Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии - файл n1.doc

Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии
скачать (4601.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc4602kb.04.12.2012 02:27скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8


6.2.3 Змеевиковые теплообменные аппараты
Основным теплообменным элементом подобных теплообменников является змеевик – труба, согнутая по определенному профилю. Змеевик может вставляться внутрь аппарата или огибать его снаружи. В зависимости от этого змеевиковые теплообменные аппараты, схемы которых изображены в таблице 6.3, бывают с погружными и наружными змеевиками.

Таблица 6.3 – Виды змеевиковых теплообменников

Змеевиковые теплообменники

С погружными змеевиками





Могут быть как с одним, так и с несколькими змеевиками

С наружными змеевиками

В погружных теплообменниках змеевики погружаются в жидкость, находящуюся в корпусе аппарата. Они имеют сравнительно небольшую поверхность теплообмена. Широко распространены теплообменники с наружными змеевиками, так как они позволяют проводить процесс при давлениях до 6 МПа.

Преимуществами змеевиковых теплообменников являются простота изготовления и доступность поверхности теплообмена для осмотра и ремонта. Недостатки: громоздкость и трудность внутренней очистки труб.

6.2.4 Теплообменники с оребренными трубами



В практике достаточно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны теплопередающей поверхности резко различаются по величине. Например, при нагреве воздуха водяным паром, как показано на рисунке 6.6.



Рисунок 6.6 – Схема нагрева воздуха водяным паром
Оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменного аппарата за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Виды оребрения представлены в таблице 6.4.
Таблица 6.4 – Элементы теплообменников с оребрением

Оребрение

Поперечное

Продольное

Прямоугольные ребра



Трапециевидные ребра




Эффективность использования ребер обусловлена:



6.2.5 Методика теплового расчета
Целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена совместным решением уравнений теплопередачи и теплового баланса при заданных расходах теплоносителей и температурных условиях (при этом задаются значения конечных температур теплоносителей).

Площадь теплопередающей поверхности определяют методом последовательных приближений, при этом для выбранной конструкции аппарата величина теплопередающей поверхности находится из основного уравнения теплопередачи:

(6.1)

Тепловой поток (Q) определяют из уравнения теплового баланса.

Движущую силу рассчитывают исходя из теплового режима аппарата, например

(6.2)

Значения коэффициента теплопередачи в первом приближении принимают сугубо ориентировочно на основании опытных данных.

Находят ориентировочно площадь теплопередающей поверхности и вычерчивают эскиз аппарата.

На следующем этапе рассчитывают значения коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и коэффициента теплопередачи применительно к выбранным конструкции и размерам аппарата.

По вычисленному коэффициенту теплопередачи уточняют величину площади теплопередающей поверхности и эскиз аппарата.

Расчет ведется до совпадения принятых величин и величин, полученных в результате расчета (расхождение не должно превышать 3…5 %).

Этапы расчета:

а) проектировочный расчет:

– выбор конструкции аппарата, определяющих размеров (диаметры, длины, высоты по стандартам), скоростей и места расположения теплоносителей (трубное, межтрубное);

– определение тепловой нагрузки ;

– составление теплового баланса Q = Q1= Q2, из которого можно определить расход теплоносителя;

– определение параметров температурного режима процесса (?tcp);

– выбор физических параметров теплоносителей;

– приближенная оценка коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и поверхности теплообмена;

– выбор типа нормализованного варианта конструкции, площади теплопередающей поверхности (Fнорм), диаметра внутренних труб, высоты труб и других параметров;

б) уточненный или проверочный расчет, необходимость которого возникает, например, если в результате проектировочного расчета был выбран нормализованный аппарат со значительным запасом поверхности:


– при известных поверхности, начальных температурах теплоносителей и их расходах определяют количество тепла и поверхность теплообмена (Fрасч);

– сопоставляют значения Fрасч и Fнорм.;

– тепловой расчет должен быть увязан с конструкционным и гидравлическим расчетами;

в) технико-экономический расчет;

г) выбор оптимального варианта.
6.3 Выпаривание
Выпаривание – это процесс концентрирования нелетучих или малолетучих веществ путем удаления летучего растворителя в виде пара при температуре кипения. Выпаривание отличается от испарения тем, что испарение происходит с поверхности при различных температурах (даже ниже температуры кипения), а выпаривание происходит из всего объема кипящего раствора.

