Анализ установки и работы выпарного аппарата

ВВЕДЕНИЕ

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

Выпаривание может проводится под вакуумом, избыточным давлением и под атмосферным давлением. При выпаривании под вакуумом существуют несколько преимуществ:

· Понижение температуры кипения раствора;

· Увеличивается движущая сила процесса;

· Возможно использования греющего пара более низкого давления;

Недостатки выпаривания под вакуумом:

· Вакуумная выпарная установка должна содержать дополнительное оборудование: барометрический конденсатор, вакуум-насос, вакуумсборники.

В этом курсовом проекте используется выпарная установка, работающая под вакуумом. Для создания вакуума в выпарной установке обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаются чаще всего при температуре охлаждающей среды (около 20°С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м² в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

ТИПЫ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ, ИХ ФУНКЦИИ, СВЯЗЬ СО СМЕННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ.

ГАБАРИТЫ И УСТАНОВКА ВЫПАРНОГО АППАРАТА

На АЭС выпарная установка (ВУ) предназначена для очистки воды от активных и неактивных примесей методом дистилляции и для удаления газов из полученного дистиллята.

ВУ имеет очень высокий коэффициент очистки, порядка 10⁴ …10⁵ по отношению к исходной воде. Она нашла широкое применение в системах спецводоочистки.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И УЗЛЫ ВЫПАРНОЙ

УСТАНОВКИ

Система греющего пара предназначена для подачи греющего пара на выпарной аппарат и доупариватель греющего пара в целях образования вторичного пара, а также на конденсатор-дегазатор для обеспечения дегазации.

Система конденсата греющего пара служит для отвода конденсата греющего пара после выпарного аппарата, доупаривателя и конденсатора-дегазатора.

Система технической воды подается на конденсатор-дегазатор и дефлегматор сдувок для охлаждения вторичного пара, а также для охлаждения подшипников насосов дегазированной воды.

Система реагентов предназначена для подачи растворов NaОН и HNO₃ в выпарной аппарат, NaOH в доупариватель, HNO₃ в конденсатор-дегазатор в целях проведения щелочной и кислотных промывок. Для обеспечения заданного водно-химического режима работы выпарного аппарата на вход в него предусмотрена дозировка реагентов.

Система сжатого воздуха служит для сдувки газов из конденсатора-дегазатора, а в выпарных установках систем СВО-3, СВО-7, также для транспортировки кубового остатка из монжюса в емкости хранения жидких радиоактивных отходов и вытеснения раствора пеногасителя в выпарной аппарат.

Система промывочной воды предназначена для промывки и заполнения чистым дистиллятом выпарного аппарата доупаритвателя, а также заполнения гидрозатвора выпарного аппарата.

Система газовых сдувок служит для удаления из оборудования газов, а при необходимости и очистки их.

Узел пеногашения имеется лишь в выпарных установках систем СВО-3 и СВО-7 и служит для подачи в выпарной аппарат раствора пеногасителя при образовании в нем пены.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Последовательность решения

1. Определить количество предаваемого от греющего пара к раствору .

2. Определить удельную теплоемкость твердого NaOH

3. Определить удельную теплоемкость водного раствора щелочи.

4. Подсчитать расход теплоты на нагревание раствора.

5. Подсчитать расход теплоты на дегидратацию щелочи.

6. Составить сводную таблицу расхода теплоты.

7. Определить расход греющего пара.

1. Из уравнения материального баланса процесса выпаривания

(4.1)

(4.2)

Здесь G_нач, G_кон – масовые расходы начального раствора в конечном растворе, кг/с;

Х_нач, Х_кон - массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W – массовый расход выпариваемой води, кг/с;

(4.3)

2. Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

(4.4)

Где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт; с_нач, с_кон – удельная теплоемкость начального и конечного раствора, Дж/(кг∙К); t_нач, t_кон – температура начального раствора на входе в аппарат и конечного на выходе из аппарата при верхней загрузке аппарата, С; i_вт – удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата, Дж/кг; Q_пот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт; Q_д – теплота дегидратации, Вт.

3. Расход теплоты на выпаривание

Из уравнения (4) получаем:

(4.5)

Где С_в - удельная теплоемкость воды при t_кон, Дж/(кг∙К);

По условиям задания раствор поступает в выпарной аппарат в перегретом состоянии (t_кон˃ t_нач), то имеет отрицательный знак, и расход теплоты в выпарном аппарате сокращается, так как часть воды испаряется за счет теплоты, выделяющейся при охлаждении поступающего раствора с начальной и конечной температурой соответственно.

В общем случаи в тепловом балансе выпарного аппарата должна учитываться еще затрата теплоты на дегидратацию растворенного вещества, но обычно эта величина по сравнению с другими статьями теплового баланса мала и ею можно пренебречь.

Расход греющего пара G_гп (кг/с) в выпарном аппарате определяют по уравнению:

(4.6)

Где i” – удельная энтальпия сухого насыщенного пара , Дж/кг, i’- удельная энтальпия конденсата при температуре конденсации, Дж/кг, х- паросодержание ( степень сухости) греющего пара; r_г – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.

При решении поставленной задачи будем пользоваться справочными данными которые занесены в таблицы приложения.

Так как по условия задания давление вторичного пара в аппарате атмосферное то начальная температура раствора должна ровняться ̴ 111̊ С.

1.Из формулы (4.3) находим массовый расход выпариваемой води :

[кг/ч ]

Для того чтобы найти расход кг/с разделим полученное значение на 3600

[кг/c]

2.Определяем теплоемкость твердого NaOH

Из таблицы(1) находим удельную теплоемкость щелочи относительно ее молекулярной массы.

[Дж/(кг∙К)]

Таблица 4.1

Элемент	Атомная теплоемкость элементов для химических соединений кДж/(кг∙атом∙К)
В твердом состоянии	В жидком состоянии
С	7,5	11,7
Н	9,6	18,0
F	20,95	29,3
P	22,6	31,0
B	11,3	19,7
Si	15,9	24,3
O	16,8	25,1
S	22,6	31,0
Остальные	26,0	33,5

[кДж/кг∙К]

Для концентрированных двухкомпонентных растворов (Х_кон˃0,2) расчет будем вести по формуле:

Где с₁ – удельная теплоемкость безводного растворенного вещества, Дж/(кг∙К);

[Дж/кг∙К]

Из уравнения (5) находим теплоту греющего пара:

[Вт]

4. Определяем расход теплоты на нагревания щелочи (NaOH) по формуле из уравнения (4.5) ;

[кВт]

5. Рассчитываем расход теплоты на дегидратацию щелочи

Определяем начальное и конечное количество моль NaOH взаимодействующее с n молямы воды

Таблица4. 2

n					13,5
Теплота образования NaOH кДж/моль	456,6	465,5	469,1	469,5	470,23

моль – начальное количество

моль – конечное количество

моль – начальное количество

моль – конечное количество

Определяем соотношение количества щелочи в начальном и конечном растворах соответственно.

моль

моль

Из таблицы 2 определяем теплоты образования NaOH в растворе с n молями воды.

Для начального количества теплота образования будет соответствовать 470,23 кДж/моль для конечного количества 467,3 кДж/моль соответственно.

Теплоту дегидратации определим по разности требуемой начальной и конечной теплоты образования:

(8)

кДж/моль

Определим общее количество теплоты которое идет на дегидратацию щелочи по формуле:

(9)

[Вт]

5.По полученным результатам составим сводную таблицу расхода теплоты.

Таблица 4.3

Теплоты	Расход теплоты [Вт]
Qпотерь
Qдегидратации
Qнагрева
Qг.п.
Общее количество

7. Определяем расход греющего пара по формуле (4.6)

Для расчета расхода греющего пара пользуемся справочными данными таблица 9

При температуре греющего пара равной 150 ̊С удельная энтальпия пара ровна i”=2753 кДж/кг, удельная энтальпия конденсации при конденсате ровна i’=632 кДж/кг

[кг/с]

ВЫВОДЫ

В данном курсовом проекте был рассмотрен процесс выпаривания. Проведен анализ установки и работы выпарного аппарата. Кроме того рассмотрены типы выпарных установок, принцип их действия и конструктивные особенности . Так же был рассмотрен выпарные аппараты применяемые на АЭС, которые используются для очистки воды от активных и неактивных примесей методом дистилляции и для удаления газов из полученного дистиллята.

