Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3 - OXFORDST.RU

Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3

Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3 (стр. 1 из 6)

«Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3»

Рассчитать и запроектировать по следующим данным:

1. Производительность по сырью – 10 т/ч

2. Концентрация раствора: начальная – 10%, конечная – 27%

3. Число корпусов – 3

4. Давление греющего пара – 4 ата= 392266Па

5. Давление в последнем корпусе – 0,2 ата= 19613,3Па

6. Температура воды на входе в конденсатор — 8℃

7. Начальная температура раствора – tкип=101,5℃

8. Коэффициент теплопередачи определить расчетом

Введение

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

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

Выпаривание может проводится под вакуумом, избыточным давлением и под атмосферным давлением. При выпаривании под вакуумом существуют несколько преимуществ:

· Понижение температуры кипения раствора;

· Увеличивается движущая сила процесса;

· Возможно использования греющего пара более низкого давления;

Недостатки выпаривания под вакуумом:

Вакуумная выпарная установка должна содержать дополнительное оборудование: барометрический конденсатор, вакуум-насос, вакуумсборники.

Выпаривание при атмосферном давлении: вторичный выбрасывается в атмосферу, но наименее экономичный способ выпаривания.

При выпаривании под повышенным давлением температура раствора повышается (повышается температура вторичного пара, а его используют для других целей.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м 2 в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В данном курсовом проекте для расчетов принята прямоточная трехкорпусная выпарная установка. Конструкция выпарного аппарата: с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. Выбор конструкции обусловлен малой вязкостью выпариваемого раствора, повышенной интенсивностью выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Нитрат натрия (чилийская селитра) применяют как удобрение, в производстве солей Na и нитритов, как компонент закалочных ванн в металлообрабатывающей промышленности, теплоаккумулирующих составов, окислитель в ВВ, в ракетных топливах, пиротехнических составах, в производстве стекла, как компонент жидких солевых хладагентов (селитряной смеси), консервант пищевых продуктов.

1.1 Выпаривание

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ ( водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара — некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.)

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

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

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным.

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного грею чего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуотационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.

Вторичной пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Курсовая выпарка. Пояснительная записка к курсовому проекту Проектирование однокорпусной выпарной установки непрерывного действия для выпаривания раствора нитрата натрия

Министерство здравоохранения и социального развития Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургская государственная химико-фармацевтическая академия

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

«Проектирование однокорпусной выпарной установки непрерывного действия для выпаривания раствора нитрата натрия»

Исполнитель:

Студентка 570 группы

Тарасова Ксения Игоревна

Руководитель:

Рубцова Лариса Николаевна

Задание

Вариант № 315
Рассчитать и спроектировать однокорпусную выпарную установку непрерывного действия. Тип аппарата по выбору.
Производительность установки по разбавленному раствору NaNO3 – 11 т/сут.

Начальная концентрация – 9%, конечная концентрация – 32%.

Начальная температура раствора 19 °С

Температура охлаждающей воды 25 °С

Температура отработанной воды 31 °С
Оглавление

  1. Введение

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.
Выпариванию подвергаются растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и т.д.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания малым давлением пара – некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения.

Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.
Выпарные аппараты — это чаще всего емкостные аппараты с рубашкой для обогрева или с внутренними нагревательными устройствами типа змеевика (иногда также возможно наличие перемешивающих устройств). Теплота, необходимая для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Читайте также  Защита персональных данных работника

Выпаривание может происходить непрерывно и периодически. В химической промышленности применяются в основном непрерывно действующие установки. В производствах малого масштаба, а также для выпаривания растворов до высоких конечных концентраций целесообразно использовать выпарную установку периодического действия.
В данной работе приведен расчет однокорпусной выпарной установки, непрерывного действия для выпаривания раствора нитрата натрия, начальная концентрация которого составляет 9% и конечная 32%.

