Выпаривание

КНИТУ

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по ПАХТ

на тему: «Выпаривание».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань 2013

Способы выпаривания.

Выпариванием - процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора.

Тепло для выпаривания  можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании, в подавляющем большинстве случаев используют водяной пар, который называют греющим, или первичным.

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин. Пар, образовавшийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Процессы выпаривания  проводят:

• под вакуумом
• при повышенном
• при атмосферном давлении

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах. При разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что помогает уменьшить поверхность нагрева аппарата. Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя невысоких параметров.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания. Такое выпаривание сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, необходимы агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ является наиболее простым, но наименее экономичным.

 

Классификация и  конструкция выпарных аппаратов.

 

Строгой и общепринятой классификации  выпарных аппаратов нет, однако их можно  классифицировать по ряду признаков:

• по расположению поверхности нагрева — на горизонтальные, вертикальные и реже наклонные;
• по роду теплоносителя — с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями, с электрообогревом;
• по способу подвода теплоносителя — с подачей теплоносителя внутрь трубок или в межтрубное пространство;
• по кратности циркуляции — с однократной и многократной циркуляцией;
• по типу поверхности нагрева — с паровой рубашкой, змеевиковые и с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

Выпаривание под атмосферным  давлением, а иногда и выпаривание  под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов.

Однокорпусные выпарные установки могут работать под атмосферным давлением или под вакуумом. Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной камеры и сепаратора. Камера обогревается обычно насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры. Поднимаясь по трубам, выпариваемый раствор (сточные воды) нагревается и кипит с образованием вторичного пара, который вместе с каплями жидкости поднимается вверх в сепаратор. Освобожденный от капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

 

 

Однокорпусная выпарная установка

1. нагревательная (греющая) камера, 2- сепаратор, 3,4- трубы

 

Многокорпусные  выпарные установки. Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Устройство каждого корпуса такое же, как в однокорпусных установках. Исходные сточные воды, предварительно нагретые до температуры кипения, поступают в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Свежий пар служит для поддержания температуры кипения только в первом корпусе. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления сточные воды кипят при более низкой температуре, чем в первом.

                   Схема трехкорпусной прямоточной выпарной установка

 1 — подогреватель; 2 — выпарные аппараты; 3 — конденсатор; 4 — барометрическая труба

 

 

Слабый раствор подается в первый корпус, из него поступает  во второй, из второго в третий и  т. д. Таким образом, раствор и  вторичный пар движутся в одном  направлении. Раствор переходит  из одного корпуса в другой вследствие разности давлений в корпусах. Так  как температура кипения в  каждом последующем корпусе понижается, то раствор поступает во все корпуса (кроме первого) с температурой более  высокой, чем температура кипения. В результате раствор охлаждается  и за счет отдаваемого при этом тепла испаряется некоторое количество воды (самоиспарение). Однако при питании  первого корпуса холодным раствором  значительное количество греющего пара в этом корпусе затрачивается  на подогрев раствора. Поэтому при  прямоточном питании целесообразно  подавать в первый корпус предварительно подогретый раствор (путем установки  подогревателей, обогреваемых зкстра-паром  или конденсатом).

 

Недостаток схемы с  прямоточным питанием заключается  в том, что в последнем корпусе, где температура кипения самая  низкая, выпаривается наиболее концентрированный  раствор. Одновременное понижение  температуры и повышение концентрации раствора приводит к повышению вязкости и снижению коэффициентов теплопередачи; поэтому в данной схеме коэффициенты теплопередачи уменьшаются от первого  корпуса к последнему.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Противоточная многокорпусная выпарная установка

 

 

При схеме с противоточным питанием  слабый раствор подается в последний корпус, из него в предпоследний и т. д.; следовательно, раствор и вторичный пар движутся из корпуса в корпус в противоположных направлениях. Так как в этом случае раствор поступает из корпуса с меньшим давлением в корпус с более высоким давлением, то для передачи раствора между корпусами устанавливаются насосы.

 

При противоточном питании  наиболее высокая концентрация раствора достигается в первом корпусе, где  и температура кипения наибольшая. Поэтому значительного падения  коэффициента теплопередачи в корпусе  с наиболее концентрированным раствором  не происходит и коэффициенты теплопередачи  мало изменяются по корпусам. Это является наиболее существенным преимуществом  противоточного питания перед прямоточным. Кроме того, при противоточном  питании количество воды, выпариваемой в последнем корпусе, меньше, чем  при прямоточном питании, что  уменьшает нагрузку на конденсатор (при выпарке в вакууме). В отношении  расхода тепла противоточное  питание выгоднее прямоточного при  питании холодным раствором, но уступает ему при питании горячим раствором.

