Выпаривание Некоторые основные свойства растворов Однокорпусные выпарные установки страница 3

Выпаривание. Некоторые основные свойства растворов. Однокорпусные выпарные установки, страница 3

Отделение пара от брызг раствора происходит в сепараторе выпарного аппарата 2. Очищенный вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора, а выпаренный раствор удаляется через штуцер в нижней части аппарата. Для поддержания постоянного уровня раствора в аппарат постоянно подают исходный раствор.

24.4. Однокорпусные выпарные установки

Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат, в который поступает греющий пар и исходный раствор; в результате выпаривания получается концентрированный раствор и вторичный пар. В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.

24.4.1. Выпарные аппараты непрерывного действия

Выпарным аппаратам напрерывного действия всегда отдается предпочтение, особенно для больших производительностей. В аппаратах этого типа наблюдается установившийся во времени процесс; греющий пар и исходный раствор поступают непрерывно; при этом удаляется постоянное количество концентрированного раствора, непрерывно отводится конденсат греющего пара и вторичный пар.

Материальный баланс

Материальный баланс выпарного аппарата может быть представлен следующими уравнениями:

где – расход исходного и упаренного раствора, кг/с; – концентрация исходно и упаренного раствора, масс. доли; – расход выпаренной воды.

При выпаривании водных растворов с выделением кристаллизующихся веществ:

где – начальная и конечная концентрация выделяемой соли соответственно масс. доли.

Количество выделившейся соли определяют по уравнению

При выпаривании насыщенных бинарных солевых растворов с выделением твердой фазы уравнения материального баланса имеют вид:

где – концентрация соли при температуре насыщения, масс. доли; – соотношение количеств твердой фазы и жидкой в выводимой суспензии.

Тепловой баланс

Тепловой баланс выпарного аппарата составляем на основании схемы его устройства (рис. 24.1):

Источник



2.3. Расчет выпарных аппаратов

Расчет однокорпусной выпарной установки производится в такой после­довательности.

Количество выпариваемой из раствора воды определяется из уравнения материального баланса

где G1 — количество исходного раствора, кг/с;

x1 и x2 — начальная и конечная концентрации раствора, массовые доли.

Расход тепла на выпаривание Q находят из теплового баланса установки

где с1 и с2 – удельные теплоемкости поступающего и упаренного растворов, Дж/(кг·град);

t1 и t2 – температуры этих растворов, град;

I2 – энтальпия вторичного пара, Дж/кг;

св – теплоемкость воды, Дж/(кг·град);

Qдег. – теплота дегидратации, то есть расход тепла на повышение концентрации раствора, Вт. Обычно она невелика и часто в расчетах не учитывается;

Qпот. – теплота, теряемая аппаратом в о кружащую среду, Вт.

Она равна (5–8) % от тепла, пошедшего на выпаривание влаги.

Расход греющего пара

где I1 – энтальпия греющего пара, Дж/кг;

Iк– энтальпия конденсата, Дж/кг.

Поверхность теплопередачи в выпарном аппарате

где K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 ·град);

Δtпол.– средняя полезная разность температур, град.

где Δtобщ. – разность между температурами конденсации греющего и вторичного пара, град;

ΣΔtпот. – сумма температурных потерь, град.

Общая разность температур равна Δtобщ. = tг.п.tв.п.

где tг.п. — температура конденсации греющего пара, град;

tв.п. — температура конденсации вторичного пара, соответствую­щая давлению в барометрическом конденсаторе, град.

Сумма температурных потерь складывается из трех величин

где Δ’ – температурная депрессия, равная разности между температу­рами кипения раствора и чистого растворителя при одинаковом дав­лении; температурная депрессия зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления. Значения Δ’, полученные опытным путем, приводятся в справоч­ной литературе. Они могут быть также рассчитаны по эмпирическим формулам,

Δ» – гидростатическая депрессия, то есть повышение температуры ки­пения раствора внизу кипятильных труб вследствие гидростатического давления столба жидкости. Значение Δ» не может быть точно рас­считано, поскольку неизвестно распределение плотности парожидкост­ной эмульсии по высоте кипятильных труб. Для вертикальных аппаратов с циркуляцией выпариваемого раствора величина Δ» может быть принята в пределах 1–3°С;

Δ»’ – гидравлическая депрессия, равная снижению температуры насыще­ния вторичного пара вследствие потерь давления при движении его через сепарационное пространство и паропроводы. Повышение темпера­туры кипения раствора, обусловленное гидравлической депрессией, обычно колеблется в пределах 0,5–1,5°С.

