Л_24_ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ
.docЛекция №24
Энергосбережение в выпарных установках.
Выпаривание представляет собой термический процесс кипения раствора с выделением паров растворителей в практически чистом виде (если не считаться с уносом жидкости); при этом растворимое нелетучее! вещество (твердое тело, например соль, или вязкая жидкость, например вазелин) остается в концентрированном виде в аппарате. Получаемые при выпаривании пары удаляются в атмосферу или в конденсирующее устройство.
Превращаться в пар растворитель может при кипении жидкости или при поверхностном испарении ее. В выпарных аппаратах применяется более интенсивный из этих способов превращения растворителя в пар, а именно кипение. Впервые выпаривание получило промышленное применение в производстве сахара, а в дальнейшем — в химической промышленности. При концентрировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса.
В технологических процессах в различных отраслях промышленности выпаривают преимущественно водные растворы различных нелетучих веществ, поэтому весь последующий материал будет изложен применительно к водным растворам.
В элементарном виде процесс выпаривания можно осуществить в простом открытом или закрытом сосуде, наполненном раствором, при подводе к нему тепла для кипения и отводе образующихся паров в атмосферу или в конденсирующее устройство.
Выпарные аппараты по принципу работы и конструктивному оформлению имеют много общего с испарителями, применяющимися на электрических станциях. Однако процесс выпарки водных растворов в выпарных аппаратах имеет принципиальные отличия от процесса кипения чистой воды в испарителях.
Предположим, что имеются два открытых сосуда, обогреваемых паром через паровые рубашки. В первом сосуде находится чистая вода, а во втором — 70%-ный водный раствор аммиачной селитры NН4NOз. Пусть давление греющего пара составляет 0,4 МПа. Вода закипит при температуре около 100°С; раствор при том же атмосферном давлении закипит только при температуре 120°С. Однако образующиеся из этого раствора водяные пары будут иметь температуру ту же, что и в случае кипения чистой воды, т. е. около 100° С1.
Понижение температуры образующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-химической температурной депрессией. Обозначив ее через 1, можем написать:
1 = tр—,
Где tр — температура кипения раствора, °С;
— температура образующихся паров воды, °С.
Физико-химическая температурная депрессия различна для разных растворов. Она больше у растворов веществ с малым молекулярным весом. Для раствора одного и того же вещества физико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением его концентрации.
Под концентрацией раствора понимают отношение веса сухого вещества в растворе к общему весу раствора в процентах1
b = Gcyx/(W+ Gcyx)
где b — массовая концентрация раствора, %; W — количество растворителя или воды в растворе, кг; Gcyx — масса растворенного или сухого вещества в растворе, кг.
При выпарке вес сухого вещества в растворе остается постоянным, а количество растворителя (воды) уменьшается; следовательно, при этом концентрация раствора увеличивается.
Физико-химическая температурная депрессия для различных растворов может быть определена по справочникам. Справочные данные обычно относятся к условиям кипения жидкости при атмосферном давлении. На практике выпаривание часто ведут и под вакуумом, и под давлением. В таких случаях расчетная физико-химическая температурная депрессия может быть вычислена по следующей приближенной формуле И. А. Тищенко:
1 = 0,003872'1T2/r; (1)
где 1 — искомая физико-химическая температурная депрессия при давлении выпаривания;
11 - депрессия, взятая из таблиц, при давлении 760 мм рт. ст.;
Т—абсолютная температура кипения раствора, °К;
r — скрытая теплота парообразования для воды при давлении выпаривания, кДж/кг.
Табл.1 Величины к в формуле (1)
T, °С |
к |
t, °С |
К |
t, °С |
к |
T, 0С |
к |
t, °С |
к |
t,°С |
к |
|
35 |
0,637 |
55 |
0,7364 |
75 |
0,8643 |
95 |
0,9677 |
ПО |
1,0674 |
125 |
1,1757 |
|
40 |
0,661 |
60 |
0,7628 |
80 |
0,8755 |
100 |
1,00 |
115 |
1,1025 |
130 |
1,2135 |
|
45 |
0,685 |
65 |
0,7899 |
85 |
0,9057 |
105 |
1,0333 |
120 |
1,1384 |
135 |
1,2525 |
|
50 |
0,7106 |
70 |
0,8177 |
90 |
0,9362 |
|
Если в формуле (4-1) величину 0,003872 Т2/r заменить величиной к, то она примет вид:
1 =1 '*k (1a).
Величина к — функция T и r, следовательно, зависит от давления и температуры кипения чистой воды. В табл. 1 даны значения к в зависимости от температуры кипения чистой воды.
Значения депрессии 11 для не которых наиболее часто встречающихся растворов в зависимости от их концентраций даны на рис. 1.
Наличие физико-химической температурной депрессии понижает полезную разность температур между первичным и вторичным паром в выпарном аппарате. Например, для рассмотренного случая кипения в открытом сосуде полезная разность температур для чистой воды
t = tн— =142—100 = 42° С,
где tн= 142° С — температура конденсирующегося пара;
= 100°С — температура кипящей воды, равная температуре вторичного пара.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 9 0 100.
Концентрация раствора, %
Рис. 1. Изменение физико-химической температурной депрессии в зависимости от концентрации, меняющейся в процессе кипения раствора при атмосферном давлении.
Для кипящего раствора аммиачной селитры
t = tн—tp =142 -120 =220C
Если в условиях рассматриваемого примера приняты одинаковые коэффициенты теплопередачи при кипении чистой воды и раствора, то для одинаковой теплопроизводительности Q кВт выпарной аппарат должен иметь почти вдвое большую поверхность, чем испаритель или паропреобразователь. Действительное увеличение поверхности нагрева выпарного аппарата будет еще больше, так как при выпаривании растворов по сравнению с кипением чистой воды не только уменьшается полезная разность температур, но и в значительной степени снижается коэффициент теплопередачи.
Процесс выпарки характерен не только наличием физико-химической температурной депрессии, но и значительным изменением физических констант раствора, связанных с изменением его концентрации. С повышением концентрации раствора увеличиваются его вязкость, плотность и температурная депрессия и понижаются теплоемкость и теплопроводность.
Вследствие увеличения вязкости растворов и понижения их теплопроводности и теплоемкости уменьшается и коэффициент теплообмена ар между греющей стенкой и кипящим раствором. По опытным данным, например, в начале выпаривания клеевого раствора с начальной концентрацией 2% коэффициент теплопередачи к =3,49 кВт1(м2-град), а в конце выпаривания при концентрации 50% к = 0,29 кВт1(м2-град).
Теплоемкости некоторых веществ даны в табл. 2.
Таблица 2
Удельные теплоемкости безводных солей ссух, кДж/(кг-град)
Вещество |
cсух |
Вещество |
ссух |
СаС12 КС1 NН4С1 NaCl KNO3 |
0,6873 0,6765 1,5195 0,8372 0,9251
|
NH4NO3 NаNОз (NН4)2SO4 Сахар Глицерин
|
1,373 1,088 1,419 1,29309 2,4111 |
Теплопередача в выпарных аппаратах рассчитывается по формулам, изучаемым по ТМО. Значения физических констант берутся из таблиц при соответствующих температуре и концентрации раствора.
Классификация выпарных аппаратов и установок
По принципу работы выпарные установки разделяются на периодически и непрерывно действующие. В периодически действующих установках жидкость подается в аппарат, выпаривается до необходимой более высокой концентрации, затем упаренный раствор удаляется из аппарата. Опорожненный аппарат вновь наполняется неконцентрированным раствором. Периодическое выпаривание применяется при небольшой производительности установки или когда сгущенная жидкость не поддается откачке насосом либо в тех случаях, когда требуется выпарить весь растворитель.
В аппаратах непрерывного действия неконцентрированный (слабый) раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный (крепкий) раствор непрерывно отводится из него.
По сравнению с аппаратами периодически действующими, аппараты непрерывного действия более экономичны в тепловом отношении, так как в них отсутствуют потери, связанные с расходом тепла на периодический разогрев аппарата.