Выпаривание используется для повышения концентрации раствора или для получения чистых труднолетучих растворов. Скорость процесса выпаривания определяется скоростью подвода тепла.

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют насыщенный водяной пар, который называют греющим, или первичным.

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

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводят через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых случаях концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Таким образом, выпаривание является типичным процессом переноса тепла. Основное отличие процесса выпаривания от тепловых процессов заключается в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.

Процесс выпаривания может проводиться под атмосферным давлением, вакуумом или под избыточным давлением.

Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

В случае выпаривания под атмосферным давлением вторичный пар чаще всего выбрасывается в атмосферу и не используется. Такой способ является простым, но экономически невыгодным.

Выпаривание под вакуумом позволяет уменьшить температуру кипения раствора, поэтому можно выпаривать нетермостойкие растворы, можно выпаривать растворы с высокой температурой кипения, например, растворов щелочей, а также концентрировать растворы с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров; увеличивается полезная разность температур, а следовательно, уменьшается поверхность теплообмена.

Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного пара и, следовательно, затраты на проведение процесса.

Недостатками выпаривания под вакуумом являются необходимость конденсации вторичного пара и применение вакуум-насоса для откачки неконденсирующегося пара, что ведет к увеличению эксплуатационных расходов и удорожанию установки.

В случае выпаривания под давлением выше атмосферного вторичные пары имеют повышенные параметры и их можно использовать как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания. Если этот пар используется для посторонних нужд, то его называют экстра-паром. Отбор экстра-пара позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако подобное выпаривание сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термостойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

6.3.1 Виды выпаривания



Существует несколько способов выпаривания:

а) простое однокорпусное выпаривание;

б) многократное, или многокорпусное выпаривание. Это выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус;

в) выпаривание с тепловым насосом, применение которого позволяет сэкономить первичный пар.

Два последних способа энергетически выгодны при больших производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого раствора в час и выше), что характерно для промышленности, где выпаривание проводят по непрерывному принципу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, то есть в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения, поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи.

П


Рисунок 6.7 – Схема процесса выпаривания
ериодическое выпаривание проводят при малых производительностях и необходимости упаривания раствора до существенно высоких концентраций.

Процесс выпаривания проводят в выпарных аппаратах (ВА). Схематично процесс вы-паривания можно представить, как показано на рисунке 6.7.

Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора на примере аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой (рисунок 6.8).

Поверхность теплопередачи на единице объема в маленькой трубке больше, раствор в ней кипит лучше, поэтому там образуется парожидкостная смесь с большим содержанием вторичного пара. В большой трубе жидкость опускается, а в кипятильных трубках поднимается. Происходит циркуляция, с увеличением циркуляции увеличивается коэффициент теплоотдачи.

Кроме этого, циркуляция предотвращает отложение солей на кипятильных трубах.

frame15

Из кипятильных труб пар выбрасывается с большой скоростью и ударяется о брызгоотбойник. Большие капли возвращаются вниз, мелкие улавливаются каплеуловителем и возвращаются в раствор.

