Портнов В.В. Выпаривание. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Зачастую на предприятии отсутствует источник пара

высоких параметров, а имеющийся способен обеспечить тем-

пературный перепад в каждой ступени не более 5-7 °С.

Рис. 9. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

раствора и вынесенной вертикальной греющей камерой

Так же в технологии выпаривания встречаются раство-

ры с резким увеличением вязкости в процессе концентрирова-

ния. В результате многолетних наблюдений за работой выпар-

ных установок верхний предел динамической вязкости, при

котором использование аппаратов с естественной циркуляцией

становится неэффективных, составляет 0,1 Па∙с.

Рис. 10. Выпарной аппарат с принудительной циркуляци-

ей раствора и вынесенной горизонтальной греющей каме-

рой

Во всех перечисленных выше случаях для создания

требуемой скорости раствора в аппаратах требуется примене-

ние принудительной циркуляции, которая осуществляется при

помощи насосов, помещенных снаружи или внутри аппарата.

Трубный пучок выпарного аппарата с принудительной

циркуляцией может размещаться как вертикально (рис. 8 и 9.),

так и горизонтально (рис. 10). Вследствие большой скорости

раствора парообразование происходит лишь на небольшом

участке на выходном конце трубного пучка и почти полностью

выносится в сепаратор. Так как количество жидкости, перека-

чиваемой насосом, во много раз больше количества испаряе-

мой воды, то выходящая из труб парожидкостная смесь по со-

ставу почти полностью состоит из раствора.

На рисунках 8 и 9 показаны выпарные аппараты с при-

нудительной циркуляцией раствора, у которых греющая каме-

ра представляет собой вертикальный трубный пучок: на рис. 8

с соосной, а на рис. 9 - с вынесенной греющими камерами.

На рис. 10 показан аппарат с горизонтальной греющей

камерой. Горизонтальное расположение трубного пучка по-

зволяет значительно снизить высоту аппарата. Горизонтальные

и вертикальные вынесенные греющие камеры, которых может

быть две и более, дают возможность более легкого и удобного

обслуживания аппаратов.

В случае начала кристаллизации образовавшиеся твер-

дые частицы находятся во взвешенном состоянии и выводятся

из аппарата вместе с концентрированным раствором.

При искусственной циркуляции раствора применение

скоростей ниже 1,5 м/сек нецелесообразно, так как в этом слу-

чае уровень закипания раствора в аппаратах располагается

низко и процесс выпаривания происходит примерно так же,

как и при естественной циркуляции и небольших температур-

ных перепадах.

Применение очень высоких скоростей неэкономично,

так как при скорости более 2,5 м/сек увеличение расхода элек-

троэнергии на привод насоса не окупается незначительным

уменьшением поверхности нагрева аппарата, достигнутым

благодаря увеличению коэффициента теплопередачи.

3.2.1.3.Выпарные аппараты с перемешиваемой пленкой

Для выпарки очень вязких, пастообразных и термола-

бильных растворов применяют выпарные аппараты с переме-

шиваемой пленкой. Одна из конструкций таких аппаратов по-

казана на рисунке 11. Аппарат представляет собой вертикаль-

ный цилиндрический корпус, внутри которого вращается рам-

ная мешалка с подвижными скребками. Между скребками и

поверхностью нагрева остается зазор 0,8-1 мм.

Подача и отвод греющего теплоносителя (горячая вода,

пар, другие жидкие и газообразные теплоносители) осуществ-

ляется через патрубки 1 и 2, встроенные в рубашки нагрева.

Раствор подается с помощью дозировочного насоса через пат-

рубки 3 в верхнюю часть цилиндрического корпуса, с помо-

щью распределительного устройства равномерно орошает

стенки и далее стекает в виде тонкой пленки. По мере стекания

по стенкам корпуса раствор захватывается скребками мешалки

и приводится во вращение. Вследствие этого создается турбу-

лентная пленка, которая центробежной силой отжимается к

стенкам корпуса аппарата. Раствор выпаривается, образуя на

стенках твердый продукт (или пасту), который скребками

сгружается на дно, а затем удаляется из аппарата через штуцер

4. Вторичный пар из парового пространства по патрубкам 5

направляется в конденсатор. В таких аппаратах выпаривание

может производиться и при любом давлении.