  1. Аппаратурная схема выпарной установки и её описание:

Исходный 9% раствор NaNO3 поступает с помощью насоса 2 из сборника 1 в теплообменник 3, где подогревается до температуры 90 0 С вторичным паром (давление 1,0 кгс/см 2 , температура 100 0 С). Далее раствор поступает в нагревательную камеру 4 выпарного аппарата. Тепло для выпаривания подводиться насыщенным водяным паром (давлением 3,0 кгс/см 2 ).

Упаренный 32% раствор NaNO3 поступает из нижней части сепаратора 5 в трубное пространство холодильника 6, где охлаждается до температуры 30 0 С (хладагент — вода при температуре 25ºС ), затем – в сборник 7.

Вторичный пар, пройдя сепаратор 5, подается в кожух теплообменника 3 для нагрева исходного, разбавленного раствора NaNO3. Часть вторичного пара отводится на технические нужды.

  1. Основные свойства исходных и конечных продуктов:

Нитра́т на́трия (азотноки́слый на́трий, натриевая селитра, чилийская селитра, натронная селитра) — натриевая соль азотной кислоты с формулой NaNO3. Бесцветные прозрачные кристаллы с ромбоэдрической или тригональной кристаллической решеткой без запаха. Вкус — резкий солёный. Применяется очень широко и является незаменимым в промышленности соединением.

  1. Выбор материалов аппаратов и трубопроводов:

Скорость коррозии материала, соприкасающегося с раствором нитрата натрия не должна превышать 0,1 мм/год. Согласно данным [7, стр. 229 в эл. документе] этому условию соответствует легированная хромовая сталь X13. Материал для элементов, контактирующих с водяным паром и конденсатом пара, выбираем углеродистую сталь.

  1. Материальный баланс:

Уравнение материального баланса процесса непрерывного выпаривания:

, где Gн, Gк – массовые расходы начального (исходного) раствора и конечного

(упаренного) раствора, кг/с; хн, хк – массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе; W – массовый расход выпариваемого растворителя, кг/с.
Массовый расход исходного (разбавленного) раствора:

Массовый расход выпариваемого растворителя (вторичного пара)

Количество концентрированного раствора:

По полученным данным составим таблицу:

Таблица 1.

Поток Расход, кг/с Массовая доля растворенного вещества, %
Исходный раствор 0,1273 9
Упаренный раствор 0,0358 32
Вторичный пар 0,0915
  1. Определение температур и давлений в основных точках технологической схемы:

Температура кипения раствора на среднем уровне:

где tср — температура кипения воды при давлении рср, 0 С;

t — температура кипения воды при давлении р, 0 С;

Δtдепр — температурная депрессия, К;

Δtг.с — гидравлическая депрессия, К;

  1. Температура вторичного пара:

На выходе из сепаратора: ; [1, табл. LVI, стр. 548].

    1. Гидравлическая депрессия:

Δtг.с – вызывается падением давления вследствие гидравлического сопротивления паропровода движению вторичного пара. Принимаем значение в 1ºК из практического интервала 0,5-1,5ºК .

Также Δtг.с связывает значения t и t1 — температуру в сепараторе вторичного пара:

    1. Температурная депрессия:

Δtдепр – температурная депрессия, выражающая повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения растворителя при том же давлении:

ºК — при ; [1, рис. XIX, стр. 568]

Температура кипения раствора в сепараторе:

    1. Гидростатическая депрессия:

Δtг.эф. – гидростатическая депрессия, представляет собой повышение температуры кипения раствора вследствие дополнительного давления столба жидкости по сравнению с давлением в сепараторе.

Чтобы рассчитать повышение температуры кипения раствора на глубине среднего слоя, т.е. Δtг.эф., надо прежде найти повышение давления на этой глубине.

, где ρр– плотность раствора, кг/м³ и ρв– плотность воды, кг/м³ при температуре кипения или, при отсутствии данных о температуре кипения, при t1; Нур – оптимальная высота уровня раствора по водомерному стеклу, м;

Нур зависит от высоты труб выпарного аппарата Нтр.