По исходным данным задания произведен расчет расхода греющего насыщенного водяного пара в одиночном выпарном аппарате при непрерывном концентрировании NaOH, Результаты которых занесены в сводную таблицу.

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1976. - 552 с.

2. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов. Изд. 2-е. Л.: Химия, 1976. - 328 с.

3. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975. - 816 с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973. - 750 с.

5. Чернышев А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номограмм для химико-технологических расчетов. Л.: Химия, 1974, - 200 с.

6. Чернобыльский И.И. Выпарные установки. Киев: Изд. Киевского ун-та, 1960. - 262 с.

7. Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. М.: Госэнерго-издат, 1955. - 392 с.

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

Відомiсть проекту

№ строки

Форми

Позначення

Найменування

Кількість листів

№ прим.

Примітка

Вим.

Лист

№ документу

Підпис

Дата

Розробив

Літ.

Лист

Листів

Перевірив

Н. контр.

Затв.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..

1.АНАЛИЗ УСТАНОВКИ И РАБОТЫ ВЫПАРНОГО АППАРАТА……...

1.1.Области применения выпарных аппаратов………………………………

2.ТИПЫ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ, ИХ ФУНКЦИИ, СВЯЗЬ СО СМЕННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ………………………………………………..

2.1. Однокорпусные выпарные установки……………………………………….

2.2. Много корпусные выпарные установки…………………………………..

2.3. Основные схемы многокорпусных установок. ……………………………

2.4. Устройство выпарных аппаратов…………………………………………..

2.4.1. Аппараты со свободной циркуляцией раствора. ………………………

2.4.2. Вертикальные аппараты с направленной естественной ………………

циркуляцией. ……………………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

Выпаривание может проводится под вакуумом, избыточным давлением и под атмосферным давлением. При выпаривании под вакуумом существуют несколько преимуществ:

· Понижение температуры кипения раствора;

· Увеличивается движущая сила процесса;

· Возможно использования греющего пара более низкого давления;

Недостатки выпаривания под вакуумом:

· Вакуумная выпарная установка должна содержать дополнительное оборудование: барометрический конденсатор, вакуум-насос, вакуумсборники.

В этом курсовом проекте используется выпарная установка, работающая под вакуумом. Для создания вакуума в выпарной установке обычно применяют конденсаторы смешения с барометрической трубой. В качестве охлаждающего агента используют воду, которая подаются чаще всего при температуре охлаждающей среды (около 20°С). Смесь охлаждающей воды и конденсата выливается из конденсатора по барометрической трубе. Для поддержания постоянства вакуума в системе из конденсатора с помощью вакуум-насоса откачивают неконденсирующиеся газы.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м² в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

АНАЛИЗ УСТАНОВКИ И РАБОТЫ ВЫПАРНОГО АППАРАТА

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов), по её расположению в пространстве (аппараты с горизонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией.

Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.

В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.

Ниже подробно рассмотрены лишь наиболее распространённые, главным образом типовые конструкции аппаратов.

Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией

В аппаратах данного типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.

Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократно организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта. Как будет показано ниже, развитие конструкции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможно путём увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси в подъёмной части контура. Это достигается посредствам:

· увеличения высоты кипятильных (подъёмных) труб и повышения интенсивности парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора;

· улучшения естественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающаяся в ней жидкость имела возможно большую плотность;

· поддержания в опускной трубе определённого уровня жидкости, необходимого для уравновешения столба паро-жидкостной смеси в подъёмных трубах при заданной скорости её движения.

Аппараты с выносной нагревательной камерой

При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счёт увеличения разности плотностей жидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой , имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагревательная камера легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две нагревательные камеры.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу раствора производят в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

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.,

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.