 |
Описание теории и технологической схемы процесса
|
|
|
|
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 проводиться 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, вакуум-сборники.
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 м2 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 однокорпусная выпарная установка естественной циркуляции. Показателем эффективности процесса является концентрация упаренного раствор, а целью управления – поддержание определенного значения этой концентрации. 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.
Основные принципы управления процессом выпаривания рассмотрим на примере однокорпусной выпарной установки. Показателем эффективности процесса является концентрация упаренного раствора, а целью управления – поддержания определенного значения этой концентрации.
|
|
|
Уравнения материального баланса выпарной установки по растворенному веществу и по всему количеству вещества имеют соответственно следующий вид:
Gc.p Cc.p = Gy.p Cy.p Gc.p = Gy.p + Gп
где Gc.p Gy.p – расход свежего и упаренного растворов; Cc.p – концентрация растворенного вещества в свежем растворе; Cy.p – концентрация растворенного вещества в упаренном растворе (показатель эффективности); Gп – расход паров растворителя.
Решая совместно эти уравнения, получим:
Cy.p = Gc.p Cc.p / Gy.p = Gc.p Cc.p / (Gс.p - Gп)
Расход Gc.p можно стабилизировать или изменять для достижения цели управления процессом выпаривания, так как этот процесс в большинстве случаев является основным на химических производствах. Так, его уменьшение приводит к снижению скорости движения раствора по аппарату, а следовательно – к увеличению концентрации Cy.p. То же можно сказать и о расходе Gy.p.
Концентрация Cc.p определяется предшествующими технологическими процессами; её изменения будут сильными возмущениями для процесса выпаривания. Расход Gп определяется параметрами исходного раствора, а также режимными параметрами в аппарате: температурой, давлением, концентрацией раствора и интенсивностью подвода тепла.
Если предположить, что цель уравнения достигнута, т.е. концентрация Cy.p на выходе из аппарата постоянна и соответствует заданной, то между температурой и давлением в аппарате будет соблюдаться определенная зависимость. Поэтому достаточно стабилизировать только один из этих параметров. В большинстве случаев это – давление в аппарате, которое можно регулировать изменением отбора пара из аппарата.
Типовая схема автоматизации процесса выпаривания:
1 – кипятильник; 2 – выпарной аппарат; 3 – устройство для измерения температурной депрессии;
Интенсивность подвода тепла к кипятильнику определяется параметрами теплоносителя: расходом, температурой, давлением и энтальпией.
К наиболее сильным возмущающим воздействиям относятся изменения расхода теплоносителя. Эти возмущения компенсируют установкой стабилизирующего регулятора расхода. При целенаправленном изменении расхода теплоносителя в объект могут вноситься и регулирующее воздействия. Однако при этом может возникнуть «пленочное кипение», что неэкономично. С изменением других параметров теплоносителя в объекте будут иметь место другие возмущения.
|
|
|
Анализ возмущающих воздействий в объекте управления показал, что часть параметров, определяющих концентрацию Су.р, будет изменяться. Сильным возмущением процесса выпаривания, как правило, является и «засоление» греющей камеры теплообменника. Чтобы при наличии возмущающих воздействий цель управления была достигнута, следует в качестве главной регулируемой величины брать концентрацию Су.р, а регулирующее воздействие вносить изменением расхода Gc.p.
Концентрацию Су.р в настоящее время определяют по разности между температурами кипения раствора и растворителя (по температурной депрессии). О концентрации Су.р можно судить и по другим косвенным параметрам: плотности, удельной электропроводности, показателю света или температуре замерзания упаренного раствора.
Итак, для достижения цели управления процессом следует регулировать температурную депрессию (изменением расхода Gc.p); давление в аппарате (изменением расхода Gп) и расход теплоносителя.Для поддержания материального баланса в аппарате необходимо регулировать уровень раствора Gу.p.
В процессе выпаривания контролируют расходы Gc.p, Gу.p, Gп; температуры свежего и упаренного растворов; температуру, давление и расход теплоносителя; давление, температуру и уровень в аппарате; температурную депрессию. Сигнализации подлежат отклонение концентрации Су.р от заданного значения и прекращения подачи раствора. В последнем случае устройство защиты должно отключить линию теплоносителя для предотвращения порчи продукта и аварии.
|
|
|