Возьмём по ГОСТ 11987-81 аппарат «Тип 1. Исполнение 3» с Нтр = 4 м;

Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO3

Задание на проектирование

«Выпарная установка для выпаривания раствора NaNO 3 »

Рассчитать и запроектировать по следующим данным:

Производительность по сырью – 10 т/ч

Концентрация раствора: начальная – 10%, конечная – 27%

Число корпусов – 3

Давление греющего пара – 4 ата= 392266Па

Давление в последнем корпусе – 0,2 ата= 19613,3Па

Температура воды на входе в конденсатор — 8℃

Начальная температура раствора – t кип =101,5℃

Коэффициент теплопередачи определить расчетом

Введение

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

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде. При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

Выпаривание может проводится под вакуумом, избыточным давлением и под атмосферным давлением. При выпаривании под вакуумом существуют несколько преимуществ:

Понижение температуры кипения раствора;

Увеличивается движущая сила процесса;

Возможно использования греющего пара более низкого давления;

Недостатки выпаривания под вакуумом:

Вакуумная выпарная установка должна содержать дополнительное оборудование: барометрический конденсатор, вакуум-насос, вакуумсборники.

Выпаривание при атмосферном давлении: вторичный выбрасывается в атмосферу, но наименее экономичный способ выпаривания.

При выпаривании под повышенным давлением температура раствора повышается (повышается температура вторичного пара, а его используют для других целей.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м 2 в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В данном курсовом проекте для расчетов принята прямоточная трехкорпусная выпарная установка. Конструкция выпарного аппарата: с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. Выбор конструкции обусловлен малой вязкостью выпариваемого раствора, повышенной интенсивностью выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Нитрат натрия (чилийская селитра) применяют как удобрение, в производстве солей Na и нитритов, как компонент закалочных ванн в металлообрабатывающей промышленности, теплоаккумулирующих составов, окислитель в ВВ, в ракетных топливах, пиротехнических составах, в производстве стекла, как компонент жидких солевых хладагентов (селитряной смеси), консервант пищевых продуктов.

1. Аналитический обзор

1.1Выпаривание

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ ( водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара — некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.)

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

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

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным .

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным .

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

Читайте также  Горизонтальный кран штабелер

Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного грею чего пара. Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуотационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.

Вторичной пар, отбираемый на сторону, называют экстра -паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах ( однокорпусных выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Применение выпарных установок в гальваническом производстве

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путём частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объёма раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.

Концентрированные растворы и твёрдые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определённые преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание растворителя (воды).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах (аммонийные соли, некоторые органические вещества и т.д.). Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата.

Применение вакуума даёт возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки (пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора), что снижает расход первичного греющего пара.

Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуется дополнительные затраты на устройство для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

Экономия первичного пара (и соответственно топлива) может быть достигнута также в выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичных пар на выходе из аппарата сжимается помощью теплового насоса (например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат для выпаривания раствора.

Выпарные установки в гальванотехнике находят применение исключительно для упаривания воды из ванн улавливания (рис.2) или промывной воды, вытекающей из многоступенчатых промывных ванн (рис.3). Использование выпарных установок в таких схемах позволяет вернуть в технологические ванны дорогостоящие компоненты и уменьшить (или полностью исключить) сброс на очистные сооружения соединений меди, никеля, хрома, цинка и др. тяжёлых металлов, резко сократив при этом затраты на очистку сточных вод.

При упаривании промывная вода концентрируется (обычно 1:10), дистиллят возвращается в промывную ванну, а концентрат направляется в технологическую ванну. При этом существует опасность постепенного увеличения концентрации примесей в технологических растворах (продуктов разложения блескообразователей, анодных шламов, продуктов коррозии деталей, упавших на дно ванны, и т.п.).

Рис. 2. Схема использования выпарной установки при ванне улавливания.

Рис. 3. Схема использования выпарной установки при трёхкаскадной ванне промывки.

