Многоступенчатые выпарные установки Майоров В.В Портнов В.В

(t'

−ϑ )

0.5

K

B

C i"

nопт =60

n

1

n

+

n

, (2)

(t"B −t'B )

Aχ (i"

−i'

)−

Gнco

(ϑ

−ϑ )

0,85

cB

n

p,n

W

o

n

где K n - коэффициент теплопередачи в последней сту-

пени выпарной установки, Вт/(м2·К). На рис. 3 показаны обычные пределы изменения коэффициента теплопередачи для вертикальных выпарных аппаратов с естественной и принудительной циркуляцией выпариваемого раствора, значениями которых можно пользоваться для предварительных расчетов [2]. Высокие коэффициенты теплопередачи имеют место при выпаривании разбавленных растворов, а низкие – при выпаривании вязких высококонцентрированных растворов. Штриховая линия на рис.3 приближенно представляет нижний предел для растворов с вязкостью µ ≈ 0,1 Па·с.

χ - поправочный коэффициент, учитывающий умень-

шение коэффициента теплопередачи от ступени к ступени МВУ; можно принимать χ =1 ;

t1' - температура насыщения греющего пара на входе в установку, °С;

i"n - энтальпия вторичного пара в последней ступени

установки, Дж/кг. Определяется из [3] по давлению вторичного пара в последней ступени PK , бар;

i'p,n - энтальпия кипящего раствора в последней ступени установки, Дж/кг. Ориентировочная величина i'p,n определяет-

ся следующим образом:

а) из [3] по давлению PK определяется температура вторичного пара последней ступени установки t K , °С;

13

Кn, Вт/(м2 К)
4000	Принудительная
3500	циркуляция
3000
2500						Естественная
2000						циркуляция
1500
1000
500
40	50	60	70	80	90 100 110	ϑn , 0C
Рис.3 Пределы изменения коэффициентов теплопереда-
чи для вертикальных выпарных аппаратов с естествен-
ной и принудительной циркуляцией

б) из [4,7,13] по конечной концентрации раствора b K

определяется нормальная физико-химическая температурная депрессия для данного раствора ∆1 , °C ;

в) по формуле И.А. Тищенко определяется действительная физико-химическая температурная депрессия для рас-

твора в последней ступени МВУ (∆1 )n :

14

(∆	1	)	= 0,01622	(tK + 273,16)2	∆	1	, °С,	(3)
		n		rn
где rn			- теплота парообразования вторичного пара по-

следней ступени, кДж/кг. Определяется из [3] по давлению PK . В случае противоточной схемы МВУ физико-химическая

температурная депрессия (∆1 )n вычисляется по начальной концентрации раствора bn , давлению вторичного пара PK и его теплоте парообразования rn и с использованием формулы

И.А.Тищенко; г) гидростатическая температурная депрессия в послед-

ней ступени (∆2 )n может быть для предварительных расчетов

выбрана в пределах 2…5 °С, причем большая цифра относится к высококонцентрированным растворам;

д) температура кипения раствора в аппарате последней ступени определяется по соотношению:

ϑn = t k + (∆1 )n + (∆2 )n , °С;

(4)

е) по конечной концентрации раствора bk и температуре ϑn из [4,27,30] или из Приложения 2 определяется средняя теплоемкость раствора cn Дж/(кг К). В случае противоточной схемы МВУ средняя теплоемкость раствора cn выбирается по его начальной концентрации bn и температуре ϑn ;

ж) определяется энтальпия кипящего раствора по фор-

муле:

i'p.n = cn ϑn , Дж/ кг,

(5)

15

ϑ0	- температура раствора, подаваемого в первую

ступень установки, °С. В противоточной МВУ раствор в первую ступень подается из второй ступени установки с температурой ниже температуры кипения раствора в первой ступени. Принимаем температуру кипения раствора в первой ступени на 8..12 0С ниже температуры насыщения греющего пара на

входе в установку, тогда tн1 = t1' −(8..12), 0С. Далее предвари-

тельно принимаем разность температур кипения раствора в первой и второй ступенях установки порядка 6..10 0С; тогда

ϑ0 = tн1 −(6..10), 0С;

G n - расход начального раствора на установку, кг/ч; c0 - теплоемкость начального раствора, Дж/(кг К). Оп-

ределяется из [4,27,30] или из Приложения 2 по концентрации bн и температуре ϑ0 раствора, подаваемого в МВУ;

cв - теплоемкость охлаждающей воды для конденсато-

ра МВУ, Дж/(кг К). Определяется из [4] по средней температуре воды в конденсаторе;

t′в - начальная температура охлаждающей воды, °С; t 'в' -

конечная температура охлаждающей воды, °С. Разница между температурами конденсации вторичного пара и уходящей воды составляет в противоточных конденсаторах

δ = tk −t''в =1..3 °С, а в прямоточных δ =5..6 °С. После конден-

сатора в естественные водоемы рекомендуется сбрасывать воду с температурой не более 60 °С;

А – стоимость обслуживания, ремонта и автоматизации 1 м2 поверхности теплообмена МВУ, руб/(м2 ч);

В – стоимость греющего пара, руб/кг; С – стоимость охлаждающей воды, руб/кг.

В первую очередь формула (2) применима для МВУ с аппаратами принудительной циркуляции. В аппаратах с естественной циркуляцией раствора гидродинамика и теплообмен

16

целиком определяются величиной полезной разности температур ∆tпол , а с увеличением числа ступеней МВУ эта величина

на каждую ступень уменьшается.

При выпаривания растворов с вязкостью до 0,002 Па с в аппаратах с естественной циркуляцией ∆tпол на ступень дол-

жен составлять 10..15 °С, при увеличении

вязкости до

0,005 Па с ∆tпол увеличивается на 7..9 °С. В аппаратах с принудительной циркуляцией минимальная ∆tпол может быть равной 6..8 °С на ступень.

3. ВЫБОР ТИПА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Наибольшее распространение в промышленности получили типы выпарных аппаратов, у которых греющий пар направляется в межтрубное пространство греющей камеры, а в трубках кипит выпариваемый раствор:

1.Аппараты с естественной циркуляцией.

2.Аппараты с принудительной циркуляцией.

3.Прямоточные (пленочные) аппараты.

1. Наиболее часто на промышленных предприятиях встречаются аппараты с естественной циркуляцией. К ним относятся аппараты системы Роберта с центральной внутренней циркуляционной трубой (рис.4) и аппараты с внешними циркуляционными трубами (рис.5), у которых полностью устранен нагрев раствора в опускных каналах.

Для того чтобы снизить потери на трение в циркуляционной трубе, площадь сечения циркуляционной трубы должна быть такой же, как и суммарная площадь сечения кипятильных трубок.

Выпарные аппараты с подвесной греющей камерой (рис.6) применяются для выпаривания кристаллизующихся,

17

агрессивных и умеренно вязких растворов. В таких аппаратах вследствие большого сечения кольцевого канала между обечайкой и внутренней паровой камерой улучшена циркуляция раствора, а свободная подвеска греющей камеры исключает нарушение герметичности вальцовочных соединений кипятильных труб.

Преимущества аппаратов с естественной циркуляцией:

1.Высокий коэффициент теплопередачи при большой разности температур.

2.Простота механической очистки от накипи.

3.Относительно невысокая стоимость.

Недостатки аппаратов с естественной циркуляцией:

1.Низкий коэффициент теплопередачи при малой разности температур и низкой температуре кипения.

2.Плохая теплопередача при выпаривании вязких жидкостей.

3.Большие производственные площадь и масса.

4.Относительно большое время пребывания продукта в аппарате.

Области применения аппаратов с естественной циркуляцией:

1.Выпаривание чистых растворов.

2.Выпаривание малоагрессивных жидкостей (корпус из химически стойких материалов имеет очень высокую стоимость).

3.Выпаривание растворов, образующих мягкую накипь, допускающую механическую очистку поверхности теплообмена.

18

Вторичный пар

	Исходный
	раствор
	Греющий	Греющий
	пар
		пар
	Конденсат

Упаренный раствор

Рисунок 4

19

		Dс	H
	c
	H
	Dс		в
			H
l	Dк
	Dц	Dк	Dц

Рисунок 5

20

Рисунок 6. Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой

21

2. Аппараты с принудительной циркуляцией (рис. 7) применяются для выпаривания растворов повышенной вязкости, когда 0,008 ≤µ ≤ 0,1 Па с, а также для устранения инкру-

стаций на поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизирующихся растворов за счет увеличения скорости циркуляции до 2..3 м/с.

В этих аппаратах скорость раствора должна быть не менее 1,2 м/с и не более 3 м/с. Нижний предел устанавливается началом солевых отложений, верхний – превышением расходов на электроэнергию для перекачки над экономией в затратах на поверхность теплообмена за счет повышенной скорости раствора.

Большинство выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией составляют аппараты с выносной греющей камерой (рис. 8). Часто у выпарных аппаратов этого типа греющая камера горизонтальная. Это обычно двухходовой кожухотрубный теплообменный аппарат (рис. 9).

Преимущества аппаратов с принудительной циркуля-

цией:

1.Высокий коэффициент теплопередачи.

2.Повышенная скорость циркуляции.

3.Относительно медленное отложение кристаллов, накипи и загрязнение греющей поверхности (со стороны раствора).

22