В аппарате с перемешиваемой пленкой имеется воз-

можность обрабатывать весьма вязкие продукты. Незначи-

тельное время пребывания раствора в аппарате обеспечивает

хорошее качество продукта при сгущении термолабильных

растворов. Наличие перемешивающего устройства усложняет

аппарат и делает его дорогостоящим, трудно обеспечить ма-

лые зазоры между ротором и корпусом аппарата. Кроме того,

такие аппараты отличаются небольшой производительностью,

присущей аппаратам с рубашкой обогрева.

Рис. 11. Выпарной аппарат с перемешиваемой пленкой

4. ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ

В промышленности концентрирование растворов про-

исходит в выпарных установках, основными элементами кото-

рых являются выпарные аппараты. Для обеспечения беспере-

бойной и эффективной работы установок используется раз-

личное вспомогательное оборудование: подогреватели исход-

ного раствора, конденсаторы вторичного пара, насосы, кон-

денсационные устройства, трубопроводы, средства контроля и

автоматизации.

В настоящее время технологические схемы выпарива-

ния достаточно разнообразны. Самым основным признаком,

по которому следует делить установки, является количество

ступеней выпаривания. В соответствии с этим признаком раз-

личают одноступенчатые и многоступенчатые выпарные уста-

новки.

В технической литературе часто встречаются термины

«многокорпусные» и «многоступенчатые». Эти понятия не

равнозначны. Ступени отличаются друг от друга по парамет-

рам раствора и греющей среды (давление, температура, кон-

центрация), тогда как в корпусах указанные величины одина-

ковы. При этом одна ступень может состоять из нескольких

корпусов, что чаще всего происходит при невозможности

обеспечить требуемую площадь поверхности теплообмена од-

ним стандартным аппаратом.

4.1. ОДНОСТУПЕНЧАТЫЕ УСТАНОВКИ

В промышленности одноступенчатый метод выпарива-

ния применяют в основном в случаях использования аппаратов

периодического типа.

Существуют два способа периодического выпаривания:

с поддержанием постоянного уровня раствора и без поддержа-

ния уровня. В первом случае в аппарат по мере концентриро-

вания добавляют исходный раствор, и в конце процесса в ап-

парате находится упаренный раствор в объеме, равном исход-

ному в начальный момент времени. Во втором случае исход-

ный раствор однократно загружают в аппарат, в конце процес-

са количество раствора уменьшается на величину удаленного

растворителя. В обоих случаях по окончании процесса упа-

ренный раствор сливают, а на его место вновь поступает ис-

ходная смесь.

В силу своей сложности первый вариант используется

очень редко.

Периодическая выпарка раствора проходит при непре-

рывном изменении концентрации раствора от начальной до за-

данной. С повышением концентрации изменяются и все физи-

ческие параметры раствора, что в свою очередь ведет к изме-

нению коэффициента теплоотдачи от греющей стенки к кипя-

щему раствору.

Так как интенсивность теплообмена при выпарке рас-

творов в аппаратах с паровым нагревом в основном определя-

ется значением коэффициента теплоотдачи со стороны кипя-

щего раствора, то изменение физических свойств раствора ве-

дет к изменению интенсивности теплообмена пропорциональ-

но изменению коэффициента теплоотдачи.

Таким образом, аппарат периодического действия рабо-

тает при различной интенсивности теплообмена во времени,

что затрудняет контроль и регулирование процесса его работы.

Необходимость остановки аппаратов для заполнения свежим

раствором и выгрузки готового продукта значительно снижает

время их полезной работы и производительность.

Тепловые потери в окружающую среду происходят как

вовремя нормальной работы аппарата, так и во время операций

заполнения его и спуска готового продукта. Эти операции за-

нимают значительное время в общем цикле работы аппарата,

вследствие чего относительные тепловые потери в аппаратах

периодического действия значительно больше, чем в аппара-

тах непрерывного действия

Несмотря на перечисленные сложности, в различных

отраслях промышленности находится в эксплуатации доста-

точно большое количество периодически действующих уста-

новок небольшой производительности.

Процессы теплообмена, развивающиеся в периодически

действующих аппаратах, существенно отличаются от процес-

сов, протекающих в непрерывно-действующих установках.

Поэтому рассмотрение работы периодически и непрерывно

действующих выпарных установок обычно проводится раз-

дельно.

Установки периодического действия обычно выполня-

ются в виде отдельных аппаратов, работающих параллельно

как по выпариваемому раствору, так и по потребляемому пару.

Осуществить многоступенчатую выпарную установку с

выпарными аппаратами периодического действия невозможно,

так как не удается согласовать режимы работы и производи-

тельность отдельных аппаратов.

Подробнее описание процессов, конструкции и расчет

выпарных аппаратов периодического действия рассмотрен в

[2, 4].

4.2. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ УСТАНОВКИ

На большинстве предприятий выпарка ведется в много-

ступенчатых выпарных установках, в которых вторичный пар

предыдущей ступени является греющим паром последующей.

Применением многоступенчатого выпаривания достигается

экономия греющего пара, а, следовательно, и топлива по срав-

нению с одноступенчатыми установками при одинаковых про-

изводительностях. Если приближенно принять, что в односту-

пенчатой выпарной установке в результате конденсации 1 кг

греющего пара можно выпарить 1 кг раствора, то в многосту-

пенчатой на такое же количество греющего пара приходится

большее, пропорциональное числу ступеней количество выпа-

ренного раствора. То есть расход греющего пара

ГП

, кг/с, в

многоступенчатой выпарной установке (МВУ) в выпарной ус-

тановке с

ступенями можно выразить как

ГП



(13)

где

- общее количество удаленного растворителя во

всех ступенях установки, кг/с.

В действительности эта пропорциональность нарушает-

ся по целому ряду причин: тепловые потери через изоляцию и

наружные элементы, недоиспользование тепла конденсата,

увеличение теплоты парообразования с понижением давления

пара от ступени к ступени и пр. Поэтому формула (13) преоб-

разуется к виду

ГП





(14)

где



- коэффициент, учитывающий перечисленные в

предыдущем абзаце явления; с достаточной степенью

точности для трех-четырехступенчатой МВУ можно

полагать

0,85

При проектировании новых выпарных установок необ-

ходимо грамотно и экономически обоснованно выбрать:

- греющий и охлаждающий теплоносители;

- схему предварительного подогрева раствора;

- оптимальное количество ступеней;

- схему движения раствора и греющего пара в установ-

ке;

- схему использования вторичных энергоресурсов.

В качестве греющего теплоносителя для МВУ чаще

всего применяют водяной пар от котельной («острый» пар)

или из отборов паровых турбин («мятый» пар) с давлением 0,5

– 1,0 МПа и температурой 140-180 °С. Реже используются вы-

сокотемпературные теплоносители (дифенил, даутерм, мине-

ральные масла, силиконы), дымовые или топочные газы, труб-

чатые электронагреватели.

Греющий пар для первой ступени МВУ должен иметь

такую температуру, чтобы, с одной стороны, обеспечить по-

лезный перепад температур в первом корпусе не менее 8..10 С

и чтобы, с другой стороны, располагаемая разность темпера-

тур на всей установке была достаточна для обеспечения по-

лезного перепада температур в каждой ступени и компенсации

суммарной температурной депрессии.

Для конденсации вторичных паров применяют, как пра-

вило, воду (из водоемов или систем оборотного водоснабже-

ния). В районах с дефицитом воды обоснованным является ис-

пользование конденсаторов с воздушным охлаждением.

Раствор перед поступлением на выпаривание в первую

ступень выпарной установки подогревают по возможности до

температуры кипения. Обобщенная схема подогрева пред-

ставлена на рисунке 12.

На показанной прямоточной схеме раствор последова-

тельно подогревается за счет тепла вторичного пара за послед-

ней ступенью (подогреватель 5), теплом конденсата из конден-

сатного горшка (подогреватель 4), догрев экстрапаром проме-

жуточных ступеней (подогреватели 2 и 3). Окончательный по-

догрев часто осуществляют острым паром (подогреватель 1),

конденсат которого возвращается на ТЭЦ. Подогрев раствора

до температуры кипения уменьшает площадь поверхности на-