Наличие таких примесей в электролитах приводит к ухудшению качества покрытий, в частности:

— питтинги или хрупкости осадков (при накоплении органических примесей),

— шероховатости осадков (при наличии механических загрязнений),

— тёмному цвету никелевых осадков (при загрязнении медью, железом, цинком),

— тёмным губчатым кадмиевым и цинковым покрытиям (при наличии свинца, олова, или никеля, железа);

— шелушению осадков (при наличии хрома и др).

Для исключения накопления примесей требуется предварительная очистка промывной воды, поступающей на упаривание. С этой целью обычно перед выпарной установкой предусматривается блок аппаратов, состоящий, например, из адсорбционного фильтра для удаления органических веществ и ионообменных фильтров. Кроме того, для подпитки ванн улавливания и многоступенчатых промывных ванн необходимо использовать деминерализованную воду, что позволяет минимизировать примеси, вносимые с водой.

Для упаривания промывной воды после операций хромирования, никелирования, меднения и др. предусматриваются локальные выпарные установки производительностью не более 25 л/ч. Выпарные установки могут находиться рядом с промывными ваннами или в отдельном помещении.

Широкое применение находят выпарные установки итальянской фирмы «Ekipo», выпускающей большой спектр испарителей с внутренними и выносными теплообменниками, работающих на паре, горячей воде или электроэнергии. Испарители с тепловым насосом — сложное и дорогостоящее оборудование. Например, выпарная установка производительностью 100 л/ч стоит 1-2 млн.руб в зависимости от применяемого материала и конструкции.

Рис. 4 — Вакуум-выпарная пульсационная установка (ВВПА).

Среди отечественных установок следует отметить вакуумные выпарные аппараты ООО «ИРЕА-ПЕНЗМАШ», выпускающего вакуумные выпарные установки (ВВА) и вакуум-выпарные пульсационные установки (ВВПА) для концентрирования жидких пищевых продуктов (молока, соков и др.), экстрактов растительного сырья и растворов фармацевтических и химических производств при низких температурах выпаривания. Производительность ВВА по испарённой воде составляет 60-120 л/ч, ВВПА — 300 л/ч. Температура упариваемого раствора не более 45±5 °С. При использовании в качестве теплоносителя пара, производительность установки увеличивается в 2,5 раза. Фото установки представлено на рисунке 4.

Рис. 5. Вакуум-выпарная установка компании «Артлайф Техно».

Компания «Артлайф Техно» разрабатывает и изготавливает из зеркальной нержавеющей стали вакуумные выпарные установки для концентрирования растворов минеральных и других солей, а также щелочей.

Базовая комплектация (рис.5) включает выпарной аппарат или аппараты, соединенные между собой в многокорпусную установку, кожухотрубчатый конденсатор для конденсации вторичного пара, систему КИПиА для контроля и регулирования параметров и систему паро- и продуктопроводов. В дополнительную комплектацию входят парогенератор электродного типа, конденсатоотводчик блочного типа оригинальной конструкции, ёмкость для исходного раствора, сборники для концентрированного раствора и сборники для конденсата вторичных паров.

Рисунок 6 — Опыт использования установки очистки сточных вод с вакуумным выпариванием

Снижение материалоёмкости и водопотребления в гальваническом производстве позволяет уменьшить его экологическую опасность и повысить экономическую эффективность.

Один из путей решения этой проблемы — применение для снижения водопотребления метода выпаривания, позволяющего использовать конденсат в промывных операциях. Этот метод имеет реальное внедрение.

На одном из Российских предприятий с годовой производительностью гальванической линии около 10000 м 2 , на которой производятся никелирование, цинкование с хроматной пассивацией, покрытие сплавом олово-висмут, химическое оксидирование алюминиевых сплавов, сточные воды направляются на установку реагентной очистки, расположенную в подвале.

Рис. 7 Вакуумная выпарная установка, модель Q — 50.

