Устройство выпарных установок

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка 0.1 Па с, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже – в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах.

В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 КОМПАНОВКА ПОЛНОЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

МНОГОКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

ИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЕЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УЗЛОВ

 

Полная технологическая схема многокорпусной установки представляет собой совокупность технологических узлов, объединенных в соответствии с целью производства получением упаренного раствора.

При разработке полной технологической схемы необходимо предусмотреть меры, повышающие надежность работы непрерывно действующей выпарной установки и снижающие капитальные и эксплутационные затраты.

Известно, что непрерывно действующие выпарные установки отличаются большой производительностью, возможностью механизации и автоматизации технологического процесса. Однако пуск и остановка непрерывно действующих технологических линий значительно сложнее, чем периодически действующих, следовательно, остановка всей линии из-за выхода из строя одного аппарата недопустима. По этой причине трубопроводные коммуникации выпарной установки должны предусматривать возможность отключения отдельных аппаратов для периодических кратковременных чисток и ремонтов и возможность предотвращения попадания в них горячего раствора и пара при отключении. Все материальные потоки в этом случае направляются в обход отключенного аппарата в оставшиеся работающие аппараты. Возможность быстрого отключения отдельных аппаратов от работающей выпарной установки особенно важна при аварийных ситуациях, возникающих в работающих аппаратах  образование свищей в кипятильных трубках, нарушение герметичности уплотнений и т.д. ).  При проектировании трубопроводной обвязки необходимо обходиться минимальной протяженностью труб и минимумом арматуры. Несоблюдение этого правила может привести не только к значительному росту гидравлических сопротивлений, но и к увеличению   стоимости всей установки.

С учетом изложенных рекомендаций разработана схема трехкорпусной прямоточной выпарной установки представленная на Рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей

 при прямоточном движении  греющего пара и раствора

Исходный раствор со склада готовой продукции поступает в емкость исходного раствора А7 откуда центробежными насосами Н1, Н2 подается по коммуникации раствора в подогреватель исходного раствора А5. Нагретый в подогревателе до температуры кипения раствор подается в первый корпус А1 выпарной установки. В случае временной остановки подогревателя А5 на чистку или ремонт, последний отключается запорной арматурой, и холодный раствор подается по коммуникации раствора  непосредственно в корпус А1. Разумеется , при отключении подогревателя А5 , производительность установки может снизится, но не произойдет ее остановки.

Из корпуса А1 раствор самотеком  (за счет разности давлений) по коммуникации раствора  переходит в корпус А2,  а из корпуса А2 а корпус А3. На приведенной технологической схеме для перепуска раствора из одного корпуса в другой используется общая коммуникация раствора , установленном на ней необходимой запорной арматурой. Это экономит трубы и дает возможность гибко управлять работой установки. Переключая соответствующим образом запорную арматуру можно направлять раствор в обход  любого из корпусов в случае временного его отключения на чистку или кратковременный ремонт (без остановки всей технологический схемы).

Из последнего корпуса раствор направляется в емкости А8, А9 каждая из которых находится либо под вакуумом - при заполнении раствором, либо под атмосферным давлением - при перекачке упаренного раствора на дальнейшую переработку.

Для подвода пара к каждому корпусу установки используются, паропроводы, составляющие паровую коммуникацию . Паровая коммуникация 2 обеспечивает возможность временного отключения любого из аппаратов установки ( подогревателя А5 и корпусов А1, А2 или А3) при минимальном количестве паровых трубопроводов. Это достигается установкой запорной арматуры  на подводящих паропроводах к каждому аппарату. На паровой коммуникации  устанавливаются также разобщающие вентили,  чтобы не допустить смешения греющего пара каждого корпуса с его вторичным паром. При нормальной работе установки вентили на подводящих паропроводах открыты, а разобщающие вентили закрыты.