 

Основным недостатком  противоточной схемы является необходимость  в установке насосов между  корпусами, что связано с дополнительным расходом электроэнергии, усложняет  установку и затрудняет ее регулирование.

 

 

 

 

При схеме с параллельным питанием слабый раствор подается одновременно во все корпуса, а упаренный раствор  отбирается из всех корпусов.

 
          Эта схема применяется редко, главным образом при незначительном повышении концентрации раствора и при выпаривании кристаллизующихся растворов, так как передача их из корпуса в корпус в этом случае затруднительна вследствие возможного закупоривания перепускных трубопроводов и арматуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материальный  и тепловой балансы.

 

Количество упаренного раствора и количество выпаренного растворителя определяется из уравнения материального  баланса процесса, который без  учета потерь раствора можно выразить двумя уравнениями. Первое – по всему веществу:

Второе – по абсолютно  сухому веществу, находящемуся в растворе:

где Gн и Gк – начальный  и конечный расход раствора, кг/с;

W – количество растворителя, выпаренного из раствора, кг/с;

х_н и х_к – начальная и конечная концентрация раствора, % по массе.

Если заданы Gн, х_н и х_к, то

-по упаренному раствору

-по выпариваемой воде

 

Тепловой баланс процессов  выпаривания составляется после  определения материального баланса.

Уравнение теплового баланса  принимает вид:

 

G_нc_нt_н + Di_г = G_кc_кt_к + Wi_в + D_ct_кон + Q_к + Q_п

 

где D – расход греющего пара, кг/с;

i_г, i_в – энтальпия греющего и вторичного пара соответственно, Дж/кг;

t_кон, t_н, t_к – температура конденсата, исходного и упаренного растворов соответственно, °С;

с, с_н, с_к – удельная теплоемкость конденсата, исходного и упаренного растворов соответственно, Дж/(кг·К);

Qк – теплота концентрирования  раствора, Вт;

Qп – потери тепла  в окружающую среду, Вт.

 

 

Рассматривая исходный раствор  как смесь упаренного раствора и  испаренного растворителя, частное  уравнение теплового баланса  смешения при постоянной температуре  кипения t_к раствора (температура упаренного раствора равна t_к) в аппарате можно записать как

G_нc_нt_н = G_кc_к · t_к + W_сt_к

 

 

 

Температурные потери.

 

Температурные потери при  выпаривании вызываются следующими причинами:

1) уменьшением упругости  паров растворителя над раствором  по сравнению с упругостью  паров чистого растворителя (воды);

2) повышением температуры  кипения растворов вследствие гидростатического давления столба жидкости в аппарате;

3) понижением температуры  вторичного пара вследствие гидравлического сопротивления в паропроводах между корпусами.

В выпарном аппарате возникают  температурные потери, снижающие разность температур между греющим паром и выпариваемым раствором. Они складываются из температурной депрессии ∆^', гидростатической депрессии ∆'' и гидравлической депрессии ∆'''.

Температурная депрессия равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении. Значение ∆^' зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления.

Повышение температуры кипения  раствора, связанное с гидростатическим эффектом, называется гидростатической депрессией. Ее значение не может быть точно рассчитано ввиду того, что жидкость в трубах находится в движении.

Гидравлическая депрессия обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями), которые должен преодолеть вторичный пар при его движении главным образом через сепарационные устройства и паропроводы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторму снижению его температуры насыщения.

Температура кипения раствора с учетом температурных потерь, обусловленных  температурной ∆^' и гидростатической ∆'' депрессиями, составляет

T_к = T'+∆' +∆'',

где T'- температура вторичного пара.

 

Способы распределения  полезной разности температур по корпусам.

 

Полезная разность температур в выпарном аппарате ∆t_пол представляет собой разность температуры конденсации T °C греющего пара и температуры кипения t_к выпариваемого раствора:

∆t_пол=T- t_к

В аппаратах с циркуляцией  раствора, обеспечивающих его достаточно полное перемешивание, ∆t_пол является величиной постоянной.

В выпарных аппаратах с  циркуляцией концентрация всего  обращающегося в аппарате раствора близка к конечной, поэтому расчетное  значение t_к принимают по конечной концентрации раствора.

 

Методы расчета  МВУ