Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса выпаривания

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Выпаривание ведется таким образом, чтобы при заданной производительности получить сгущенный раствор требуемой концентрации надлежащего качества без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе топлива. Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространенных технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. Это объясняется тем, что многие вещества, например гидроксид натрия, гидроксид калия, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт (для сокращения объемов тары и транспортных расходов) они должны поступать в виде концентрированных продуктов. На выпаривание растворов расходуется огромное количество тепла, а на создание выпарных установок – большое количество углеродистых и легированных сталей, никеля и других металлов. Поэтому в каждом конкретном случае необходима рациональная организация процесса выпаривания, что позволяет обеспечить максимальную производительность выпарной установки при минимальных затратах тепла и металла. Особенностью процесса выпаривания является то, что в парах кипящих растворов нормально содержатся только пары чистого растворителя, а растворённое вещество является нелетучим. Это положение, лежащее в основе теории и методов расчета выпарных аппаратов для большинства растворов твердых веществ вполне оправдывается. Удаляемый в парообразном состоянии растворитель чаще всего представляет собой

водяной пар, носящий название вторичного пара. Общий материальный баланс аппарата выражается уравнением:

Gн=Gк+W,

где Gн – количество поступающего исходного раствора с концентрацией bн; Gк – количество удаляемого упаренного раствора с концентрацией bк; W – количество растворителя.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют насыщенный или слегка перегретый водяной пар, который называется греющим, или первичным /3/. Первичным служит либо пар, получаемый 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 прикосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями. Также может применяться электрический обогрев.

Уравнение теплового баланса:

Q+GнСнtн= Gкскtк+W·iвт+Qпот±Qд

где Q – расход теплоты на выпаривание; сн, ск – удельная теплоемкость начального (исходного) и конечного (упаренного) раствора; tн, tк – температура начального раствора на входе в аппарат и конечного на выходе из аппарата; iвт – удельная энтальпия вторичного пара на выходе его из аппарата; Qпот – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду; Qд – теплота дегидратации. Передача тепла от теплоносителя к кипящей жидкости возможна при наличии температурного перепада (полезной разности температур) между ними. Это объясняется тем, что теплопередача, как и все естественные процессы, всегда идёт от высшего уровня к низшему, поэтому температура конденсации пара должна быть выше температуры кипения раствора что означает, что давление пара в греющем пространстве должна быть выше, чем в паровом. Протекание теплоносителей в греющей камере происходит под действием напора, создаваемого извне. Скорость течение теплоносителей по трубкам в большинстве случаев определяется естественной циркуляцией, зависящей от разности удельных весов закипающего в греющей камере раствора,

пронизанного пузырьками пара, и раствора, опускающегося по циркуляционной трубе.

1.2 Описание 4-х корпусной выпарной установки

Исходный раствор чёрного щелока из промежуточной ёмкости центробежным насосом подаётся в теплообменник, где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения, а затем в первый корпус выпарной установки. Предварительный нагрев щелока повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате.

Первый корпус и теплообменник обогреваются насыщенным водяным паром, поступающем из котельной. Вторичный пар, образующийся при концентрировании щелока в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор чёрного щелока из первого корпуса. Аналогично третий и четвёртый корпус обогреваются вторичным паром второго и третьего и в нём производится концентрирование щелока, поступившего из второго и третьего корпусов.

Самопроизвольный переток щелока и вторичного пара возможен, благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения, где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды из водооборотной системы и отсосом неконденсированных паров вакуум-насосом. Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора при помощи барометрической трубы с гидрозатвором и направляется для охлаждения. Образующийся в четвертом корпусе концентрированный черный щелок поступает в сборник, откуда центробежным насосом подается далее на сжигание. Конденсат греющего параиз первого корпуса выпарной установки и теплообменника подаётся в котельную, а конденсат из третьего и четвертого корпусов – на технологические нужды производства.

1.3 Оборудование, применяемое для проведения процесса выпаривания

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией.

1 – циркуляционная труба; 2 – кипятильная труба.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной (опускной) трубы 1 и обогреваемых подъёмных труб 2. Если жидкость в подъёмных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения части жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в подъёмных трубах, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: подъёмные трубы → паровое пространство → опускная труба → подъёмные трубы и т. д.

Для естественной циркуляции требуется два условия:

1. Достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси необходимую скорость;

2. Достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела, возможно, малую плотность.

При небольшом уровне жидкости в опускной трубе парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб; при этом не происходит циркуляции, и работа аппарата сопровождается резким снижением производительности и быстрым покрыванием труб накипью.

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой является одной из наиболее старых, но широко распространенных конструкций.

1 – корпус; 2 – кипятильные трубы; 3 – циркуляционная труба; 4 – сепаратор; 5 – отбойник.

Греющая камера состоит из ряда вертикальных кипятильных труб 2, обогреваемых снаружи паром. По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба 3 значительно большего диаметра, чем кипятильные трубы. Греющий пар подаётся в межтрубное пространство, конденсируется и отводится из аппарата в виде конденсата. Упаренный раствор также непрерывно удаляется через штуцер, находящийся в днище аппарата. Парообразование внутри центральной трубы значительно меньше, чем в кипятильных трубах, так как за единицу объёма жидкости в ней приходится меньшая теплопередающая поверхность. Раствор выдавливается в кипятильные трубки, поднимается по ним вверх, частично выпаривается и, освобождённый вверху от пара, возвращается вниз по центральной трубе. Образующийся пар удаляется в верхней части аппарата, пройдя предварительно через каплеуловитель.

