122979 (Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой)

Введение

Теплообменом называется процесс переноса теплоты, происходящий между телами, имеющими различную температуру. В результате передачи теплоты происходят: нагревание – охлаждение, парообразование – конденсация, плавление – кристаллизация. Теплообмен имеет важное значение для проведения процессов выпаривания, сушки, перегонки и др.

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур.

Вещества и тела, участвующие в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители с более высокой температурой, отдающие теплоту в процессе теплообмена, называются горячим теплоносителем. Вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту в процессе теплообмена, называются холодными теплоносителями.

Существует два основных способа проведения тепловых процессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносителей обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо, поэтому способ применяется редко, хотя он проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена и является основным расчетным конструктивным параметром теплообменных аппаратов (теплообменников).

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ или мало летучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

В ряде случаев при выпаривании растворов твёрдых веществ достигается насыщение раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, то есть выделение из него растворенного твёрдого вещества. Применяется для концентрирования растворов нелетучих веществ.

Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.

В промышленности в большинстве случаев выпариваются водные растворы различных веществ.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Для нагрева выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев, но наибольшее применение находит водяной пар (характеризуется высоким коэффициентом теплоотдачи).

Выпаривание ведут как под атмосферным, так и под пониженным или повышенным давлением.

Используют в производстве минеральных удобрений, сахара, кормовых дрожжей. Также применяют при концентрировании водных растворов щелочей (едкое кали и едкий натр), солей.

2. Техническая часть

1.1 Сравнительная характеристика аппаратов для данного процесса

Теплообменники – устройства, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами.

В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые реакции: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение, затвердевание и сложные комбинированные процессы. Теплообменные аппараты применяются практически во всех отраслях промышленности и, в зависимости от назначения, называются подогревателями, испарителями, конденсаторами, регенераторами, парообразователями, кипятильниками, выпарными аппаратами и т.д.

В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные, жидкие и твердые среды.

Установки, состоящие из одиночного аппарата вторичный пар, из которого не используется (при выпаривании под атмосферным давлением или при разряжении) или используется вне аппарата, называются однокорпусными выпарными установками.

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединённых друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Образующийся в первом корпусе вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже и т.д., вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор или используется вне установки.

Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), это позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.

Устройство выпарных аппаратов.

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб. Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

а) кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

б) сепаратор – пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в сепараторе составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

1. Выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

2. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

3. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

4. Плёночные выпарные аппараты.

Выпарные аппараты со свободной циркуляцией.

В этих аппаратах неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб. К данной группе относятся аппараты, выполненные в виде чаш или котлов, поверхность теплообмена образована стенками аппарата.

Рисунок 1. Выпарной аппарат с горизонтальными трубами

Выпарные аппараты с горизонтальными трубами (пар пропускается по трубам, жидкость – снаружи труб) могут быть изготовлены со значительными поверхностями теплообмена – до 800 м² и более. Для компенсации удлинения труб и разборки аппарата с целью очистки крепление труб в трубных решётках делают на сальниках или применяют U- образные трубы.

Основным недостатком является трудность очистки межтрубного пространства, вследствие чего они не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов. Кроме того, такие аппараты имеют невысокий коэффициент теплопередачи, громоздки и требуют значительного количества металла для изготовления. В настоящее время они применяются редко, вытесняясь более совершенными конструкциями.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией.

1 – циркуляционная труба; 2 – кипятильная труба.

Рисунок 2. Схема естественной циркуляции.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной (опускной) трубы 1 и обогреваемых подъёмных труб 2. Если жидкость в подъёмных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения части жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в подъёмных трубах, вследствие чего происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: подъёмные трубы → паровое пространство → опускная труба → подъёмные трубы и т. д.

Для естественной циркуляции требуется два условия:

1. Достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси необходимую скорость;

2. Достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела, возможно, малую плотность.

При небольшом уровне жидкости в опускной трубе парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб; при этом не происходит циркуляции, и работа аппарата сопровождается резким снижением производительности и быстрым покрыванием труб накипью.

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой является одной из наиболее старых, но широко распространенных конструкций.

1 – корпус; 2 – кипятильные трубы; 3 – циркуляционная труба; 4 – сепаратор; 5 – отбойник.

Рисунок 3. Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой

Греющая камера состоит из ряда вертикальных кипятильных труб 2, обогреваемых снаружи паром. По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба 3 значительно большего диаметра, чем кипятильные трубы. Греющий пар подаётся в межтрубное пространство, конденсируется и отводится из аппарата в виде конденсата. Упаренный раствор также непрерывно удаляется через штуцер, находящийся в днище аппарата. Парообразование внутри центральной трубы значительно меньше, чем в кипятильных трубах, так как за единицу объёма жидкости в ней приходится меньшая теплопередающая поверхность. Раствор выдавливается в кипятильные трубки, поднимается по ним вверх, частично выпаривается и, освобождённый вверху от пара, возвращается вниз по центральной трубе. Образующийся пар удаляется в верхней части аппарата, пройдя предварительно через каплеуловитель.

Недостатки аппарата: жёсткая конструкция греющей камеры, не имеющая температурной компенсации.

Достоинства: простота конструкции и легкость доступа для чистки и ремонта.

Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой состоит из греющей камеры 2, которая свободно подвешивается внутри корпуса 1, опираясь на лапы.