Достоинством однокорпусного выпарного аппарата является простота конструкции, а недостатком – большие энергозатраты, поскольку пар выбрасывается в атмосферу.
6.3.2 Материальный и тепловой баланс выпарного аппарата
Материальный и тепловой баланс для непрерывного процесса записывают при допущении, что отсутствует унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими из кипящего раствора во вторичный пар. Для этих условий материальный баланс по общему количеству продуктов представляют в следующем виде:

, (6.3)

по нелетучему продукту

, (6.4)

где Gн, Gк – расходы соответственно исходного и упаренного раство-ров, кг/с;

хн и хк – концентрации соответственно растворенного продукта в исходном и упаренном растворе, кг продукта на 1 кг раствора;

W – выход вторичного пара, кг/с.

Из уравнений (6.3) и (6.4) можно определить расход упаренного раствора и выход растворителя (вторичного пара):

, (6.5)

, (6.6)

а также конечную концентрацию упаренного раствора:

. (6.7)

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса, записанного в следующем виде:

, (6.8)

где D – расход греющего пара, кг/с;

Нг, Нв.п. – энтальпии соответственно греющего и вторичного паров, Дж/кг;

Нн, Нк, Нг.к. – энтальпии соответственно исходного и упаренного растворов и конденсата греющего пара, Дж/кг;

Qп – расходы теплоты в окружающую среду, Дж/с.

В упрощенном виде запишем тепловой баланс смешения упаренного раствора и испаренной воды при температуре кипения tкип., сделав допущение о постоянстве теплоемкости раствора в интервале температур от tн до tк, в виде

, (6.9)

где сн, ск, св – теплоемкости соответственно исходного, упаренного растворов и растворителя, Дж/кг;

Qконд. – теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от хн до хк, Дж/с.

Теплота концентрирования численно равна теплоте растворения, но с обратным знаком.

6.3.3 Температура кипения раствора и температурные потери


Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления первичного и вторичного паров, а следовательно, определены и их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарного аппарата:

. (6.10)

Общая разность температур связана с полезной разностью соотношением:

. (6.11)

Обозначив , получим

. (6.12)

Величины ?/, ?//, ?/// называют температурными депрессиями (температурными потерями).

Величину ?/ называют концентрационной температурной депрессией и определяют как повышение температуры кипения раствора tк по сравнению с температурой кипения чистого растворителя tв.п. при данном давлении.

(6.13)

Таким образом, температура образующегося при кипении растворов вторичного пара (т.е. пара над раствором, который затем в виде греющего идет в следующий корпус) ниже, чем температура кипения раствора, и поэтому часть общей разности температур всей установки теряется бесполезно.

Температурную потерю ?// называют гидростатической температурной депрессией, она характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением давления гидростатического столба жидкости. Гидростатическая депрессия проявляется лишь в аппаратах с кипением раствора в кипятильных трубах нагревательной камеры. В этом случае за температуру кипения раствора принимают температуру кипения в средней части кипятильных труб.

, (6.14)

где tср – температура кипения растворителя при давлении Рср в средней части кипятильных труб, К;

tв.п. – температура вторичного пара при давлении в аппарате Ра, К.

Давление в средней части кипятильных труб определяют из выражения

, (6.15)

где Н – высота кипятильных труб, м;

?пж – плотность парожидкостной смеси в аппарате, кг/м3.

Величину ?/// называют гидродинамической депрессией, которая характеризует потерю общей разности температур за счет гидравлических потерь в трубопроводе, и определяют как разность между температурой вторичного пара tв.п. у поверхности раствора и температурой пара на выходе из аппарата (на входе в конденсатор). На практике ?/// составляет от 1 до 1,5 °С.

Температурный график выпарной установки изображен на рисунке 6.9.



Рисунок 6.9 – Распределение температуры по высоте аппарата

6.3.4 Выпаривание в многокорпусных установках
В случае многократного выпаривания вторичный пар используется в качестве греющего в последующем аппарате. В зависимости от взаимного направления пара и раствора установки бывают: прямоточные, противоточные и комбинированные.

6.3.4.1 Прямоток

Принципиальная схема прямоточной трехкорпусной выпарной установки изображена на рисунке 6.10.

