Преподаватель: Сологуб Ирина Васильевна
ТЕМА: ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ
Введение Основной задачей курса является ознакомление студентов с различными типами, конструкциями и схемами включения в работу теплообменных аппаратов, выпарных, ректификационных, сушильных и холодильных установок, а также вспомогательного оборудования этих установок на промышленных предприятиях. Такие знания позволяют выбирать и проектировать рациональные типы и схемы теплоиспользующего оборудования.
ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ Выпаривание — термический процесс концентрирования растворов твердых веществ при кипении и частичном удалении жидкого раство рителя в виде пара. В технике процесс выпаривания (упаривания) по лучил ирокое ш распространение, так как многие вещества получают в виде слабых водных растворов, а в готовом для по требления, хранения или транспорта виде они должны быть полностью или частично обезвожены.
Свойства растворов Концентрацией или составом раствора в технике принято называть массовое количество растворенных твердых веществ в определенном массовом или объемном количестве раствора или растворителя Для большинства растворов в определенном количестве воды или другого растворителя нельзя растворить неограниченное количество твердого вещества. Раствор, содержащий при данных условиях пре дельное количество растворенного вещества, называется насыщенным
Присутствие кристаллов в растворе при выпаривании нежелатель но, ак как они осаждаются на стенках аппарата и т поверхностях на грева ипятильников и образуют слой накипи к или осадка, которые снижают теплопередачу и ухудшают работу выпарных аппаратов. Для снижения накипеобразования в аппаратах иногда применяют «затравку» в виде мела или гипса с целью ускоренного удаления солей с поверхности нагрева при периодических промывках аппарата водой. Переход вещества из жидкого состояния в парообразное происходит при любой температуре со свободной поверхности жидкости в виде про стого спарения и или кипения.
Если в жидкости, выделяющей пары, находится растворенное твер дое вещество, то при одной и той же температуре давление этих паров ниже давления паров химически чистой жидкости. Раствор кипит при бо лее высокой температуре, чем чистый растворитель При кипении раствора в выпарном аппарате тем пература выделяющегося пара всегда меньше температуры кипения раствора. Эту разность температур называют физико химической тем пературной епрессией или д просто температурной депрессией В выпарной технике принято называть пар, образующийся над ки пящим аствором, вторичным. р
В процессе выпаривания кроме температурной депрессии происхо дят зменения и других свойств растворов. и С повышением концентра ции увеличиваются плотность и вязкость, понижаются удельная тепло емкость, теплопроводность и интенсивность теплоотдачи, изменяется теплота растворения. При растворении твердых веществ в воде наблюдается охлаждение раствора, так как разрушается кристаллическая решетка, а на это тре буется затрата энергии. Теплота растворения зависит от природы ве щества и растворителя, а также от концентрации раствора.
Выпаривание растворов На современных крупных предприятиях выпарные процессы ведут преимущественно в многоступенчатых (многокорпусных) установках непрерывного действия с аппаратами поверхностного типа с использо ванием образующегося над раствором так называемого «вторичного пара» каждой ступени в последующих ступенях с более низким давле нием или с передачей части вторичного пара (экстрапара) другим тепловым потребителям.
Схемы выпарных установок а — прямоточная с конденсатором б - прямоточная с противодавлением в с ухудшенным вакуумом г — с нуль корпусом
д — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии свежим паром 1 — выпарной аппарат; 2 — конденсатор; 3 — солеотделитель; 5 - водосборник; 6 — вход первичного и выход вторичного пара; 7 — вход охлаждающей воды; 8 — вход и выход раствора; 9 — выход конденсата е — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии вторичным паром первой ступени ж — противоточная: 4 — насос
з —с параллельным током пара и раствора; и—с отбором экстрапаров посторонним потребителем; к — со смешанным током раствора; л — трехступенчатая с двумя корпусами в первой ступени
Технологические схемы выпарных установок Выпарные установки с аппаратами поверхностного типа Непрерывный процесс выпаривания растворов может производиться как в одноступенчатых, так и в двух , трех и. многоступенчатых выпарных установках с использованием вторичного пара каждой ступени в последующих ступенях с более низким давлением или с передачей части вторичного пара некоторых ступеней другим тепловым потребителям. По теплотехнологическим признакам промышленные выпарные установки непре рывного действия разделяют на несколько групп.
1) По числу ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые при этом в одной ступени могут быть один, два и более параллельно включенных аппаратов выпарной установки 2) По давлению вторичного пара в последней ступени: а) выпарные установки с достаточно глубоким вакуумом в последней ступени (до 90 %) и следующим за ней конденсатором для поддержания этого вакуума, соответ ствующеготемпературе охлаждающей воды. Такая схема встречается наиболее часто (рис. а); в ней обеспечивается наибольшая разность температур между первичным греющим теплоносителем и вторичным паром последней ступени, поступающим в кон денсатор.
