ВВЕДЕНИЕ
В химической и смежной с ней отраслях промышленности жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения, величина критического теплового потока и др.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся, нетермостойкие растворы и др.). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.
Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней в многокорпусной выпарной установке. В общем случае такой выбор является задачей оптимального поиска и выполняется технико-экономическим сравнением различных вариантов с использованием ЭВМ.
В приведенном ниже типовом примере расчета трехкорпусной установки, состоящей из выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (с соосной камерой) и кипением раствора в трубах, даны также рекомендации по расчету выпарных аппаратов некоторых других типов с принудительной циркуляцией, вынесенной зоной кипения, пленочных.
Рис. 4.1. Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки:
1 – емкость исходного раствора; 2, 10 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – 6 – выпарные аппараты; 7 – барометрический конденсатор; 8 –вакуум-насос; 9 – гидрозатвор; 11 – емкость упаренного раствора; 12 — конденсатоотводчик
Принципиальная схема трехкорпусной выпарной установки показана на рис. 4.1. Исходный разбавленный раствор из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3 (где подогревается до температуры, близкой к температуре кипения), а затем — в первый корпус 4 выпарной установки. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения в выпарном аппарате 4.
Первый корпус обогревается свежим водяным паром. Вторичный пар, образующийся при концентрировании раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего во второй корпус 5. Сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из 1-го корпуса. Аналогично третий корпус 6 обогревается вторичным паром второго и в нем производится концентрирование раствора, поступившего из второго корпуса.
Самопроизвольный перетек раствора и вторичного пара в следующие корпуса возможен благодаря общему перепаду давлений, возникающему в результате создания вакуума конденсацией вторичного пара последнего корпуса в барометрическом конденсаторе смешения 7 (где заданное давление поддерживается подачей охлаждающей воды и отсосом неконденсирующихся газов вакуум-насосом 8). Смесь охлаждающей воды и конденсата выводится из конденсатора! при помощи барометрической трубы с гидрозатвором 9. Образующийся в третьем корпусе концентрированный раствор центробежным насосом 10 подается в промежуточную емкость упаренного раствора 11.
Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов выводится с помощью конденсатоотводчиков 12.
Задание на проектирование. Спроектировать трехкорпусную выпарную установку для концентрирования Gн = 40 000 кг/ч (11,12 кг/с) водного раствора КОН от начальной концентрации xн = 5 % до конечной xк = 40 % при следующих условиях:
1) обогрев производится насыщенным водяным паром давлением
Pгl = 1,079 МПа;
2) давление в барометрическом конденсаторе Pбк = 0,0147 МПа;
3) выпарной аппарат-тип 1, исполнение 2 (см. Приложение 4.1);
4) взаимное направление пара и раствора — прямоток;
5) отбор экстрапара не производится;
6) раствор поступает в первый корпус подогретым до температуры кипения.
4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяют по основному уравнению теплопередачи:
(4.1)
Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи K и полезных разностей температур Dtп необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.