Пульпа труднорастворимых гидроксидов обезвоживается на вакуумном фильтре и после досушивания отправляется на предприятие, принимающее гальваношламы для утилизации. Осветленная вода подается на вакуумную испарительную установку, общий вид которой представлен на рис. 7, а схема функционирования — на рис. 8.

Рис. 8 Схема функционирования выпарного аппарата: 1. — компрессор; 2,6. — змеевик; 3. — выпарной аппарат; 4. — вакуум-насос; 5. — эжектор; 7. — бак; 8. — электромагнитный клапан; 9. — очищенные воды; 10. — термоклапан; 11. — раствор солей.

Компрессор (1) осуществляет сжатие паров фреона, сопровождающееся повышением их температуры. Проходя по змеевику (2) в выпарном аппарате (3), они нагревают раствор. При определенном вакууме 0,1-0,5 мм рт.ст, создаваемом вакуумным насосом (4) и эжектором (5), вода кипит и испаряется при температуре 40-45 С. Поступая в змеевик (6) и расширяясь, пары фреона охлаждаются и на поверхности змеевика происходит конденсация водяного пара, поступающего из выпарного аппарата (3). Образующийся в баке (7) конденсат подается на гальванический участок в систему промывки. По мере выпаривания раствора идет дозаправка аппарата: открывается электро-магнитный клапан (8) и раствор из внешней емкости поступает в выпарной аппарат (3).

Из выпарного аппарата периодически отводится раствор солей щелочных металлов (общее солесодержание 30-35 вес. %), не относящийся к токсичным отходам.

Рентабельность эксплуатации вакуумной выпарной установки обеспечивается минимизацией объема сточных вод, которая достигается специально разработанной схемой промывных операций [1], включающей трехступенчатые каскадные ванны и многократное использование одной и той же воды (рис.3).

Читайте также  Комплексная характеристика Бразилии

При достижении в последней ступени каскада (6) концентрации, близкой к ПДК на промывку [2], концентратомер подает сигнал на включение вентилей подачи на каскаде (6) и слива на каскаде (2), а также устройств перекачки воды при помощи сжатого воздуха (эрлифтов). Происходит одновременная замена воды во всех ваннах промывки: свежая вода поступает в промывку после покрытия (6), вода из которой поступает в промывку после травления (4), а промывная вода после травления — в каскад промывки после обезжиривания (2). Из этого каскада происходит слив на очистную установку. После этого проток в ваннах промывки отсутствует вплоть до достижения ПДК в последней ступени каскада (6).

Система обеспечивает минимально возможный объем водопотребления в промывных операциях и качественную промывку. Автоматическая подача воды исключает ее бесконтрольное потребление.

Описанная система очистки сточных вод эксплуатируется на предприятии с октября 2004 года. Внедрение метода вакуумного выпаривания позволило резко снизить водопотребление на гальваническом участке и повысить культуру производства.

СПОСОБЫ ВЫПАРИВАНИЯ

В пищевых производствах применяют однократное выпари­вание, которое проводится непрерывным способом или периоди­ческим, многократное выпаривание, проводимое непрерывно, и выпаривание с использованием теплового насоса.

Все указанные процессы проводят как под давлением, так и под вакуумом в зависимости от параметров теплоносителя и свойств выпариваемых растворов.

В качестве теплоносителя обычно используют насыщенный водяной пар. В редких случаях используют электрический обо­грев, а также нагревание промежуточными теплоносителями (перегретой водой, дифенильной смесью, маслом).

Нагревание выпариваемого раствора производится в боль­шинстве случаев путем передачи теплоты от теплоносителя через стенку, разделяющую их.

Однократное выпаривание проводится в установке, показан­ной на рис.1. Такие установки применяются в малотоннаж­ных производствах. Однократное выпаривание может проводиться непрерывно или периодически. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не используется, а конденси­руется в конденсаторе.

Основными аппаратами установки являются выпарной аппа­рат, подогреватель, барометрический конденсатор и насосы.

