Портнов В.В. Выпаривание. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 621.1.016

Портнов В.В. Выпаривание: учеб. пособие / В.В. Порт-

нов. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный тех-

нический университет», 2011. 105 с.

В учебном пособии рассмотрены основные свойства

растворов, дано описание процессов выпаривания, их аппарат-

ное оформление, методы расчета и оптимизации, рассмотрены

основные схемы выпарных установок.

Издание соответствует требованиям Государственного

образовательного стандарта высшего профессионального обра-

зования по направлению 140100 «Теплоэнергетика», специаль-

ности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», дисциплине

«Технологические энергоносители предприятий».

Предназначено для студентов очной формы обучения.

Ил. 30. Библиогр.: 8 назв.

Научный редактор канд. техн. наук, доц. С.В. Дахин

Рецензенты: кафедра промышленной энергетики

Воронежской государственной

технологической академии (зав. кафедрой

д-р техн. наук, проф. В.В. Шитов);

д-р техн. наук, проф. Н.В. Мозговой

 Портнов В.В., 2011

 Оформление. ГОУВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2011

ГОУВПО

«Воронежский государственный технический

университет»

В.В. Портнов

ВЫПАРИВАНИЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2011

ВВЕДЕНИЕ

Высокие темпы энергопотребления в последнее время

привели к необходимости создания высокоэффективных уст-

ройств для выработки, передачи и преобразования различных

видов энергии. Значительной частью этих устройств являются

промышленные тепло- и массообменные установки.

В их развитие огромный вклад вносили и продолжают

вносить отечественные ученые. Основы промышленных уста-

новок были заложены еще в 19 веке трудами Д.И.Менделеева,

В.В. Морковникова, Н.В. Булыгина.

В 20 столетии эти традиции были продолжены дости-

жениями советских и российских ученых: И.А. Тищенко, А.В.

Лыкова, С.С. Кутателадзе, А.Н. Плановского, В.В. Кафарова,

И.И. Гельперина и многих других.

Данное учебное пособие продолжает начатую серию

учебных пособий по курсу ТМООП и представляет еще одну

категорию тепломассобменных устройств: выпарные аппараты

и установки. Рассматриваются их основные конструкции, ме-

тоды расчета, описываются процессы, протекающие во время

работы аппаратов.

Материал учебного пособия соответствует программе

подготовки дипломированных специалистов по направлению

650800 «Теплоэнергетика». Пособие ориентировано главным

образом на изучение студентами специальности 140104 «Про-

мышленная теплоэнергетика» дисциплины «Тепломассооб-

менное оборудование предприятий». Пособие может быть так

же использовано студентами других специальностей и специа-

листами, работающими в данной отрасли.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫПАРИВАНИИ

В природе подавляющее количество веществ находятся

не в чистом виде, а в виде смесей с другими веществами. Од-

ной из разновидностей смесей являются растворы.

С точки зрения физической химии раство

р — гомоген-

ная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя

компонентами, один из которых называется растворителем, а

другой растворимым веществом. Растворитель может быть

жидким, твѐрдым (твѐрдый раствор), газообразным. Чаще под

раствором подразумевается жидкое вещество, например рас-

твор соли или спирта в воде (или даже раствор золота в ртути

— амальгама).

Отличительной особенностью растворов является раз-

мер частиц растворенного вещества. К истинным растворам

относят те, в которых степень дробления (диссоциации) рас-

творенного вещества менее 1·10

−9

м.

Методы разделения растворов на чистые составляющие

компоненты зависят в первую очередь от свойств этих компо-

нентов. В случае, когда растворенное вещество является неле-

тучим, основным способом разделения является термический

способ. Нелетучими называют вещества, обладающие ничтож-

но малым давлением паров при температуре рассматриваемого

процесса. Такими являются практически все твердые вещества

и некоторые высококипящие жидкости (например глицерин

или серная кислота).

Сущность термического метода заключается в нагреве и

кипячении исходного раствора, в результате чего летучий рас-

творитель переходит в парообразную форму, а нелетучее ве-

щество остается в жидкости. Это сущность метода выпарива-

ния.

В промышленности в понятие выпаривание входят сра-

зу несколько процессов:

- концентрирование («упаривание») растворов;

- выделение из раствора растворителя (дистилляция);

- кристаллизация растворенных веществ.

Выпаривание осуществляется также для совместного

достижения нескольких целей.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теп-

лоносителями, применяемыми при нагревании. В подавляю-

щем большинстве случаев в качестве греющего агента при вы-

паривании используют водяной пар, который называют грею-

щим или первичным. В качестве первичного могут использо-

ваться: пар, получаемый из парогенератора («острый» пар),

отработанный пар («мятый» пар) или пар промежуточного от-

бора паровых турбин. Пар, образующийся при выпаривании

кипящего раствора, называется вторичным или соковым.

Выпарку можно осуществлять в открытом или закры-

том сосуде, наполненном раствором, подводя к нему тепло и

удаляя образующиеся в процессе кипения пары растворителя.

Вторичный пар в зависимости от того давления, при котором

он получен, может обладать достаточно высоким потенциа-

лом. Это, в свою очередь, позволяет использовать его для дру-

гих технологических целей.

Вторичный пар может быть различных параметров.

Увеличение его температуры и давления связано с соответ-

ствующим повышением давления греющего пара, что приво-

дит к его удорожанию. Также увеличивается при этом и стои-

мость выпарного аппарата, так как повышение давления в ап-

парате влечет за собой утолщение его стенок.