Достоинства прямотока: упаренный раствор от корпуса к корпусу перемещается самотеком вследствие разного давления.

Во втором и третьем корпусах выпаривание происходит за счет перегрева поступающего раствора (самоиспарение). Поскольку давление в последующем корпусе меньше, следовательно, температура кипения раствора в нем ниже, и в процессе охлаждения происходит дополнительное испарение растворителя.

Недостатком является то, что происходит понижение температуры кипения и повышение концентрации, это, в свою очередь, способствует увеличению вязкости раствора и снижению теплоотдачи при кипении, а следовательно, и снижению коэффициента теплопередачи. В результате увеличивается общая поверхность теплопередачи.

frame16

6.3.4.2 Противоток

Принципиальная схема противоточной двухкорпусной выпарной установки изображена на рисунке 6.11.


Достоинство более концентрированный раствор выпаривается при более высоком давлении и, соответственно, температуре, это, в свою очередь позволяет уменьшить поверхность нагрева.

Недостаток отсутствие естественной циркуляции раствора, следовательно, возникает необходимость включения в схему насосов для перекачивания концентрированного раствора из корпуса в корпус.

Недостатки прямоточных схем менее существенны, чем противоточных, поэтому первые получили большее распространение в промышленности.


Рисунок 6.11 – Двухкорпусная противоточная выпарная

установка

6.3.4.3 Комбинированная схема выпаривания


В комбинированных схемах пар движется, как и в предыдущих примерах, а раствор подается в каждый корпус отдельно. Раствор может вводиться в средний корпус с дальнейшей передачей его в последний и выпуском через первый. В каждом корпусе раствор выпаривается до определенной концентрации.

Комбинированное выпаривание применяется для кристаллизации растворов. В этом случае концентрация упариваемого раствора в каждом корпусе остается постоянной.

6.3.4.4 Материальный баланс многокорпусной выпарной установки


Общее количество выпариваемой в установке воды находят из материального баланса:

, (6.16)

где Gн – количество раствора, поступившего в установку, кг/ч;

хн и хк – соответственно начальные и конечные концентрации раствора, масс. %.

Общее количество выпаренной воды, равно сумме количеств воды, выпариваемой по корпусам:

, (6.17)

где W1, W2, Wn – количество воды, выпариваемой соответственно в первом, во втором и в последнем корпусах, кг/ч.

С концентрацией растворов на выходе поступают аналогично. Для последнего корпуса концентрация упаренного раствора определится так:

. (6.18)

6.3.4.5 Тепловой баланс многокорпусной выпарной установки


Очевидно, что количество греющего пара Dn , поступающего в корпус n, равно количеству воды Wn-1, выпаренной в корпусе (n-1), при работе установки без отбора экстра-пара.

. (6.19)

Уравнение теплового баланса для n-го корпуса выглядит так:

, (6.20)

где – расходы соответственно греющего и вторичного паров в n-м корпусе, кг/с;

– расходы соответственно исходного и упаренного раствора в n-м корпусе, кг/с;

– энтальпии соответственно греющего и вторичного паров в n-м корпусе, Дж/кг;

– энтальпии соответственно исходного, упаренного растворов и конденсата греющего пара в n-м корпусе, Дж/кг;

– потери теплоты в окружающую среду в n-м корпусе, Дж/с.

Переписав уравнение (6.20) относительно расхода пара, можно увидеть, что расход пара зависит от трех величин:

а) расхода пара на изменение энтальпии выпариваемого раствора;

б) расхода пара на непосредственное выпаривание растворителя (например, воды);

в) расхода пара на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.
6.3.5 Выпаривание с тепловым насосом
Многокорпусные выпарные установки имеют ряд таких недостатков, как высокая стоимость оборудования, большая занимаемая площадь, высокая температура кипения раствора в первых корпусах. Все это можно компенсировать, если применять однокорпусное выпаривание с тепловым насосом.