Выпарной аппарат состоит из верхней части — сепаратора и нижней — греющей камеры, которая представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В трубчатом пространстве находит­ся кипящий раствор, а в межтрубчатое подается греющий пар. В сепараторе с отбойниками происходит отделение капелек от вторичного пара, которые затем конденсируются. Конденсат вместе с охлаждающей водой удаляется через барометрическую трубу в колодец. Концентрированный раствор с заданной концентрацией хк непрерывно откачивается из нижней части выпар­ного аппарата в хранилище готового продукта.

Рис. 1. Установка однократного выпаривания непрерывного действия: 1, 8 — насосы; 2 — расходомер; 3 — теплообменник; 4 — выпарной аппарат; 5 — баро­метрический конденсатор; 6 — ловушка; 7 — барометрическая труба

Материальный баланс однократного выпаривания (рис. 12.2) выражается двумя уравнениями:

по всему веществу

Gн =G к+W и по растворенному твердому веществу

где Gн—количество поступающего раствора, кг/ч; Gк—количество упаренного раствора, кг/ч; W — количество выпариваемой воды, кг/ч; хн и хк — соответст­венно начальная и конечная концентрации раствора, мас. %.

Многократное выпаривание проводится в ряде последователь­но установленных выпарных аппаратов. Такие установки назы­вают многокорпусными. С целью экономии греющего пара в вы­парных установках многократного выпаривания в качестве греющего пара во всех корпусах, кроме первого, используется пар из предыдущего корпуса.

Удельный расход греющего насыщенного водяного пара со­ставляет: для однокорпусной установки 1,1 —1,2 кг пара на 1 кг выпаренной воды; для двухкорпусных установок около 0,55 для трехкорпусных — около 0,4, для четырехкорпусной установки около 0,3 кг пара на 1 кг выпаренной воды.

Многократное выпаривание возможно осуществить при ис­пользовании греющего пара высокого давления либо при приме­нении вакуума в выпарной установке.

Давление в корпусах установки должно поддерживаться та­ким образом, чтобы температура поступающего в корпус пара была выше, чем температура кипения раствора в этом корпусе. Оптимальное давление греющего пара в последнем корпусе опре­деляется технико-экономическим расчетом.

Выпаривание под избыточным давлением связано с повыше­нием температуры кипения раствора. Поэтому требуется грею­щий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяется для концентрирования термически стойких рас­творов.

При выпаривании под избыточным давлением требуется авто­матическое регулирование давления пара и плотности упарен­ного раствора, но установка в целом несколько упрощается, так как отпадает

необходимость в постоянно действующем кон­денсаторе.

Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раство­ра на прямоточные, противоточные и комбинированные.

На рис. 2. показана схема прямоточной много­корпусной выпарной установки.Исходный раствор в количестве Gн кг/ч с концентрацией хк мас. % из хранилища насосом подается в теплообменник, где подогревается до тем­пературы кипения (на схеме не показаны), и поступает на вы­паривание в первый корпус, в котором концентрируется до за­данной концентрации хк1. При этом из первого аппарата удаля­ется W1 кг/ч вторичного пара. Далее раствор поступает в по­следующие корпуса установки, где концентрируется во втором корпусе до концентрации хк2, в третьем — до хк3 и так до конеч­ной заданной концентрации. Соответственно из корпусов удаля­ется вторичного пара W2, W3, . Wn кг/ч, где n — число кор­пусов. Из последнего корпуса вторичный пар поступает в баро­метрический конденсатор.

Как видно из схемы, выпариваемый раствор и вторичный пар движутся в одном направлении.

Преимуществом прямоточной схемы является то, что раствор самотеком перетекает из корпуса с более высоким давлением в корпус с меньшим давлением.

Недостатком прямоточных установок является более низкий

средний коэффициент теплопередачи, чем в противоточных уста­новках.