Коэффициент теплопередачи К рассчитывается по приведенной выше методике.

Расчет многокорпусной выпарной установки существенно усложняется ввиду необходимости решения ряда дополнительных вопросов:

1) определения количества растворителя, выпариваемого в каждом корпусе;

2) определения расхода греющего пара по корпусам с учетом отбора экстра-пара;

3) распределения полезной разности температур по корпусам.

Расчет установки заключается в решении системы уравнений материаль­ного и теплового балансов, а также уравнений теплопередачи. Так как число неизвестных величин больше числа уравнений, то расчет ведется методом последовательных приближений.

Читайте также:  Установим систему очистки и пожаротушения мусоропровода с гарантией 5 лет

При этом задаются значениями каких-либо величин (чаще всего распре­делением количества выпариваемого растворителя по корпусам), и после выполнения расчетов проверяют эти величины. Если расхождения превыша­ют 3–5 %, задаются новыми значениями величин для последующего прибли­жения. Обычно пересчитывать приходится не более двух — трех раз.

Порядок расчета многокорпусной выпарной установки следующий.

Вначале определяется общее количество выпариваемого растворителя из общего уравнения материального баланса

Затем это количество распределяется по корпусам. При отсутствии отбора экстра-пара выпариваемый растворитель распределяют или поровну, или на основании практических данных в отношении:

В случае отбора экстра-пара нужно из общего количества выпарива­емого растворителя вычесть количество отбираемого экстра-пара, рас­пределить остаток по корпусам в указанном ранее порядке, а затем к полученным величинам прибавить количества экстра-пара по корпусам.

Зная количества выпариваемого в каждом корпусе растворителя, мож­но определить количества и концентрации растворов, переходящих из аппарата в аппарат, на основе составления материальных балансов отдельных аппаратов. Затем необходимо произвести распределение давлений между корпусами. Чаще всего предварительно распределяют перепад дав­лений между греющим паром и вторичным паром в барометрическом конден­саторе поровну между аппаратами, т.е. на каждый корпус приходится величина падения давления

где Pг.п – давление греющего пара;

Pв.п – давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе;

n — число корпусов.

Это позволяет определить абсолютные давления пара в каждом аппара­те, а по ним температуры насыщенных паров, теплоты парообразования, энтальпию и т.д.

Суммарная полезная разность температур (для всех корпусов вместе) определяется, как и в случае однокорпусной выпарки, по разности между общей разностью температур и суммой температурных потерь во всех корпусах:

где tг.п.– температура конденсации вторичного пара в барометрическом конденсаторе;

tв.п. – температура греющего пара в первом аппарате.

Для каждого из аппаратов определяется температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, сумма которых вычитается из общей разности температур.

После нахождения ΣΔtпол. её нужно распределить между корпусами.

Здесь могут быть два варианта:

1) если необходимо, чтобы поверхности нагрева во всех корпусах были равны, суммарная полезная разность температур распределяется по следующему закону:

где – полезная разность температур в j-м корпусе;

–отношение тепловой нагрузки к коэффициенту теплопередачи в этом корпусе.

2) если необходимо общую поверхность нагрева корпусов свести к минимуму, то закон распределения суммарной полезной разности температур будет иной:

После распределения полезной разности температур уточняются температуры и давления по корпусам и если расхождение с принятыми ранее пре­вышают допустимые, то необходимо скорректировать распределение давлений по корпусам и повторять расчет.

Тепловую нагрузку по каждому корпусу определяют из уравнения

где Wi – количество выпариваемого растворителя в j-м корпусе, кг/с;

Iв.п — энтальпия вторичного пара в этом корпусе;

Gн и Gк – количество исходного и упаренного раствора в данном кор­пусе, кг/с;

tн и tк – температуры исходного и упаренного растворов, град.

Зная Qi для каждого корпуса, можно найти расход греющего пара для каждого из корпусов

где r – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.

Так как греющим паром для всех корпусов, кроме первого, является вторичный пар предыдущего корпуса, то Di для данного корпуса должно равняться Wi-1 для предыдущего. Расхождения не должны превышать 2–3 %. В противном случае нужно перераспределить нагрузку по корпусам, найти новые значения W и повторить рас­четы.

Коэффициенты теплопередачи в каждом корпусе определяются по из­вестной методике.

Источник

Расчет однокорпусного выпарного аппарата

Выпаривание – это процесс повышения концентрации растворов нелетучих веществ путем испарения части растворителя. В химической промышленности выпариванию подвергаются растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара.

Прикрепленные файлы: 1 файл

Выпарная 1 корпус расчет.DOC

Задание на проектирование

Спроектировать выпарной аппарат с естественной циркуляцией и сосной греющей камерой для упаривания 10 раствора KCl от 7 до 24% масс. Обогрев аппарата ведется насыщенным водяным паром 6 ати

1. Введение.
Выпаривание – это процесс повышения концентрации растворов нелетучих веществ путем испарения части растворителя. В химической промышленности выпариванию подвергаются растворы твердых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара. Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при температуре кипения. Движущей силой является разность температур горячего теплоносителя и температурой кипения раствора.

Читайте также:  ТТХ Гвоздики и зарубежных аналогов

Процесс может осуществляться под избыточным, атмосферным давлением и вакуумом. Если процесс осуществляется под избыточным давлением, то вторичный пар (пар, образующийся в результате кипения раствора) используется для обогрева других аппаратов или каких-либо технологических нужд. Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ, кроме того необходимо использовать греющие агенты с более высокой температурой. Если процесс ведется под атмосферным давлением, то вторичный пар сбрасывается в атмосферу как низкотемпературный продукт, но это наименее экономичный способ выпаривания. При выпаривании под вакуумом, вторичный пар идет в барометрический конденсатор. Также существуют у этого метода свои плюсы:

  • Понижение температуры кипения раствора;
  • Увеличивается движущая сила процесса;
  • Возможно использование греющего пара более низкого давления.

Недостатки выпаривания под вакуумом:

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

В качестве теплоносителя используется топочный газ, электрообогрев, высокотемпературные теплоносители, но чаще всего насыщенный водяной пар (называемый так же греющим или первичным), характеризующийся высокой удельной теплой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи. Первичным паром служит либо пар, полученный из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин. Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочным газом или другим газообразном теплоносителем.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу действия 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.

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 относится и аппарат роторного типа.

1. 2. Описание установки
Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой, вынесенной зоной кипения и солеотделением (тип I) состоит из греющей камеры /, сепаратора с трубой вскипания 2, циркуляционной трубы 3 и солеотделителя 4 (рис. 4.3.7). Греющая камера 1 представляет собой одноходовой кожухо- трубчатый теплообменник, сепаратор — цилиндрический сосуд с верхним эллиптическим и нижним коническим днищами. Внутри сепаратора установлен первичный каплеотбой- ник, а в верхней части закреплен брызгоотделитель.

Раствор, подлежащий упариванию, подается в аппарат через один из штуцеров III. При работе аппарата уровень раствора должен поддерживаться по верхней кромке трубы вскипания. Снижение уровня приводит к уменьшению производительности, а повышение — вызывает гидравлические удары и повышенный унос раствора вторичным паром.

Циркуляция раствора в аппарате осуществляется по замкнутому контуру сепаратор — циркуляционная труба — солеотделитель — греющая камера — сепаратор. Образовавшаяся при упаривании часть кристаллов осаждается в солеотделителе и выводится с упаренным раствором через нижний штуцер IV. Греющий пар I подается в межтрубное пространство греющей камеры. В аппаратах этого исполнения кипение раствора происходит в трубе вскипания, ввиду чего отложение кристаллов на внутренней поверхности греющих труб уменьшается, а работа аппарата улучшается.

1.3. Выбор конструкции выпарных аппаратов

Конструкции выпарных аппаратов должны соответствовать ряду общих требований, основными из которых являются:

Интенсивность теплопередачи (при возможно меньших объемах аппарата и расходе материала на его изготовление);

Надежность в эксплуатации;

Легкость очистки поверхности теплообмена

Удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей

Кроме того на выбор конструкции и материала выпарного аппарата существенное влияние оказывают физико-химические свойства выпариваемого раствора: вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.

Так же при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции нужно учитывать противоречивый факт того, что высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путем увеличения скорости циркуляции раствора, но это, в свою очередь приводит к возрастанию расхода энергии на выпаривание уменьшению полезной разности температур (так как при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора).
1.4. Области применения выпарных аппаратов

Читайте также:  Когда можно поставить зубной имплант после удаления зуба

Области преимущественного применения выпарных аппаратов различных типов:

Для выпаривания растворов небольшой вязкости, не превышающей , без кристаллов – чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективными являются аппараты с выносной нагревательной камерой и выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости , производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей пленкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных аппаратах проводят процесс выпаривания растворов чувствительных к повышению температуры.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко так же применяются для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

Для сильнопенящихся растворов рекомендуются прямоточные аппараты с поднимающейся пленкой.

2. Технологическая часть

2.1. Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов

Поверхность теплопередачи выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

2.2. Температуры кипения растворов

Общий перепад давлений в установке равен:

По давлениям паров находим их температуры и энтальпии:

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов из корпуса в корпус. Примем , тогда температуры вторичных паров в корпусе равны:

По температуре вторичного пара определили давление

=0,105 кгс/ =0,0103МПа

Ориентировочная оценка поверхности теплопередачи выпарного аппарата:

Примем q = 40000 Вт/

Примем высоту кипятильных труб H = 4 м

При пузырьковом (ядерном) режиме кипения паронаполнение составляет

ε = 0,5. Плотность раствора KCl 24% масс составляет ρ = 1150 кг/

Давление в среднем слое кипятильных труб корпуа (в Па) равны:

Температура кипения раствора в корпусе:

2.3. Полезная разность температур

2.4. Определение тепловых нагрузок

Тепловой баланс однокорпусной выпарной установки:

Поскольку мала, можем ей пренебречь

2.5. Выбор конструкционного материала

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора KCl в интервале изменения концентраций от 7 до 24 %. Выбираем сталь марки Х17. Скорость коррозии её не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности

2.6 Расчёт коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи определяют по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

Примем, что суммарное термическое сопротивление равно термическому сопротивлению стенки и накипи . Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара не учитываем.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке равен

Расчёт ведут методом последовательных приближений.

Для установившегося процесса перепад температур на стенке:

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору:

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, расчет коэффициентов на этом заканчивают.

Проверим поверхность теплопередачи, определённую ориентировочно:

Найденное значение мало отличается от ориентировочно определенной ранее поверхности .Поэтому нет необходимости вносить коррективы на изменение конструктивных размеров аппаратов.

2.7. Выбор выпарного аппарата по каталогу.

Произведём выбор аппарата по каталогу. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

Выберем выпарной аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой. Наиболее подходящим вариантом данного аппарата является аппарат с площадью теплопередачи 125 м2;

Источник

Основы теплового расчета однокорпусной выпарной установки

1. Изучить основы теплового расчета выпарных установок.

Вид занятия: лекция

Время проведения: 2 часа

Место проведения: ауд. ________

1. Выпарные и кристаллизационные установки: Учеб. пособие / Конахин А.М., Конахина И.А. и др. — Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006.- 194 с.

Плакаты, иллюстрирующие учебный материал.

Структура лекции и расчет времени:

№ п/п Структура занятия Время, мин.
1. 2. 3. Повторение пройденного материала на лекции №11 Учебные вопросы: 1. Основы теплового расчета однокорпусной выпарной установки. 2. Основы теплового расчета многокорпусной выпарной установки Заключение

Целью теплового расчета выпарных установок является определение расхода греющего пара и поверхностей теплообмена выпарных аппаратов при заданных концентрациях и расходах раствора.

При установившемся процессе в аппарат непрерывного действия (рис. 1) поступает количество Gн, кг/с, начального раствора с удельной теплоемкостью ск и температурой tк, равной его температуре кипения. Для обогрева аппарата подводиться D, кг/с, водяного пара с температурой насыщения tп и энтальпией hп, такое же количество конденсата отводится из нагревательной камеры аппарата. В результате повышения концентрации раствора от bн, кг/кг, до bк, кг/кг, образуется количество W, кг/с, вторичного пара с энтальпией h.

Источник