Вторичный пар, образующийся при упаривании раствора, с помощью турбокомпрессора или парового инжектора сжимают до давления греющего пара и вновь подают в нагревательную камеру этого же аппарата. Схематично это можно представить, как показано на рисунке 6.12. Таким образом, первичный пар необходим только для пуска аппарата в работу, а затем в небольшом количестве для компенсации снижения теплоты конденсации пара после его сжатия в тепловом насосе и потерь в окружающую среду.

Рисунок 6.12 – Схема выпарной установки с тепловым насосом

6.3.6 Классификация выпарных аппаратов
По принципу действия различают аппараты периодического и непрерывного действия. Периодические аппараты имеют ряд преимуществ перед непрерывными: при одной и той же начальной и конечной концентрациях раствора в них достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи; облегчается перекачка концентрированного вязкого раствора, так как ее можно осуществить после концентрирования при атмосферном или повышенном давлении (в вакуум-выпарных аппаратах непрерывного действия откачка вязкого раствора затруднена, особенно из последней ступени). Однако эти установки могут использоваться лишь при небольших производительностях.

По виду первичного теплоносителя аппараты бывают с паровым, газовым (продукты сгорания, горячий воздух и др.), жидкостным (вода, масло и др.) теплоносителем, а также с электрическим обогревом. В промышленной практике чаще всего применяют обогрев паром, обеспечивающий высокий коэффициент теплопередачи наряду с удобством регулирования установки. В ряде случаев целесообразно использование тепла отходящих газов различных технологических агрегатов.

По совмещению стадий нагрева и парообразования существуют аппараты, в которых эти стадии совмещены, аппараты с вынесенной зоной парообразования и с вынесенной поверхностью нагрева. Последние два типа аппаратов применяют для предотвращения интенсив-

ных отложений на поверхности нагрева.

По подвижности поверхности нагрева различают аппараты с неподвижной и подвижной поверхностью нагрева. Применение последней вызвано стремлением интенсифицировать процесс теплообмена. Подвижность поверхности нагрева обеспечивается ее вращением или вибрацией. В таких аппаратах скорость движения жидкости относительно поверхности нагрева высока, вследствие чего существенно повышается интенсивность теплообмена; отложения уменьшаются либо предотвращаются полностью. При этом существенно повышается степень концентрирования растворов.

По способу организации движения раствора аппараты бывают с естественной и принудительной циркуляцией, однократной и многократной. Естественная циркуляция может осуществляться в объеме аппарата либо обеспечиваться специальными циркуляционными трубами. Принудительная циркуляция организуется с помощью насосов, мешалок или подачи пара (газа). Циркуляция (перемещение) раствора может создаваться также путем вращения либо вибрацией поверхности нагрева.

По расположению зоны испарения различают аппараты, в которых испарение раствора производится внутри труб либо в объеме аппарата. При этом жидкость может находиться снаружи поверхности нагрева или же внутри нее.

По степени заполнения сечения труб существуют аппараты с заполненным и незаполненным сечением. К последним относятся аппараты со вставками и пленочные. Пленочные выпарные аппараты получают в настоящее время все более широкое распространение благодаря тому, что обладают высокой интенсивностью теплообмена при малых температурных напорах. По способу движения пленки такие аппараты подразделяются на аппараты с ниспадающей и восходящей пленкой, а также с пленкой, движущейся под действием центробежных сил.

По направлению движения пара и жидкости существуют аппараты, в которых жидкость движется снизу вверх или же сверху вниз. Аппараты с ниспадающей пленкой также подразделяются по направлению движения вторичного пара  вверх или вниз. Последний способ благоприятно сказывается на режиме теплообмена, так как движение пара и пленки в одном направлении способствует увеличению скорости пленки и ее турбулизации.

По ориентации поверхности нагрева различают аппараты, в которых поверхности нагрева располагаются вертикально, горизонтально или наклонно.

