.

Выпарные аппараты классифицируются по различным признакам. Наиболее существенной является классификация по принципу организации циркуляции кипящего раствора в аппарате. Различают выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора, пленочные и барботажные (с погружными горелками) аппараты.

Хорошая циркуляция раствора в аппарате способствует интенсификации теплообмена, в первую очередь со стороны кипящей жидкости. Как известно, увеличение скорости движения жидкости приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя, снижению его термического сопротивления и повышению коэффициента теплоотдачи. Кроме того, циркуляция раствора предотвращает быстрое отложение на стенках кипятильных труб твердой фазы (накипи). Появляется возможность осуществлять выпаривание кристаллизующихся и высоковязких растворов.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Одна из конструкций таких аппаратов-с центральной циркуляционной трубой показана на рис. 14-1. Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. Скорость (кратность) циркуляции здесь невелика (скорость движения парожидкостной смеси составляет 0,3-0,8 м/с). Поэтому коэффициенты теплопередачи также относительно низкие. Несмотря на достаточную простоту, аппараты этого типа заменяются на другие-с более интенсивной циркуляцией.

На рис. 14-7 показан выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой 5. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, следовательно, раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. Разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильных трубах 2 и раствора в циркуляционной трубе больше, чем в аппаратах с центральной циркуляционной трубой, поэтому кратность циркуляции и коэффициенты теплопередачи несколько выше. Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах уменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться при концентрировании растворов.

Существенного снижения отложения солей можно достичь при использовании аппаратов с вынесенной зоной кипения (рис. 14-8). В таких аппаратах вследствие увеличенного гидростатического давления столба жидкости кипения в трубах нагревательной камеры I не происходит, упариваемый раствор только перегревается. При выходе перегретого раствора из этих труб в трубу вскипания 4 он попадает в зону пониженного гидростатического давления, где и происходит интенсивное его закипание. Таким образом предотвращается возможность отложения накипи па теплообменной поверхности труб и, следовательно, увеличиваются коэффициент теплопередачи и время эксплуатации аппарата между профилактическими ремонтами.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией. Более высокие кратности циркуляции, соответствующие скоростям движения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 14-9). Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов 5, 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 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 (см. рис. 14-9, а). 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 груба, соединяющая нагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с соосными греющей камерой и сепаратором (см. рис. 14-9,6) является меньшая производственная площадь, необходимая для его размещения.

К общим недостаткам выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует отнести повышенный расход энергии, связанный с необходимостью работы циркуляционного насоса.

Все рассмотренные выше конструкции аппаратов но структуре движения в них жидкости близки к моделям идеального перемешивания, поэтому при сравнительно большом объеме циркулирующего раствора последний находится при повышенных температурах достаточно длительное время (а отдельные частицы жидкости бесконечно долго). Это существенно затрудняет выпаривание нетермостойких растворов. Для таких растворов можно использовать пленочные выпарные аппараты.

Размещено на Allbest.ru