Недостатки аппарата: жёсткая конструкция греющей камеры, не имеющая температурной компенсации.

Достоинства: простота конструкции и легкость доступа для чистки и ремонта.

Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой.

1 – корпус; 2 – кожух греющей камеры; 3 – кипятильные трубы; 4 – труба для подвода пара к греющей камере.

Греющий пар подаётся в межтрубное пространство нагревательной камеры по трубе 4. Образующийся вторичный пар проходит сепаратор над греющими трубками и далее инерционный каплеуловитель, из которого уловленная жидкость стекает вниз по трубе.

Принцип циркуляции:

Малоэмульгированный раствор из-за большой плотности опускается вниз по кольцевому пространству между корпусом аппарата и нагревательной камерой, передавливая вверх постоянно образующуюся в трубках более лёгкою парожидкостную эмульсию.

Погружение нагревательной камеры в выпариваемую среду препятствует возникновению температурных напряжений, так как в этом случае корпус камеры и трубки находятся в одинаковых температурных условиях.

Недостатками являются усложнение конструкции и большие габариты.

Достоинства – повышенный коэффициент теплопередачи за счет хорошего охлаждения раствора в кольцевом пространстве и легкость выемки греющей камеры из аппарата для чистки, ремонта или замены.

Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой.

1 – кипятильник; 2 - труба для парожидкостной смеси; 3 – сепаратор; 4 – циркуляционная труба.

Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубкам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз. Вторичный пар, пройдя сепаратор и брызгоуловитель, освобождается от капель, а раствор возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру.

Высота трубок в таких аппаратах составляет 5 … 7 м. Сечение циркуляционной трубы равно или больше площади поперечного сечения всех кипятильных трубок. В результате значительной скорости циркуляционного раствора повышается коэффициент теплоотдачи и уменьшается опасность отложения пристенных осадков.

Чистка и замена трубок выпарных аппаратов с выносной греющей камерой достаточно удобны.

Контактные выпарные аппараты.

Для химически агрессивных растворов, особенно при высоких температурах, например H₂SO₄, СаС₁₂, Na₂SO₄*10H₂O (мирабилит), применяют аппараты с погружным горением (рис. 2) - цилиндрические емкости из углеродистой стали, футерованные кислотоупорной плиткой или гуммированные. В них топочные газы, используемые как теплоноситель, образуются в результате сжигания топлива (например, природного газа) в горелках, которые погружены в концентрируемый раствор. Эти газы барботируют через раствор и удаляются вместе с вторичным паром. Важное достоинство таких выпарные аппараты - отсутствие поверхности теплообмена, что обеспечивает сравнительно простое решение вопросов коррозионной стойкости материалов, из которых изготовлены аппараты. Недостатки: большой расход топлива, невозможность использования вторичного пара в качестве теплоносителя (удаляется в смеси с газами), загрязнение атмосферы топочными газами и продуктами уноса раствора паром.

1.4Описание выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

А-выход греющего пара; Б-выход вторичного пара; В-выход конденсата; Г-вход раствора; Д-выход раствора; Е-сдувканеконд. Газов; Ж-вход воды для промывки; З- вход воды для промывки и опрессовки межтрубного пространства; И-воздушник; Л-смотровое окно; М-слив из межтрубного пространства; Н,П-слив из аппарата; Р-для термометра; С-люк на сепараторе; Т-люк на греющей камере; У-отбор проб; Ш-смотровое окно на греющей камере.

Аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой

Аппарат состоит из греющей камеры, сепаратора с брызгоотделителем и циркуляционной трубы. К верхней трубной решетке присоединена переходная камера со штуцером для соединения с сепаратором.

Сепаратор - цилиндрический сосуд с эллиптической верхней крышкой и коническим днищем. В верхней части сепаратора расположенбрызгоотделитель. Конструкцией сепаратора предусмотрена установка циклонного или жалюзийного брызгоотделителя в зависимости от конкретных условий выпаривания.

Коническое днище соединено с циркуляционной трубой, которая при мощи колена присоединена к нижней камере.

Циркуляция раствора в аппарате осуществляется по замкнутому кон-эу: сепаратор - циркуляционная труба - греющая камера - сепаратор.

Кипение раствора происходит в трубах вскипания при входе растворов в сепаратор. Кипение в трубах предотвращается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания. Высота трубы вскипания условно принята равной 2 м. Действительную рабочую высоту трубы кипания определяют в каждом конкретном случае в зависимости от давления в сепараторе и концентрации раствора и указывают при заказе.

Раствор, поднимаясь по трубам, перегревается и при входе из трубы в сепаратор закипает. Образовавшаяся парорастворная смесь напправляется тангенциально в сепаратор, где разделяется на жидкую и паровую фазы. Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель и выходит из аппарата через штуцер Б.

Греющий пар через штуцер А поступает в межтрубное пространство, г конденсируется. Конденсат удаляется через штуцер В.

Раствор подают в аппарат через один из штуцеров Г в зависимости режима работы аппарата.

Для наблюдения за работой аппарата имеются смотровые окна.

Конструкцией аппарата предусмотрена механическая очистка внутренний поверхности греющих труб.

Аппарат рассчитан на непрерывную работу.

Дата добавления: 2015-07-11