Выпарные аппараты могут подразделяться также по степени концентрирования  на аппараты небольших концентраций (первые корпуса МВУ) и аппараты высоких концентраций, используемые в однокорпусных установках и в последних ступенях МВУ; по производительности  на аппараты малой и большой производительности.

Хорошая циркуляция раствора в аппарате способствует интенсификации теплообмена в первую очередь со стороны кипящей жидкости. Как известно, увеличение скорости движения жидкости приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя, снижению его термического сопротивления и повышению коэффициента теплоотдачи. Кроме того, циркуляция раствора предотвращает быстрое отложение на стенках кипятильных труб твердой фазы (накипи). Появляется возможность осуществлять выпаривание кристаллизующихся и высоковязких растворов.

6.3.7 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией



Данные аппараты просты по конст­рукции и применяются для выпаривания растворов с невысокой вязкостью, не склонных к кристаллизации.

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой представлен на рисунке 6.13.



Циркуляция в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. Скорость циркуляции невелика (скорость парожидкостной смеси составляет от 0,3 до 0,8 м/с).

Аппарат с вынесенной циркуляционной трубой представлен на рисунке 6.14. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, следовательно, раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. Движение происходит за счет разности плотностей.

Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах уменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться при концентрировании растворов.
6.3.8 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией
Данные аппараты позволя­ют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопере­дачи. Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов, обладающих высокой производительностью. В связи с более высокими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи – более 2000 Вт/(м2·К), поэтому такие аппараты могут эффективно работать при меньших полезных разностях температур (равных 3…5 °С). В аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успехом концентрировать высоковязкие или кристаллизующиеся растворы.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (рисунок 6.15а). В этом случае появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее загрязнении, а иногда к одному сепаратору подсоединять две или три нагревательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющая нагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с соосной греющей камерой и сепаратором (рисунок 6.15б) является меньшая производительная площадь, необходимая для его размещения.




а б

1 – нагревательные камеры; 2 – сепараторы;

3 – брызгоуловитель; 4 – циркуляционные трубы; 5 – насосы

Рисунок 6.15 – Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

и вынесенными нагревательной камерой (а)

и циркуляционной трубой (б)
6.3.9 Расчет выпарного аппарата
Технологический (тепловой) расчет выпарного аппарата при его проектировании сводится к определению поверхности нагрева при заданных условиях работы выпарного аппарата (рисунок 6.16). Расчет заключается в решении систем уравнений материального, теплового балансов и теплопередачи с учетом дополнительных условий.

При расчете заданы обычно следующие параметры:

Sн – производительность аппарата, кг/с;

хн, хк – соответственно начальная и конечная массовые доли растворенного вещества.

Этапы расчета выпарного аппарата:

а) определить количество растворителя W, которое необходимо выпарить, чтобы повысить концентрацию от хн до хк ;

б) определить количество теплоты, которое необходимо для выпаривания этого количества растворителя;

в) определить расход теплоносителя (в большинстве случаев пара) Dг.п.;

г) определить поверхность нагрева F, м2;

д) выбрать стандартный выпарной аппарат по стандарту.

Из-за большого количества неизвестных величин расчет становится громоздким. Поэтому его выполняют методом последовательных приближений. Задаются значениями соответствующих величин, выполняют расчет и в случае существенного расхождения принятых и рассчитанных величин принимают новые значения тех же величин для последующего приближения. Предварительно выполняют приближенный расчет, который позволяет выяснить ориентировочные показатели работы аппарата.

Количество выпариваемого раствора W определяют исходя из общего балансового соотношения (Пр-Ух+Ис-Ст=Нак).

Поскольку рассматривается непрерывный процесс, количество субстанции, которая приходит в аппарат, равно количеству субстанции, которая уходит Пр=Ух. То есть материальный баланс выпарной установки будет выглядеть так:

(6.21)

или по растворенному веществу

. (6.22)

Сопоставив уравнения (6.21) и (6.22), получим

. (6.23)

Таким образом, из уравнения (6.23) можно найти количество выпариваемой воды, если задана конечная концентрация раствора; или конечную концентрацию раствора при заданном количестве выпаренной воды.


