Выпарной аппарат

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1.5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередачи аппараты такого типа получили широкое распространение.

В некоторых конструкциях аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 3, у которого удалена циркуляционная труба.

В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т. е. Аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизирующихся растворов.

Аппараты с вынесенной зоной кипения.

При скоростях 0.25-1.5 м/с с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, описанных ранее, не удаётся предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппарата для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизирующихся растворов можно значительно уменьшить путём увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

В аппарате с вынесенной зоной кипения / Приложение 1, рис.4 /, выпариваемый раствор поступает снизу в нагревательную камеру 1 и, поднимаясь по трубам (длиной 4-7 м) вверх, вследствие гидростатического давления не закипает в них. По выходе из кипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубу вскипания 2, установленную над нагревательной камерой в нижней части сепаратора 3. Вследствие понижения давления в этой трубе раствор вскипает и, таким образом, парообразование происходит за пределами нагрева.

Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

Вследствие большой поверхности испарения, которая создаётся в объёме кипящего раствора и частичного самоиспарения капель, унесённых вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.

Ввиду значительного перепада температур (до 30 С) между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает 1.8-2 м/с.

Увеличение скорости приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 вт/(м2К).

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

Области применения выпарных аппаратов.

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т. к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~810-3 Пас, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми  циркуляционными трубами.

   Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка 0.1 Пас, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

2.     Технологическая часть.

Описание технологической схемы.

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водный раствор хлорида магния под вакуумом.

Исходный раствор MgCl2 из емкости Е1 подается центробежным насосом Н  в теплообменник АТ, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, затем поступает в греющую камеру выпарного аппарата АВ. В данном варианте схемы применен выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическим конденсатором КБ и вакуум-насосом НВ. В барометрическом конденсаторе КБ вода и пар движутся в противоположных направлениях (пар – снизу, вода – сверху). Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора самотеком по барометрической трубе с гидрозатвором. Конденсат греющих паров из выпарного аппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчиков КО.

Концентрированный раствор MgCl2 после выпарного аппарата подается в одноходовые холодильники Х1-2, где охлаждается до определённой температуры. Затем концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники Е2-3, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления раствора). Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора Е5.

3. Технологические расчеты.

3.1 Расчёт выпарного аппарата.

3.1.1.              Материальный баланс процесса выпаривания.

Основные уравнения материального баланса:

                                                                    (1)

                                                                               (2)

где - массовые расходы начального и концентрированного раствора, кг/с;

хнач, хкон – массовые доли растворенного вещества в начальном и концентрированном растворе;               

W – массовый расход выпаренной воды, кг/с:

кг/с

3.1.2. Определение температур и давлений в узловых точках технологической схемы.

3.1.2.1 Определение давления и температуры в выпарном аппарате Р1, t1

Абсолютное давление в сепараторе выпарного аппарата:

                                                                                                                                 (3)

где               Ратм – атмосферное давление, ат;

                    Рвак – вакуум в аппарате, ат.

ат

По давлению Р1 найдем температуру вторичного пара в сепараторе t1, С;

/ 3, Табл. LVII /

t1=89.3 С

3.1.2.2. Определение давления и температуры вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р0, t0

.                           

Зададимся значением гидравлической депрессии из промежутка 0.5-1.5 С:

tгидросопр.=1 С

Температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе t0, С:

t0= t1-tгидросопр.                                               (4)

t0= 89.3-1=88.3 С

Давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе Р0, ат, по температуре t0  / 2, табл. LVII /

Р0=0.674 ат

Найдём конечную температуру в сепараторе.

Переведём значение давления Р1 в Па:

Р1=0.65 ат=0.6749.81104=6.609104 Па

Воспользуемся формулой (Приложение 2 п.5)

=89.168 С

3.1.2.3.                          Определение давления в среднем слое выпариваемого раствора Рср.

Оптимальная высота уровня Нопт

Нопт=(0.26+0.0014­­­­(р-в))Нтр                                                           (6)

Где (р-в) – разность плотностей раствора и воды соответственно при температуре кипения, если температура кипения неизвестна то можно взять при t=20С /2, с.252/

Нтр – рабочая высота труб, м

Плотность раствора р, и воды в при температуре t=20 С, и концентрации Xкон (Приложение 2, п.1)

в=962.681 кг/м3

р=1013 кг/м3

Примем Нтр=6 м, тогда

Нопт=(0.26+0.0014­­­­(1.047104-997.34))6=1.974 м

                                                                                          (6)

Па

Температуру кипения на середине кипятильных труб при Рср

(Приложение 2. П.5) 

91.834 С

3.1.2.4              Определение давления греющего пара.

Зададимся полезной разностью температур tполезн.25 С

tполезн.=30 С

              Найдем температуру конденсации греющего пара tконд.гр.п, С:

tконд.гр.п.= tкип+ tполезн.                                                                       (7)

tконд.гр.п.=  91.834+30=124,168 С

              По температуре конденсации греющего пара найдём давление греющего пара Ргр.п, ат   / 2, табл. LVI /

Ргр.п=2,2256 ат

3.1.3              Тепловой баланс выпарного аппарата.

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

Q = Qнагр+ Qисп+ Qпот                                                                (8)

где              Q – расход теплоты на выпаривание, Вт;

Qнагр – расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

                            Qисп– расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

                            Qпот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;

3.1.3.1. Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду

              Расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду Qпот при расчёте выпарных аппаратов принимается 3-5% от суммы (Qнагр+ Qисп)

/ 2, с 247 /. Следовательно:

Q = 1.05(Qнагр+ Qисп)

              Температуру исходного раствора tнач, поступающего в выпарной аппарат из теплообменника примем на 2.5С меньше tкон:

tнач= tкон-2.5

tнач=89.168-2.5=86.668 С

3.1.3.2      Расход теплоты на нагрев:

Qнагр= Gначснач(tкон-tнач)                                                                       (10)

где    Gнач – производительность по разбавленному раствору

              снач – удельная теплоёмкость раствора при tнач и начальной концентрации Хнач , Дж/(кгК) (Приложение 2, п.3)

снач=4.141103 Дж/(кгК)

Qнагр= 4.54.141103 (89.168-86.668)=4.658104 Вт

3.1.3.3                      Расход теплоты на испарение:

              Qисп=W(i”вт.п - свtкон)                                                        (11)

где              iвт.п – удельная энтальпия вторичного пара на выходе из аппарата при температуре t1, из таблицы / 2, табл.LVI /, кДж/кг;

              св – удельная теплоёмкость воды при tкон, (Приложение 2, п.3) Дж/(кгК)

iвт.п =2656 кДж/кг,