 

Рисунок 2 - Технологическая схема

1-емкость  исходного раствора; 2, 9-насосы; 3, 4, 5-выпарные аппараты; 6-емкость упаренного раствора; 7-гидрозатвор; 10-барометрический конденсатор

 

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

 

4.1 Концентрация  упариваемого раствора

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением

 

W1 : W2 :W3=1,0:1,1:1,2 .

 

Тогда основные уравнения материального баланса:

 

 ,

 

  ,

 

где - массовые расходы начального и концентрированного раствора, кг/с;

       хнач, хкон – массовые доли растворенного вещества в начальном и концентрированном растворе;

      W – массовый расход выпаренной воды, кг/с:

 

W3=W-2/3= 1,44 кг/с ;

 

 

W2== 2,55 кг/с ;

 

 

W1 = W--= 2,95 кг/с.

 

Далее рассчитываем концентрации растворов в корпусах :

X1=GначXн/(Gн-w1)=11,1·0,15/11,1-2,95=0,204 ;

 

X1 =20,4% ;

 

X2=GначXн/(Gн-w1-w2)=0,297 ;

 

X2 =29,7% ;

 

X3=GначXн/(Gн-w1-w2  -w3)=0,4 ;

 

X3 =40%.

Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора хк.

 

4.2 Температуры кипения растворов

Переводим, по таблице из литературы [2], температуры в давления насыщенного пара:

Tг1 =130 °C следовательно Pг1=2,567 кгс/см2 ;

Tбк=65°C следовательно Pбк= 0,2756 кгс/см2 ;

Общий перепад давлений в установки равен:

 ∆Pоб =Pг1 –Pбк =2,567-0,2756=2,2914 кгс/см2 .

В первом приближении общий перепад давлений распределяют между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:

Pг1=2,567 кгс/см2 ;

 

Pг2= Pг1- ∆Pоб/3=2,567-0,7638 =1,8032 кгс/см2 ;

 

Pг3= Pг2-∆Pоб/3=1,0394 кгс/см2 .

 

Давление пара в барометрическом конденсаторе

Pбк= Pг3-∆Pоб/3=0,2756 кгс/см2 .

 

Что соответствует заданному значению давления в  нем.

По давлениям паров находим их температуры  [2]

Таблица 1

№ корпуса	Tг , °C	Pг, кгс/см2
1	130	2,567
2	117,56	1,8032
3	100,85	1,0394
Барометрический конденсатор	65	0,2756

При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически соответствует модели идеального перемешивания. Поэтому концентрацию кипящего раствора принимают равной конечной в данном  корпусе и, следовательно, температуру кипения раствора определяют при конечной концентрации.

Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь ∑∆ от температурной ∆', гидростатической ∆'' и гидродинамической ∆'"депрессий.

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают ∆'"=1,0-1,5 град на корпус. Примем для каждого корпуса ∆'"= 1 град. Тогда температуры вторичных паров в корпусах (в °C) равны:

Tвп1 = Tг2+∆'"1=117,56+ 1= 118,56 °C ;

 

Tвп2= Tг3+∆'"2=100,85+1=101,85 °C ;

 

Tвп3= Tбк+∆'"3=65+1=66 °C ;

 

Сумма гидродинамических депрессий

∑∆"'=1+1+1=3°C.

По температурам вторичных паров определим их давления и теплоты испарения [2]

   Таблица 2

№ корпуса	Tвп , °C	Pвп , кгс/см2	r , кДж/кг
1	118,56	1,8962	2213,14
2	101,85	1,0873	2263,3
3	66	0,2832	2345,4

Гидростатическая депрессия обусловлена разностью давлений в среднем слое кипящего раствора и на его поверхности. Давление в среднем слое кипящего раствора Pср каждого корпуса определяется по уравнению

Рср= Рвп + 0,5hrg(1-ε)

 

Где h- высота кипятильных труб в аппарате, м ;

  r- плотность раствора, кг/м3 ;

  ε- паронаполнение ( объемная доля пара в кипящем растворе ) , м3/ м3.

