Однокорпусная выпарная установка

   1. ВВЕДЕНИЕ 

1. Физико-химические свойства веществ, участвующих в  процессе выпаривания

   Для расчета технологических параметров установки и конструктивных размеров аппаратов необходимы основные физико-химические свойства водного раствора КCl и воды.

   Хлори́д ка́лия — химическое соединение KCl, калиевая соль соляной кислоты.

   Белое кристаллические вещество без запаха. Относится к структурному типу NaCl. В природе встречается в виде минералов сильвина и карналлита, а также входит в состав сильвинита.

• Относительная молекулярная масса: 74 а.е.м.
• Молярная масса: 74.55 г/моль
• Растворимость KCl в зависимости от температуры:

• Плотность KCl при t=20C в зависимости от концентрации:

• Теплопроводность: 6.53 Вт/ (м*С)
• Температура плавления: 776 С
• Температура кипения: 1407 С

 

   Вода (оксид водорода) — химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н₂O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, лёд).

   Является  хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

   Вода  имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.

   Вода  обладает большой удельной теплоемкостью  и является хорошим теплоносителем.

   Среди всех жидкостей вода имеет самое  высокое поверхностное натяжение, исключение составляет только ртуть. Дистиллированная вода не проводит электрический ток, так как она слабый электролит и диссоциирует в малой степени.

   

   Однако  вода способна стать хорошим проводником  при условии растворения в  ней даже малого количества ионных веществ.

   По  массе в состав воды входит 88,81% кислорода и 11,19% водорода, вода кипит при температуре +100°С, а замерзает при 0°С, она плохой проводник для электричества и теплоты. 

   1.2. Получение KCl:

1. Лабораторное

   В лабораторных условиях хлорид калия  можно получить взаимодействием гидроксида калия с соляной кислотой: 
KOH + HCl → KCl + H₂O

2. Из сильвинита

   Хлорид  калия получают из сильвинита методами галургии и флотации.

   Галургический метод основан на различной растворимости KCl и NaCl в воде при повышенных температурах. При нормальной температуре растворимость хлоридов калия и натрия почти одинакова. С повышением температуры растворимость хлорида натрия почти не меняется, а растворимость хлорида калия резко возрастает. На холоде готовится насыщенный раствор обеих солей, затем он нагревается, и сильвинит обрабатывается полученным раствором. В процессе обработки раствор дополнительно насыщается хлоридом калия, а часть хлорида натрия вытесняется из раствора, выпадает в осадок и отделяется фильтрованием. Кристаллы отделятся на центрифугах и сушатся, а маточный раствор идет на обработку новой порции сильвинита.

   Флотационный  метод заключается в разделении минералов измельченной руды на основе различной их способности удерживаться на границе раздела фаз в жидкой среде. 

   1.3. Применение KCl :

   Хлорид  калия является наиболее распространённым калийным удобрением. Согласно ГОСТ 4568-95 1-й сорт содержит не менее 60% К₂О, 2-й сорт - не менее 58% К₂О и воды не более 0,5%.

   Применяется для производства гидроксида калия методом электролиза. Иногда применяется в качестве добавки (E508) к поваренной соли (так называемая «соль с пониженным содержанием натрия»).

   На  кристаллах хлорида калия возможно формирование голограмм.

   В ряде штатов США используется в качестве инъекции при смертной казни.

   Будучи  наиболее доступной в быту (удобрение) солью калия, чей изотоп ⁴⁰K (0,0117 %) является бета-активным с периодом полураспада 1,251×10⁹ лет, удобен для проверки работы бытовых дозиметров: даже небольшая навеска соли, расположенная непосредственно с окошком счетчика Гейгера дает радиоактивный фон на уровне около 30 микрорентген/час, т.е, вдвое выше обычного. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

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

   Выпаривание применяют для повышения концентрации растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т.е. нелетучих веществ в твердом виде.

   В качестве примера выпаривания с  выделением чистого растворителя из раствора можно привести опреснение морской воды, когда образующийся водяной пар конденсируют и полученную воду используют для различных 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.

   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 зависимости от режима движения кипящей  жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

   

   

   2.1. Физико-химические  основы процесса выпаривания

   Движущая  сила процессов выпаривания - разность температур

   Δt_пол=t_ГП-t_{К. Р-РА}

   

   

   Разность  температур между греющим и вторичным  паром в выпарном аппарате называют общей или располагаемой разностью  температур. Общая разность температур Δt_общ в многокорпусной выпарной установке определяется разностью между температурой Т₁ греющего пара в первом корпусе и температурой Т_к вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в конденсатор, т.е.

   Δt_общ= Т₁-Т_к

   Полезная  разность температур Δt_пол в выпарном аппарате меньше общей разности температур на величину температурных потерь:

   Δt_пол=Δt_общ - ∑Δ

   где ∑Δ - сумма температурных потерь (потерь температурного напора). Для многокорпусной выпарки общая полезная разность температур равна общей (располагаемой) разности температур за вычетом суммы температурных потерь по всем корпусам установки

   ∑Δt_пол=Δt_общ - ∑Δ

   Температурные потери при выпаривании обусловлены  следующими причинами:

• температурной депрессией Δ′ - уменьшением упругости паров растворителя над раствором по сравнению с упругостью паров чистого растворителя - рассмотренной ранее;
• гидростатической депрессией Δ′′ - повышением температуры кипения раствора вследствие гидростатического давления столба жидкости в греющих трубках аппарата;
• гидравлической депрессией Δ′′′ - понижением давления вторичного пара за счет гидравлических сопротивлений в паропроводах между корпусами многокорпусной выпарной установки.

   Гидростатическая  депрессия Δ′′ вызывается тем, что давление на жидкость в выпарном аппарате по высоте трубок неодинаково. Это обусловливает различную температуру кипения раствора по всей его высоте. Так, например, если нагревать воду в трубе высотой 10 м, то верхний слой воды закипит при температуре 100°С, а нижний же слой, находящийся под абсолютным давлением 0,2 МПа, - при температуре 120°С.

   Полная  депрессия в аппарате ΣΔ равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессии

   t_к=T′ - ΣΔ,

   где T′ - температура вторичного пара в  выпарном аппарате, °С. 

2.2. Принципиальная схема однокорпусной выпаривающей установки

   Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат (корпус). Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора на примере аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой (рис. 1). 
 
Аппарат  состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор объединены в одном аппарате. Камера обогревается обычно водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры.