Многокорпусная выпарная установка

В однокорпусных установках для выпаривания 1кг воды требуется более 1кг греющего пара. Это экономически не выгодно.

Схема прямоточной выпарной установки

1 – 3 корпуса установки; 4 – подогреватель исходного раствора; 5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – вакуум насос (ловушка для воздуха и неконденсирующихся газов)

Установка может быть прямоточная и противоточная.

Выбор числа корпусов.

1– стоимость пара; 2 – амортизационные расходы; 3–суммарная стоимость выпаривания 1кг воды.

Выпарные аппараты

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

В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие.

Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения.

Выпарной аппарат с выносной нагревательной камерой. Здесь скорость циркуляции может достигнуть 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать кристаллизующиеся растворы. Не опасаясь быстрого загрязнения поверхности теплообмена.

Аппарат выносными циркуляционными трубами.

Выпарной аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой.

Выпарные аппараты с тепловым насосом. Применяется для чувствительных к высоким температурам растворов, где выпаривание в многокорпусной установки невозможно. С помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (1,8 – 2 м/с).

Схема выпарной установки работающей под разрежением

1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – пароувлажнитель; I – V – выпарные аппараты.

Схема выпарной установки с концентратором

Схема с перепуском пара

Установка состоит из нескольких корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом корпусе.

Вследствие этой разности давлений раствор (упаренный) самотеком перетекает во второй корпус (здесь происходит его охлаждение до температуры кипения во втором корпусе). За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительное количество вторичного пара. Такое явление происходит во всех корпусах (кроме первого) и носит название самоиспарения раствора.

Для передачи тепла необходимо полезная разность температур, т.е.

t_пол. = t_гп – t_кип. и Р₁ > Р₂ > Р₃ (создается путем избыточного давления в первом корпусе или вакууме в последнем корпусе).

Использование пара из паровых турбин. Создается экономичность установки за счет использование пара низкого потенциала.

Установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением (в этом случае отпадает необходимость в постоянно действующем конденсаторе, но происходит увеличение толщины стенок корпуса).

Многокорпусная противоточная установка

Достоинства: коэффициент теплопередачи уменьшается от первого корпуса к последнему; во второй схеме коэффициент теплопередачи значительно меньше изменяется, чем в первой схеме вторая схема выпаривания наиболее эффективна К₁: К₂ : К₃ = 1 : 0,58 : 0,34.

Материальный баланс

(1)

где G_Н и b_Н – расход и концентрация исходного раствора;

b_n – концентрация упаренного раствора из последнего корпуса.

Тогда

Тепловой баланс

1 – 3 – корпуса; 4 – барометрический конденсатор; 5 – ловушка; 6 – насос.

Тогда для 1 корпуса:

для 2 корпуса:

для 3 корпуса:

где – удельные теплоемкости парового конденсата при температурах конденсации ;

– удельные теплоемкости раствора по корпусам;

–удельные теплоемкости воды при температурах ;

– температура исходного раствора и температура кипения раствора по корпусам;

– теплоты концентрирования раствора по корпуса;

– потери тепла в окружающую среду (3 – 5%).

Данная система содержит четыре неизвестных: D₁,W₁,W₂,W₃ ее дополняют уравнением материального баланса по выпариваемой воде:

Обобщенное уравнение теплового баланса для n – корпусной установки:

Уравнение материального баланса по воде:

где m – число корпусов установки.

Общая полезная разность температур и ее распределение по корпусам. Общая разность температур Δt_общ многокорпусной прямоточной установки представляет собой разность между температурой Т₁ первичного пара и температурой вторичного пара , поступающего из последнего корпуса в конденсатор:

Общая разность температур не может быть полностью использована вследствие наличия температурных потерь. Поэтому Δt_пол < Δt_общ

В однокорпусной установке:

где Т – температура конденсации греющего пара;

t – температура кипения раствора.

Для многокорпусной установки общая полезная разность температур равна разности между температурой Т₁ свежего пара, греющего первый корпус, и температурой конденсации вторичного пара, выходящего из последнего

(n–го) корпуса, за вычетом суммы температурных потерь во всех корпусах установки, т.е.:

При условии равенства поверхностей нагрева полезная разность температур в корпусах равна:

(1)

т.к. и складывая полезные разности температур отдельных корпусов, находим общую полезную разность:

Подставляя полученное значение в выражении (1) получим:

Выбор числа корпусов

Число корпусов
Расход греющего пара, кг/кг выпариваемой воды	1,1	0,57	0,4	0,3	0,27

При переходе от 1 установки к 2 экономия греющего пара 50 %.