б) выпарные установки с повышенным давлением в последней ступени (рис. б). Такая схема может быть более экономичной, если вторичный пар последней ступени может быть использован в других теплоиспользующих установках в) выпарные установки с ухудшенным вакуумом (рис. в). По такой схеме установка может работать или на конденсатор, или на потребителя низкопотенциаль ной теплоты со сбросом излишков пара в конденсатор с ухудшенным вакуумом.
3) По подводу первичной теплоты: а) выпарные установки с одним источником первичной теплоты; б) выпарные установки с двумя источниками теплоты. Например, пар с большим давлением обогревает предвключенную ступень установки, называемую в такой схеме нуль корпусом, а пар с меньшим давлением подается в следующую ступень, получив шую название первого корпуса (рис. г); в) выпарные установки с тепловыми насосами
4) По технологии обработки раствора: а) одностадийные выпарные установки, в которых раствор проходит при выпари вании последовательно все ступени и не отводится для других промежуточных опера ций обработки; б) двух и более стадийные выпарные установки, в которых раствор после одной из промежуточных ступеней может быть направлен для дополнительной обработки (для осветления, центрифугирования и т. п. ), а затем снова поступает из до выпаривание в следующую ступень (вторая стадия, рис. д)
5) По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора: а) прямоточные выпарные установки для растворов, обладающих высокой темпе ратурной депрессией ( ис. а—е, з); р б) противоточные выпарные установки для растворов с быстро растущей вязко стью при повышении их концентрации (рис, ж); в этих схемах между ступенями ставят насосы; в) выпарные установки с параллельным питанием корпусов раствором при склон ности его к кристаллизации (рис. ); з г) выпарные установки с отпуском части вторичных паров (экстрапаров) посто ронним потребителям (рис. ); и д) выпарные установки со смешанным питанием корпусов для растворов с повы шенной вязкость (рис. к).
Выпарные установки с тепловыми насосами Схемы выпарных установок с тепловым насосом: а — с паровым инжектором; б — с турбокомпрессором и турбоприводом; в — с турбокомпрессором и электроприводом
Выпаривание растворов прихо дится ногда и производить на базе низкотемпературного теплоносителя, т. е. при ма лых давлениях и температурах пара Для таких слу чаев рименяют одноступенчатое п выпаривание, экономические показатели которого не высоки.
Адиабатные выпарные установки Выпаривание воды из растворов минераль ных олей с часто ведут в установках адиабатного испарения. Концентрирование раство ра в этих установках происходит вследствие испарения предварительно перегретой жидкости, подаваемой в камеру мгновенного испарения, давление в которой ниже давления насыщения, соответствующего температуре поступающей в камеру жидкости Установки адиабатного испарения применяют для опреснения морской воды и дру гих лабо минерализованных с растворов.
Схемы адиабатных выпарных установок с рекуперативным (поверхностным) головным подогревателем: а одноступенчатая; б - многоступенчатая; 1 насосы, 2 конденсатор; 3 головной подогреватель 4 — камеры выпаривания; 5 —поддоны
Выпарные установки с контактными нагревателями Концентрацию раство ров ожно повышать в м установках, в которых жидкость не контактирует с поверх ностью нагрева. В таких установках теплота от греющего теплоносителя к раствору передается непосредственным соприкосновением — без поверхности теплообмена. Установки, в которых испарение осуществляется непосредственно в греющий теп лоноситель, а образующиеся пары уносятся с ним, получили название одноступенчатых контактных выпарных установок
Основным недостатком одноступенчатых контактных выпар ных установок является большой удельный расход теплоты на испарение воды — до 8000 к. Дж/кг. Схемы одноступенчатых контактных выпарных установок: а испарение в камере контактного теплообменника б испарение в адиабатном расширителе с конденсатором 1 насос; 2 адиабатных расширитель с конденсатором; 3 контактный испаритель; 4 камера выпаривания; 5 поддон
Более эффективными установками для выпаривания минерализованных вод являются многоступенчатые адиабатные выпарные установки с использованием в качестве теплоносителя горячего воздуха, продуктов сгорания и других газов и сме сей. Схема многоступенчатой контактной выпарной установки с доупариванием в топке: 1 - насос; 2 -конденсаторы; 3 - контактный подогреватель; 4 -камеры выпаривания; 5 -поддоны; 6 -топка
Выпарные установки с аппаратами погружного горения (АПГ)
Из расходного бака 1 раствор закачивается насосом 2 в мерник 3, из которого не прерывно поступает в выпарной аппарат 4 с погружной горелкой 13. Упаренный на сыщенный раствор, содержащий минеральные соли, из аппарата 4 самотеком посту пает кристаллизатор 5. После охлаждения в в нем образуются кристаллы соли, ко торые егко отделяются на л центрифуге 6 и транспортером 7 направляются на склад. Фильтрат откачивается насосом 8 в сборник 9 и направляется в производство для повторного использования. Парогазовая смесь из выпарного аппарата 4 отводится через каплеотделитель 10 в скруббер 11, где охлаждается проточной холодной водой.
В результате при охлаждении пары воды конденсируются и конденсат сливается в си стему водоочистки, а газ вентилятором 12 выбрасывается в атмосферу или улавли вающее устройство. Химические анализы выбрасываемых газов показали, что они по составу не отличаются от обычных дымовых газов, полученных при сжигании природ ного газа, и содержат вредные примеси в пределах санитарных норм
Выбор схемы выпарной установки Чтобы правильно спроектировать выпарную установку, необходима выбрать: схему подогрева раствора; схему подачи раствора в аппара ты; оптимальное число ступеней установки; рациональную систему ис пользования вторичных энергетических ресурсов. Схема подогрева раствора. Греющий пар для первой ступени вы парной установки должен иметь такую температуру, чтобы обеспечи валсянеобходимый перепад температур между теплоносителем и рас творомв первом корпусе и чтобы располагаемая разность температур во всей выпарной установке была достаточной для обеспечения полезного перепада температур в каждой ступени с уче том всех депрессий
Схема выпарной установки с использованием вторичных энергоресурсов: 1 выпарной аппарат; 2 подогреватель раствора; 3 конденсатоотводчик; 4 адиабатный расширитель; 5 насос
Схема подачи раствора в аппараты. Из за простоты и экономично сти наибольшее распространение получила прямоточная схема подачи раствора в аппараты многоступенчатой выпарной установки. Для вы паривания растворов с сильно возрастающей вязкостью целесообраз но применять схему с противоточной подачей раствора, когда наиболее вязкий раствор выпаривается при наиболее высокой температуре; при этом следует иметь в виду, что после каждого аппарата необходимо ставить насос для перекачивания раствора
Оптимальное число ступеней установки. Многоступенчатое выпари вание дает возможность получить значительную экономию теплоты. С учетом потерь теплоты расход греющего пара D, кг/с, в выпарной установке с п ступенями можно выразить формулой где W — общее количество выпаренной воды во всех ступенях установ ки, кг/с; ηп — коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружаю щую среду через изоляцию и другие наружные элементы установки, недоиспользование теплоты конденсата, а также увеличение скрытой теплоты испарения с понижением давления пара; для трех четырех ступенчатых установок ηn≈0, 85.
Рациональная схема использования вторич ных энергетических ресурсов. В каждом аппара те выпарной установки вырабатывается большое количество вторичного пара и образуется горя чий конденсат греющего пара. Вторичные пары целесообразно максимально использовать для выпаривания раствора в следующей ступени установки, а также, для предварительного подо грева лабого раствора или с отправлять избы точный вторичный пар сторонним потребителям. Пар из последней ступени выпарной установки наиболее выгодно отдавать стороннему потребителю (если таковой имеется). Для этих целей давление пара за последней ступенью иногда поддерживают выше атмосферного.
Основные элементы схемы выпарной установки Выпарная установка включает следующие основные элементы: вы парные аппараты с трубчатыми (внутренними) или рубашечными (на ружными)паровыми Обогревателями, с трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭН) или с погружными горелками для контактной передачи теплоты непосредственно от газов к раствору, сепараторы и брызгоотделители, конденсатоотводчики, подогреватели раствора, кон денсаторы, сборные баки и емкости, насосы, запорную и предохрани тельную арматуру, регулирующие и контрольно измерительные прибо ры.
Выпарные аппараты с поверхностью на грева представляют собой теплообменники испарители, как правило, с паровым обогревом По движению раствора в греющих трубах различают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также аппараты пле ночного типа, в которых раствор проходит по поверхности нагрева од нократно в виде тонкой пленки.
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией а — с центральной циркуляционной трубой; б — с совмещенной зоной нагрева и кипения; в —с вынесенной зоной кипения; г — с вынесенной греющей камерой; 1— вход слабого раствора; 2 выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 выход вторичного пара; 6—выход неконденсирующихся газов; 7 — греющая камера; 8 — паровое пространство; 9—брызгоотделитель; 10 — зона парообразования — стабилизатор, 11 сливная труба
Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией 1— вход слабого раствора; 2 —выход концентрированного раствора; 3—вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5—выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7 —паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — насос; 10 — сливная труба
Выпарной аппарат с поднимающейся пленкой 1 — Вход слабого раствора; 2— выход концентрированного раствора; З— вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7 —паровое пространство; 8 брызгоотделитель; 9 — сливная труба
Выпарной аппарат роторного типа со скребками 1— вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3—вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7 — паровое пространство; 8 —брызгоотделитель; 9 — ротор со скребками
Сепарация пара. Брызгоотделители Паровое пространство над кипящим раствором в выпарном аппарате определяет чистоту и су хость торичного в пара, выходящего из выпарного аппарата. Унос вме сте с паром жидкости, содержащей концентрируемый продукт, загрязняет конденсат этого пара и тем самым накладывает ограничения на его использование для питания котлов и для обогрева в теплообменных аппаратах. Унос уменьшает выход готового продукта и тем самым увеличивает его стоимость.
выпарного аппарата с погружной горелкой: 1 — корпус; 2 — крышка; 3 — горелка; 4— выход парогазовой смеси; 5 — брызгоотделитель; 6 — регулятор уровня; 7 — ввод раствора; 8 — взрывная мембрана; 9 — выпускной патрубок
Погружная горелка туннельного типа 1 — корпус камеры сгорания; 2 — огнеупорная футеровка; 3 — крышка; 4 — электроискровая свеча для зажигания горючей смеси; 5 — трубка свечи; 6 —пробка; 7 —камера смешения; 8 — перфо рированная трубка для воздуха; 9 — ввод газа
Унос, возрастающий с повышением производительности выпарного аппарата, характеризуется объемным напряжением парового простран ства R/, м 3/(кг 3>ч), т. е. количеством образующегося пара на 1 м 3 па рового пространства. Наибольшее его значение, при котором пар может быть достаточно сухим, называется предельным напряжением парового пространства. Свободное пространство выпарного аппарата не устраняет полно стьюуноса брызг. При работе же с повышенной производительностью или с пенообразующими растворами габариты сепарирующего прост ранства аппарата были бы чрезмерно большими. Вместо увеличения объема аппарата устанавливают специальные брызгоотделители, встро енные в корпус сепаратора или вынесенные за его пределы.
Подогреватели раствора Для предварительного нагревания раствора перед подачей в выпарные аппараты применяют рекупера тивные трубчатые и пластинчатые теплообменники с паровым или во дяным обогревом (теплотой конденсата). Раствор обычно поступает в трубы (внутренняя сторона труб легче поддается чистке), а греющий пар или конденсат — в межтрубное пространство.
Кристаллизационные установки Процессы кристаллизации солей в растворах Кристаллизация — процесс вы делениятвердой фазы в кристаллическом виде из растворов или расплавов Процесс кристаллизации происходит в две стадии: образование зародышей кри сталлов в пересыщенном растворе, рост кристаллов или наращивание граней образо вавшихся зародышей В зависимости от природы веществ из пересыщенных растворов можно получать безводные кристаллы или кристаллогидраты с различным числом молекул воды.
Регулируя температуру, при которой осуществляется процесс кристаллизации, мож но в некоторых случаях изменять крупность полученных кристаллов. В производственных условиях применяют два метода кристаллизации: выпаривание раствора (кристаллизацию с удалением паров растворителя) и охлаждение раствора. Первый метод применяют для веществ, у которых растворимость мало зависит от температуры либо повышается с понижением температуры, второй — для веществ, у ко торых растворимость падает с понижением температуры.
Кристаллизаторы В соответствии с методом кристаллизации аппараты можно разделить на кристаллизаторы типа выпарных аппа ратов и кристаллизаторы охладители, работающие под вакуумом или при охлаждении раствора с помощью хладоносителей, поступающих в змеевики. В зависимости от требуемой, производительности применяют кри сталлизаторы периодического или непрерывного действия. Кристаллизация расплавов применяется для получения продукта в виде чешуек, пластинок или гранул в производствах удобрений, краси телей, пластмасс, реактивов.
Кристаллизатор емкостного типа со змеевиком и лопастной мешалкой: 1— корпус; 2 — вал мешалки; 3 — змеевик
Вакуум кристаллизатор прерывного действия Состоит из испарителя 1, барометрической трубы 2, сборника 3 и центробежного насоса 4.
Скачать презентацию Преподаватель Сологуб Ирина Васильевна ТЕМА ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ
Раздел 4.pptx