с – удельная теплоемкость, Дж/кгК; t – температура, К; Н – энтальпия, Дж/кг; G – расход раствора, кг/с; D – расход пара, кг/с; Q – количество тепла, Вт; х – концентрация, %; ? – влажность пара, %

Рисунок 6.16 – К расчету поверхности нагрева

выпарного аппарата
Количество теплоты и расход греющего пара определяют из теплового баланса (Пр=Ух).

Приход теплоты:

Уход теплоты:

– с греющим паром

;

– с упаренным раствором ;

– со вторичным паром ;

– с исходным раствором

;

– с паровым конденсатом ;

– теплота концентрирования ;

– потери в окружающую среду .

Из уравнения теплового баланса находят расход греющего пара на выпаривание:

. (6.24)

Таким образом, греющий пар используется для нагревания исходного раствора до температуры кипения, испарения влаги из раствора с учетом теплового эффекта концентрирования раствора и тепловых потерь в окружающую среду.

В случае, если раствор поступает в аппарат при температуре кипения, отсутствуют тепловой эффект концентрирования раствора и тепловые потери в окружающую среду, удельный расход пара можно определить по упрощенной формуле:

. (6.25)

Движущую силу процесса выпаривания определяют по формуле

. (6.26)

Коэффициент теплопередачи

(6.27)

Поверхность греющей камеры

. (6.28)
6.3.10 Выбор числа корпусов
П


Рисунок 6.17 – К выбору числа корпусов
рактически выбор числа корпусов наиболее рационально проводить исходя из технико-экономических соображений. С увеличением числа корпусов достигается все большая экономия греющего пара и снижается общая стоимость пара, необходимого для выпаривания (эксплуатационные расходы). Одновременно с увеличением числа корпусов возрастают капитальные затраты и соответственно расходы.

Условно зависимость капитальных и эксплуатационных затрат от числа корпусов можно изобразить так, как на рисунке 6.17.

Стоимость капиталь-ных вложений и эксплуатационные затраты определяют суммарные затраты. Минимум этих затрат соответствует оптимальному числу корпусов.
6.3.11 Вспомогательное оборудование выпарной установки
Технологическая схема однокорпусной установки изображена на рисунке 6.18.

T7 – T7 – насыщенный водяной пар; В4 – В4 – вода оборотная (подача);

T8 – T8 – конденсат; АВ – аппарат выпарной; Т – теплообменник;

КБ – конденсатор барометрический; Е1-2 – емкости для исходного и

упаренного продуктов; Н1-2 – насос; В31-16 – вентиль запорный;

ВР – вентиль регулировочный; КО1-2 – конденсатоотводчик

Рисунок 6.18 – Технологическая схема однокорпусной установки
Конденсатор барометрический представляет собой смесительный теплообменник, предназначенный для конденсации водяного пара. Конденсация пара (газа) может быть осуществлена путем охлаждения пара, либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Охлаждение можно проводить как водой, так и холодным воздухом.

Объем конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образуется. В результате в конденсаторе создается разряжение, которое увеличивается с уменьшением температуры.

В химических производствах обычно не требуется получать чистый конденсат водяного пара для его последующего использования. Поэтому широко распространены конденсаторы смешения.

Наиболее распространенной конструкцией конденсатора смешения является полочный барометрический конденсатор (рисунок 6.19), работающий при противоточном движении охлаждающей воды и пара.

Барометрическая труба и ящик играют роль гидравлического затвора, препятствующего прониканию наружного воздуха в аппарат.
frame18
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите виды теплоносителей для подвода теплоты в теплообменную аппаратуру.

2. Перечислите достоинства и недостатки нагрева насыщенным водяным паром.