В большинстве случаев аппараты непрерывного действия компонуются в так называемые многокорпусные выпарные установки, в которых упариваемый раствор последовательно проходит через ряд отдельных аппаратов. В каждом последующем аппарате устанавливается большая концентрация раствора, чем в предыдущем.
По давлению внутри аппарата различают выпарные аппараты, работающие при избыточном и атмосферном давлениях и вакууме.
Вакуум в выпарных аппаратах применяется в следующих случаях:
а) когда раствор под влиянием высокой температуры разлагается, изменяет цвет, запах (например, сахар, молоко);
б) когда раствор при атмосферном давлении имеет высокую температуру кипения, т. е. обладает большой физико-химической температурной депрессией, и требует высоких параметров греющего пара (например, раствор аммиачной селитры, едкого кали и т. п.);
в) когда греющий теплоноситель имеет низкую температуру и, следовательно, нужно снижать температуру кипения раствора;
г) для увеличения располагаемого температурного перепада в многокорпусной установке.
В тех случаях, когда получаемый в результате выпаривания раствора вторичный пар может быть использован как теплоноситель в других теплообменных устройствах и поэтому нет надобности удорожать выпарную установку подключением вакуум-насоса и конденсатора, может оказаться более рациональным выпаривание под давлением.
В качестве греющего теплоносителя наибольшее применение в выпарных установках получил водяной пар.
Обогрев дистиллированной водой, высокотемпературными тепло-
носителями: горячим маслом, дифе-нильной смесью и др. применяется только в аппаратах периодического действия небольшой производительности и требующих высокой температуры обогрева. Система обогрева таких аппаратов состоит обычно из двух соединенных трубопроводами змеевиков, заполненных одним из указанных теплоносителей; один звеевик обогревается в печи, а второй является греющей поверхностью выпарного аппарата. Греющий теплоноситель может иметь в змеевиках естественную или принудительную циркуляцию при помощи насоса. В случае принудительной циркуляции греющий теплоноситель полностью заполняет систему и находится в ней под давлением, исключающим вскипание его, что необходимо для нормальной работы циркуляционных насосов. При естественной циркуляции с возможностью парообразования система может быть заполнена теплоносителем частично.
Обогрев топочными газами можно встретить в примитивных выпарных установках периодического действия или при концентрировании растворов в распыленном состоянии, т. е. практически при сушке растворов '[Л. 19].
Электрообогрев методами электрического сопротивления или индукционных токов применяется в основном только в лабораторных выпарных аппаратах. По литературным данным одна из наиболее крупных электровыпарных установок потребляет 1 250 кет- ч электроэнергии (1075 000 ккал/ч), в то время как первый корпус мощной выпарной установки с паровым обогревом, например, для сахарного завода, расходует до 3 млн. ккал/ч.
Конструкции наиболее распространенных выпарных аппаратов
с паровым обогревом
Наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева, которые хорошо компону-
ются и занимают меньшую площадь.
На рис. 4-4—4-9 показаны основные наиболее распространенные типы конструкций выпарных аппаратов. Во всех этих конструкциях для облегчения очистки поверхности нагрева от накипеобразований пар поступает в межтрубное пространство, а раствор подогревается и кипит в трубках.
На рис. 4-4 представлен выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой. Естественная циркуляция раствора в аппарате происходит благодаря тому, что на единицу объема жидкости в кипятильных трубках приходится значительно большая поверхность нагрева, чем в циркуляционной трубе (поверхность нагрева трубок пропорциональна их диаметру, а объем жидкости в трубках пропорционален квадрату их диаметра). Поэтому удельный вес раствора, находящегося в циркуляционной трубе, больше, чем в тонких трубках, в которых образование пузырьков пара протекает интенсивнее. Благодаря устройству циркуляционной трубы усиливается естественная циркуляция, увеличивается коэффициент теплообмена и уменьшается осаждение накипи и твердых частичек на внутренних поверхностях кипятильных трубок. Иногда вместо одной центральной циркуляционной трубы делают несколько труб меньшего диаметра.