При переходе от 4 установки к 5 экономия уменьшается до 10 %.

С увеличением корпусов возрастает поверхность нагрева. Чем выше концентрация, тем больше температурные потери, тем меньше число корпусов.

Δt_ПОЛ. = 3⁰С для аппаратов с принудительной циркуляцией, Δt_ПОЛ. = 5 – 7⁰С для аппаратов с естественной циркуляцией.

Классификация

По типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики); по расположению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной и иногда с наклонной нагревательной камерой); по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители).

Различают аппараты: с неорганизованной или свободной (естественной) и принудительной циркуляций.

Их можно разделить на прямоточные (за один проход раствора) и многократной циркуляцией раствора.

А также в зависимости от организации процесса: периодически и непрерывно действующие.

1. Аппарат со свободной циркуляцией раствора (змеевиковые выпарные аппараты). Периодически действующие: аппараты с рубашкой.

В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтенсивная неупорядоченная циркуляция раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Здесь коэффициенты теплопередачи низки.

Эти аппараты используются только для выпаривания агрессивных и вязких жидкостей, выделяющих твердые осадки. Здесь поверхность нагрева может быть защищена с помощью ингибирования.

С горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и с вертикальным цилиндрическим корпусом. Достоинства: небольшая высота слоя выпариваемого раствора, это значительно снижает температурные потери вследствие гидростатической депрессии; имеют большой объем парового пространства (их используют для выпаривания пенящихся растворов). Недостатки: громоздки и металлоемки; непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов, из-за трудности механической очистки наружной поверхности труб; невысокие коэффициенты теплоотдачи в горизонтальных трубах (из-за слоя конденсата).

2.Аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой. Длина труб о 2 до 4м, в межтрубное пространство подается нагревательный пар. Поверхность теплообмена в кипятильных трубках на единицу объема выпариваемого раствора больше, чем в циркуляционной трубе, т.к. поверхность трубы находится в линейной зависимости от диаметра, а объем жидкости пропорционален квадрату диаметра.

3. Аппарат с подвесной нагревательной камерой.

4.Аппарат с выносной циркуляционной трубой – центробежный брызгоуловитель.

5.Аппарат с выносной нагревательной камерой – увеличивается длина кипятильных труб 7 м. Скорость циркуляции 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена.

+++++++++++++ +++++++++++++++++++++++ +++++++++++

циркуляционная труба отсутствует, т.е. раствор выпаривается за один проход через аппарат, т.е. аппарат прямоточного типа. Для растворов, которые имеют склонность к кристаллизации, такие аппараты не используют.

Выпарной аппарат с выносной горизонтальной камерой. Используется для выпаривания концентрированных растворов и кристаллизующихся растворов (электролитических щелоков), в этом случае из конического днища удаляются кристаллы. Недостатки: образование застойных зон, которые ухудшают циркуляцию и снижают коэффициент теплопередачи, трудность очистки U – образных труб.

Аппарат с вынесенной зоной кипения. При скорости естественной циркуляции (0,25 – 1,5 м/с) не удается предотвратить отложение твердых осадков на поверхности теплообмена и аппарат необходимо периодически останавливать на очистку. Но этого можно избежать, если при выпаривании кристаллизующихся растворов увеличить скорость циркуляции раствора и вынести зону кипения за пределы нагревательной камерой.

1 – нагревательная камера; 2 – труба вскипания; 3 – сепаратор; 4 – необходимая циркуляционная труба; 5 – отбойник; 6 – брызгоуловитель.

Длина кипятильных труб (4 – 7 м), здесь раствор не закипает вследствие гидростатического давления, а закипает только в трубе вскипания вследствие уменьшения давления. Скорость циркуляции 1,8 – 2 м/с, коэффициент теплопередачи 3000 Вт/(м²·град).

Змеевиковый выпарной аппарат Выпарной аппарат с подвесной

1 – корпус; 2 – паровые змеевики; нагревательной камерой

3 – брызгоуловитель. 1 – нагревательная камера; 2 – корпус;

3 – паровая труба; 4 – брызгоуловитель;

5 – сливные трубы; 6 – перфорированная

труба для промывки.

Выпарной аппарат с горизонтальной

трубчатой нагревательной камерой

и вертикальным цилиндрическим корпусом

1 – корпус; 2 – нагревательная камера;

3 – сепаратор.

Выпарной аппарат с выносной

нагревательной камерой

1 – нагревательная камера; 2 – сепаратор;

3 – необогреваемая циркуляционная труба; 4 – брызгоуловитель.