Для многих растворов чрезмерное повышение темпера-

туры кипения недопустимо, так как при этом ухудшается каче-

ство получаемого продукта («термолабильные» растворы).

Понижение же давления в пространстве над раствором хоть и

снижает параметры греющего пара, но приводит к затратам

энергии для поддержания вакуума.

Таким образом, температуры теплоносителя и кипения

раствора следует выбирать в каждом отдельном случае с уче-

том свойств выпариваемых растворов, минимальной стоимо-

сти выпарной установки и наименьших эксплуатационных

расходов.

Образующийся в выпарных аппаратах вторичный пар

зачастую используется в каком-либо другом теплообменном

устройстве. Например для выпаривания того же раствора. В

этом случае устанавливают несколько последовательно соеди-

ненных выпарных аппаратов. Вторичный пар из любого пре-

дыдущего аппарата является греющим паром в последующем

за ним аппарате. Эта схема использования вторичного пара

реализуется в многоступенчатых выпарных установках. В

промышленности используют одно- и многоступенчатые уста-

новки. Последние отличаются высокой экономичностью ис-

пользования энергии, а удельный расход тепла в них сущест-

венно уменьшается с ростом числа ступеней испарения.

Другое возможное использование вторичного пара –

отбор его полностью или частично для нужд теплофикации

или для использования в других технологических процессах.

Такой пар носит название экстрапар.

В промышленных масштабах реализуются три метода

выпаривания растворов:

- парообразование на поверхности теплообмена;

- адиабатное испарение;

- испарение при контакте с теплоносителем.

Выпарные установки можно разделить на установки, в

которых раствор контактирует с поверхностью нагрева, и ус-

тановки, в которых раствор не контактирует с ней. Первые

подразделяются на установки с кипением на поверхности на-

грева и на установки адиабатного испарения в камерах при по-

ниженном давлении.

В установках, где раствор не контактирует с поверхно-

стью нагрева, тепло передается промежуточному гидрофобно-

му теплоносителю (жидкому, твердому либо газообразному),

который при непосредственном контакте испаряет или нагре-

вает раствор. Затем нагретый раствор подают в камеры адиа-

батного испарения. В выпарном аппарате контактного типа

образующиеся пары отделяются от твердого или жидкого теп-

лоносителя. При использовании газового теплоносителя пары

образуют с ним парогазовую смесь. Степень концентрирова-

ния раствора в установках контактного типа существенно по-

вышается, так как отложения на поверхностях нагрева практи-

чески отсутствуют.

2. СВОЙСТВА РАСТВОРОВ

Концентрацией или составом раствора в технике вы-

парки называют весовое количество твердых веществ, раство-

ренных в определенном весовом или объемном количестве

раствора или растворителя. Состав раствора может быть отне-

сен либо к единице массы раствора либо к единице массы рас-

творителя. Чаще всего использую первую, т.е. отнесенную к

единице массы раствора.

Если раствор состоит из абсолютного сухого вещества

массой

СУХ

и растворителя массой

, то процентную кон-

центрацию, %, можно выразить как

СУХ

b 100.





(1)

С увеличением количества растворенного вещества

концентрация раствора возрастает. Однако существует пре-

дельное количество твердого вещества, которое при заданной

температуре раствора может быть растворено в нем. Прибав-

ление твердого вещества к раствору сверх предельного коли-

чества не приводит к его растворению. Раствор, содержащий

предельное количество растворенного вещества, называется

насыщенным.

Концентрация насыщенного раствора называется рас-

творимостью. Растворимость является функцией температуры

раствора. Для большинства солей растворимость в воде с по-

вышением температуры растет, для некоторых солей она по-

нижается (например, соли жесткости, т.е. соли кальция и маг-

ния). У поваренной соли растворимость практически не зави-

сит от температуры.

Увеличение или уменьшение растворимости при повы-

шении или понижении температуры на один градус, выражен-

ное в процентах, называется температурным коэффициентом

растворимости.

Изменение давления очень мало влияет на раствори-

мость солей в воде.

Раствор в простейшем виде представляет собой смесь

двух компонентов — растворителя и растворимого вещества.

Смешение компонентов сопровождается тем или иным

тепловым эффектом. Например, при смешении KOH или

NaOH и воды при комнатных температурах происходит нагре-

вание раствора, а при растворении в воде NaCl, KNO3 раствор

охлаждается.

При расчетах процессов сгущения или разбавления рас-

творов необходимо учитывать возникающие при этом тепло-

вые эффекты, а для этого надо знать теплоту растворения.

Под теплотой растворения при конечном разбавлении

понимают то количество тепла, которое необходимо подво-

дить или отнимать в процессе смешения 1 кг твердого вещест-

ва с заданным количеством растворителя, чтобы в процессе

смешения сохранялась постоянная температура раствора, рав-

ная температуре исходных компонентов (которая подразуме-

вается одинаковой).

Теплота растворения при конечном разбавлении зави-

сит не только от природы растворяемого вещества и раствори-

теля, но и от концентрации раствора.

При разбавлении раствора возникает тепловой эффект

разбавления, при концентрировании — тепловой эффект кон-

центрирования

В тепловом балансе выпарных установок, в которых

происходит частичная или полная кристаллизация твердого

вещества, определенную роль играет теплота кристаллизации.

Теплота кристаллизации это количество тепла, которое выде-

ляется при кристаллизации из раствора 1 кг твердого вещества.