Пар из раствора выделяется в паровое пространство, проходит через ловушку, в которой происходит сепарация его от влаги, и поступает в паропровод вторичного пара.
Производительность аппаратов с циркуляционной трубой по опытным данным, например, для выпаривания сульфатных щелоков составляет 8—10 кг пара в 1 ч с 1 м2 поверхности нагрева. Аппараты с циркуляционной трубой изготовляют из черных и цветных металлов с поверхностью нагрева до 350 м2 (нестандартные аппараты изготовляются с поверхностью нагрева до 1 000 м2 и более). Кипятильные трубки имеют высоту от 0,76 до 4 м и диаметр от 25 до 57 мм. Диаметр циркуляционной трубы принимается не менее 194 мм.
-
Рис. 2. Вертикальный выпарной аппарат типа В'В с центральной циркуляционной трубой.
/ — греюшая камера с трубками; 2 —'центральная циркуляционная труба; 3 — паровое пространство; 4 — сепаратор; 5 — отражательный зонт,
Конструкция аппарата, показанная на рис. 4-4, не имеет фланцевых соединений, если она применяется для выпаривания щелоков, разъедающих прокладки. Для выпаривания некорродирующих растворов могут применяться конструкции с фланцевыми соединениями, более удобные для чистки.
Большое распространение получили пленочные выпарные аппараты. На рис. 4-5 показан выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (при кипении раствора в трубках). Кипятильные трубки заполняются раствором только на 1/4—1/5 их высоты. При достижении температуры кипения в растворе бурно образуются пузырьки пара, которые, двигаясь вверх, увлекают за собой раствор, распределяя его тонким слоем по внутренней поверхности трубки. Испарение жидкости происходит при этом в тонком слое, движущемся с большой скоростью (до 20 м/сек), что
Упаренный
раствор
Греющий
пар
/ — корпус; 3 — сепаратор; 4 — камера для раствора; о—отражательный зонт; 6 — смотровое стекло; 7 — газоотводная трубка; 9 — опорные лапы; 10 — продувка шлама.
увеличивает коэффициент теплообмена по сравнению с аппаратом, имеющим циркуляционную трубку. Парожидкост-ная эмульсия из трубок поступает в центробежный сепаратор, где происходит отделение жидкости от пара. Вторичный пар поступает в трубопровод, а концентрированный раствор отбирается через патрубок для производственных целей или отводится в следующий корпус.
В описываемом аппарате циркуляция раствора отсутствует, т. е. каждая частица раствора однократно омывает греющую поверхность. В связи с этим эффективность действия таких аппаратов зависит от
уровня раствора: при заполнении аппарата на полную высоту трубок коэффициент теплообмена получается наименьшим вследствие незначительного паросодержания и малой скорости движения жидкой эмульсии внутри трубок; при снижении уровня раствора в трубках ниже допустимого минимума получается недостаточное количество парожидкостной эмульсии и она вся превращается в пар, не достигнув, верхних концов трубок. В этом случае производительность аппарата падает почти до нуля, но не за счет уменьшения коэффициента теплообмена, как в первом случае, а за счет выключения из работы верхней зоны трубок, т. е. уменьшения активной поверхности нагрева. Таким образом, существует оптимальная высота уровня раствора в кипятильных трубках, устанавливаемая опытным путем. Этой высоте соответствуют и достаточно высокий коэффициент теплообмена, и нужное количество парожидкостной эмульсии, при котором верхние концы трубок не будут оставаться сухими и в эмульсии будет количество концентрированной жидкости, достаточное для питания последующих аппаратов или отбора раствора как готового продукта.
Для получения максимального эффекта от процесса кипения раствора в пленке греющие трубки в аппаратах этой системы имеют длину 6—9 м. Большой длиной трубок достигаются увеличение скорости движения парожидкостной эмульсии и уменьшение средней толщины пленки раствора. Увеличение скорости пара, образующегося при кипении пленки, происходит вследствие роста его удельного объема с понижением температуры кипения раствора в направлении к верхнему концу трубок за счет уменьшения гидростатического давления. В результате этих явлений повышается коэффициент теплообмена между стенкой и пленкой.