В первом корпусе слабый раствор получает теплоту от грею­щего пара наиболее высоких рабочих параметров, а в последнем корпусе концентрированный раствор выпаривается вторичным паром наиболее низкого давления. Увеличение концентрации раствора и падение давления от корпуса к корпусу уменьшают коэффициенты теплопередачи, в результате этого снижается об­щий коэффициент теплопередачи.

Рис. 2. Схема прямоточной многокорпусной установки

Схема противоточной выпарной установки показана на рис.3. Греющий пар из котельной поступает, как и в предыдущем случае, только в первый корпус, а вторичные пары обогревают все последующие корпуса. Выпариваемый рас­твор вводится в последний корпус и перемещается противотоком вторичному пару к первому корпусу. Вследствие того, что давле­ние от четвертого корпуса к первому постепенно возрастает, для перекачки раствора устанавливают центробежные насосы.

Противоточные установки в основном используются для вы­паривания растворов, вязкость которых резко увеличивается с увеличением концентрации, а также если возможно выпадение твердого вещества из раствора в последнем корпусе.

Ряд выпарных установок работает с отбором части вторич­ного пара для обогрева других технологических аппаратов, отопления цехов, теплиц, бань и т. д. Эта часть вторичного пара называется «экстрапаром».

Выпаривание с применением теплового насоса основано на использовании вторичного пара в качестве греющего в том же выпарном аппарате. Для этого температура вторичного пара должна быть повышена до температуры греющего пара. Повы­шение температуры вторичного пара достигается сжатием его в компрессоре или паровом инжекторе. В качестве компрессора обычно используется турбокомпрессор (рис.4). Вторичный пар с давлением рвт и энтальпией i, выходящий из выпарного аппарата, засасывается в турбокомпрессор, в котором сжимается до давления р1. Энтальпия при этом возрастает до i сж. Таким образом, за счет сжатия пар приобретает теплоту.

Рис. 3. Схема противоточной многокорпусной установки

Рис. 4. Выпарной аппарат (1) с Рис. 5. выпарной аппарат (1) с турбокомпрессором (2) инжекторным тепловым насосом (2) (2)

В установках с паровым инжектором (рис.5) греющий пар из котельной поступает в паровой инжектор. Паровой инжектор представляет собой несложное устройство типа сопла Вентури, не требующее значительных затрат металла. За счет создания вакуума в инжектор засасывается вторичный пар давлением рвт и энтальпией ( из выпарного аппарата. Каждая массовая едини­ца греющего пара засасывает m массовых единиц вторичного пара. В результате получают греющий пар в количестве D(1 +m) с давлением меньшим, чем давление греющего пара, но боль­шим, чем вторичного пара. Часть пара, равная W — mD, сбрасы­вается с установки на побочные нужды.

Выпарные установки с инжектором применяются для выпари­вания растворов с низкой температурной депрессией и высоким давлением вторичного пара. С уменьшением давления вторичного пара увеличивается адиабатический перепад теплоты при сжатии и соответственно уменьшается коэффициент инжекции. При этом расход греющего пара увеличивается и использование вы­парных установок с паровым инжектором становится нерацио­нальным.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается процесс выпаривания? Какие растворы концентри­руют выпариванием?

2. От чего зависит температурная депрессия и как она рассчитывается?

3. Какими методами в промышленности осуществляется процесс выпари­вания?

4. От чего зависит количество выпаренной воды?

5. Как определяется расход греющего пара при выпаривании? На что в основном расходуется греющий пар?

6. Чем отличается полезная разность температур от общей разности?

7. Из чего складывается сумма потерь общей разности температур (де­прессий)?

8. Какие имеются способы экономии греющего пара при выпаривании?

9. За счет чего происходит экономия греющего пара в многокорпусных выпарных установках?

10. В чем заключается расчет выпарных установок?

11. Какие конструкции выпарных установок применяются в промышлен­ности?

12. Дайте технико-экономическую оценку работы выпарных аппаратов с естественной и принудительной циркуляцией раствора.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: