Тепломассообменные установки промышленных предприятий и выпарные аппараты

ВВЕДЕНИЕ
Выпарной аппарат применяется для выпаривания жидкостей на основе внутреннего, внешнего или комбинированного теплообмена между взаимодействующими материальными потоками. Комбинировованный энергообмен (внешний и внутренний) используют в многоступенчатых выпарных установках, позволяющих многократно использовать пар от внешнего источника.
Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемые в про­мышленности, можно классифицировать:
 по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов);
 по ее рас­положению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной, иногда с наклонной нагревательной камерой);
 по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.);
 в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры.
Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.
Различают выпарные аппараты с неорганизованной, или свободной, направленной естественной и при­нудительной циркуляцией раствора.
Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора, и аппараты, работающие с много­кратной циркуляцией раствора.
В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие выпарные аппараты.
Целью проекта является расчет выпарного аппарата.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
 изучить особенности выпарных установок и аппаратов;
 изучить технологические схемы выпаривания растворов;
 выполнить расчеты установки.
Приступая к выбору выпарного аппарата, необходимо прежде решить вопросы о том, будет процесс выпаривания идти под давлением или под вакуумом, будет установка однокорпусной или многокорпусной, и какой греющий агент будет использован.
Концентрация жидкости подразумевает испарение растворителя, в большинстве случаев это вода. Концентрирование отличается от высушивания тем, что конечный продукт, концентрат, остается в жидком виде.

 
1 ТЕОРИЯ
По конструктивным особенностям поверхности нагрева все выпарные ап­параты можно разделить на следующие группы:
 аппараты с рубашкой;
 змеевиковые;
 трубчатые.
Наиболее простыми являются аппараты с рубашками. Это вер­тикальные полые цилиндры, снабженные нагревательной рубашкой, куда по­дается насыщенный водяной пар или горячая жидкость. Поверхность нагре­ва в этих аппаратах легкодоступна для очистки или нанесения антикоррозионного покрытия, но они отличаются малой поверхностью нагрева на единицу рабочего объема и поэтому громоздки, малопроизводительны. Они применяются редко, в основном, в производствах небольшого масштаба.
Несколько большую удельную поверхность имеют змеевиковые аппараты. Греющий пар поступает в трубы, изогнутые в виде змеевика, а кипящий раствор находится в межтрубном пространстве. Для интен­сификации процесса теплопередачи, а также для предотвращения выпаде­ния осадков в этих аппаратах (так же, как и в аппаратах с рубашкой) часто устанавливаются мешалки. Недостатком змеевиковых аппаратов является сложность очистки и ремонта змеевиков.
Трубчатые аппараты можно подразделить на аппараты с горизонтальны­ми, вертикальными и наклонными трубами.
Наиболее существенным признаком классификации выпарных аппаратов является вид циркуляции выпариваемого раствора.
Различают аппараты со свободной (неорганизованной) циркуляцией, а также с направленной естественной либо принудительной циркуляцией раствора.
Примером аппаратов со свободной циркуляцией являются аппараты с рубашкой, змеевиковые и аппараты с горизонтальной трубчатой нагревательной камерой.
Преимуществом аппаратов с горизонтальными трубами является меньшая (по сравнению с вертикальными трубами) высота слоя раствора в аппара­те, что приводит к уменьшению гидростатической депрессии. Кроме того, эти аппараты имеют большую поверхность испарения раствора, что способствует более спокойному кипению и меньшему брызгоуносу.
В настоящее время наибольшее распространение получили более совер­шенные вертикальные трубчатые аппараты с направленной циркуляцией как естественной, так и вынужденной.
В отличие от аппаратов с горизонтальными трубами здесь раствор поступает в трубы (снизу или сверху), а греющий пар - в межтрубное пространство. Движение раствора по трубам может осуществляться по-разному. По этому признаку аппараты делят на прямоточные, в которых выпарива­ние раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуля­ции, и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.
Чаще всего в промышленности применяют вертикальные аппараты с многократной циркуляцией. Циркуляция может быть естественной за счет разности плотностей кипящего и холодного растворов или вынужденной, осуществляемой при помощи насосов.

 
2 РАСЧЕТ ТРЕХСТУПЕНЧАТОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ
2.1 Тепловой расчет выпарной установки
Решение. Вначале составляем технологическую схему и проведём расчёт трёхкорпусной выпарной установки. Для проведения процесса упаривания раствора принимаем к установке трёхкорпусную прямоточную станцию. Технологическая схема выпарной установки приведена на рис.

Рисунок 2 – Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки
1 - подогреватель; 2 - выпарные аппараты; 3 - конденсатор; 5 -барометрическая труба

Раствор, предназначенный для упаривания, подаётся насосом из промежуточной ёмкости в подогреватель, где доводится до температуры кипения греющим паром из котельной. Из подогревателя раствор поступает в первый корпус, обогрев которого осуществляется также паром из котельной.
Из первого корпуса раствор поступает для концентрирования в последующие корпуса. Конечный продукт выводится из третьего корпуса в один из сборников, работающих попеременно.