Для выбора значения высоты необходимо ориентировочно оценить поверхность теплопередачи выпарного аппарата Fор. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q= 20000-50000 Вт/м2 , примем q= 40000 Вт/м2. Тогда поверхность теплоотдачи ориентировочно равна:

Fор1= Q/q=w1r1/q=2,95·2213·103/40000=163,2 м2 ;

 

Fор2= w2r2/q=2,55·2158·103/40000= 144,26 м2 ;

 

Fор3= w3r3/q=1,44·2345,4·103/40000= 84,4 м2 ,

 

Где r- теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг.

По ГОСТ 11987-81 [5] трубчатые аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой (тип 1, исполнение 2) состоят из кипятильных труб высотой 4 и 5 м при диаметре 38мм и толщине стенок 2мм. Примем высоту кипятильных труб 5м. Fор= 280 м2.

При пузырьковом режиме кипения паронаполнение составит 0.4-0.6. Примем ε=0,5. Плотность водных растворов, в том числе раствора KOH [4] , при температуре 15°C и соответствующих концентрациях в корпусах равна:

r1=1275 кг/м3 ;

r2=1420 кг/м3 ;

r3=1840 кг/м3 .

При определении плотности растворов в корпусах пренебрегаем измерением ее с повышением температуры от 15 до температуры кипения ввиду малого значения коэффициента объемного расширения и ориентировочного принятого значения ε=0,5.

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

Рср1=7,06·9,81·104+1275·9,8·5·(1-0,5)·0,5=708204,75 Па ;

 

Рср2=3,5864·9,81·104+1420·9,8·5·(1-0,5)·0,5=369238,59 Па ;

 

Рср3=0,1605·9,81·104+1840·9,8·5·(1-0,5)·0,5=38285,05Па .

Этим давлениям соответствует следующие температуры кипения и теплоты испарения растворителя [2]

Таблица 3

№ корпуса	Tср , °C	Pср , кгс/см2	r , кДж/кг
1	165,28	7,2192	2071,04
2	140,5	3,7639	2148,2
3	74,73	0,3903	2321,6

 

Определим гидростатическую депрессию по корпусам (в °C)

∆''1= tcp1 – tвп1=165,28-164,5=0,78 °C ;

 

∆''2= tcp2 – tвп2=140,5-139=1,5 °C ;

 

∆''3= tcp23– tвп3=74,73-55=19,73 °C .

Сумма гидростатических депрессий

SD"=∆''1+∆''2+∆''3=0,78+1,5+19,73=22,01 °C .

Температурную депрессию ∆' определим по уравнению

/=1,6210-2/атмТ2/rвп,

Где T- температура паров в среднем слое кипятильных труб, К,

      ∆'ат – температурная депрессия при атмосферном давлении [4]

Находим значение ∆'  по корпусам (в °C)

∆'  1=1,62·10-2·13,392·(273+165,28)/2071,04=20,12 °C ;

 

∆'  2=1,62·10-2·25,96·(273+140,5)/2148,2=33,47 °C ;

 

∆'  3=1,62·10-2·106,6·(273+74,73)/2321,6=89,94 °C .

 

Сумма температурных депрессий

SD'=∆'1+∆'2+∆'3=20,12+33,47+89,94=143,53 °C

 

Температуры кипения растворов в корпусах равны (в °C)

tк1 = tг2+D1``` +D1``+D1` =163,5+20,12+0,78+1=185,4 °C ;

 

tк2 = tг3+D1``` +D1``+D1` =138+33,47+1,5+1=173,97 °C ;

 

tк3 = tбк+D1``` +D1``+D1` =54+89,94+19,73+1=164,67 °C .

 

4.3 Полезная разность температур

Общая полезная разность температур равна:

SDtп=Dtп1+Dtп2+Dtп3 .

Полезные разности температур по корпусам (в °C) равны

Dtп1=tг1- tк1=180-185,4= -5,4 °C ;

 

Dtп2=tг2- tк2=163,5-173,97= -10,47 °C ;

 

Dtп3=tг3- tк3=138-164,67= -26,67 °C .

 

Тогда общая полезная разность температур