3. Какие методы и теплоносители можно использовать для нагрева до высоких температур?

4. Охарактеризуйте водооборотные циклы химических предприятий.

5. Дайте классификацию теплообменных аппаратов.

6. Опишите устройство и принцип действия кожухотрубчатых теплообменников.

7. Приведите классификацию кожухотрубчатых теплообменников.

8. Что представляют собой змеевиковые теплообменники?

9. Когда используют теплообменники с оребренными трубами?

10. Покажите схему проектного расчета поверхностных теплообменников.

11. Покажите сущность процесса выпаривания, области его практического применения.

12. Раскройте конструктивные особенности выпарных аппаратов, их основные отличия от теплообменников.

13. Что понимается под полезной разностью температур выпарного аппарата? В чем различие при расчете средней движущей силы в теплообменниках и выпарных аппаратах?

14. Что понимают под вторичным паром и экстра-паром?

15. Составьте материальный и тепловой баланс однокорпусной выпарной установки.

16. Постройте температурный график выпарной установки.

17. В чем принципиальные различия прямоточной и противоточной схем выпаривания?

18. Дайте классификацию выпарных аппаратов.

19. Как выбирают число корпусов выпарной установки?

20. С какой целью в выпарных аппаратах применяют принудительную циркуляцию выпариваемого раствора?

21. Перечислите вспомогательное оборудование для выпарной установки.

22. Что представляет собой барометрический конденсатор?

МОДУЛЬ 7. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

В СИСТЕМАХ СО СВОБОДНОЙ ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ
В промышленности широкое использование получили процессы массообмена. Они используются для решения задач разделения жидких и газовых смесей, концентрирования, защиты окружающей среды (очистка сточных вод и отходящих газов). Наиболее часто процессы массопередачи используют для разделения гомогенных систем.

Наиболее распространенными в химической промышленности являются следующие массообменные процессы.

Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.

Перегонка и ректификация – разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получения сверхчистых жидкостей и для других целей.

Экстракция (жидкостная) – извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси.

Сушка – удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном путем ее испарения. Сушку широко применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.

Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.

Массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз. При этом граница соприкосновения может быть подвижной (система «газ – жидкость» и др.) или неподвижной («газ – твердое тело» и т.д.). Одним из способов практической реализации массообменных процессов является использование аппаратов насадочного типа. В этом случае в качестве поверхности контакта двух фаз (массообменной поверхности) выступает поверхность инородных тел – насадка, которую укладывают различными способами.
7.1 Абсорбция


Абсорбция – это процесс избирательного поглощения растворимого компонента (абсорбтива) газовой или паровой смеси жидкостным поглотителем – абсорбентом. Обратный процесс – выделение из абсорбента растворенных в нем газов носит название десорбции.

В химической технологии абсорбция используется для получения готового продута (абсорбция хлороводорода водой в производстве соляной кислоты, окислов азота в производстве азотной кислоты), выделения ценных компонентов из газовых смесей (получение бензола из коксового газа, ацетилена из газов крекинга), улавливания вредных и нефтяного газов от сероводорода.

Различают два вида абсорбции:

а) физическую абсорбцию, когда поглощение газа жидкой фазой может происходить за счет растворения его в абсорбенте, при этом не происходит химического взаимодействия между поглотителем и поглощаемым веществом;

б) хемосорбцию, когда поглощение газа жидкой фазой происходит в результате его химического взаимодействия с абсорбентом, парциальное давление над поглотителем определяется константами химических взаимодействий.

При выборе абсорбента к нему предъявляется ряд требований:


– селективность – способность избирательного поглощения извлекаемого компонента;

– максимальная растворимость поглощаемого компонента в жидкой фазе (это приведет к уменьшению расхода абсорбента);

– низкая летучесть во избежание его потерь с уходящим газом;

– пожаро-, взрывобезопасность, дешевизна, доступность, нетоксичность.

1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации