Тема 2.3. Выпаривание растворов

10Ч., в т.Ч. Лаб. Раб. И практ. Занят 4ч.

Студент должен:

знать:

• назначение выпарных аппаратов;

• принципы составления материального и теплового балансов процесса выпаривания;

• устройство и принцип работы выпарных аппаратов;

• принципы расчета выпарных аппаратов;

уметь:

• составлять материальный и тепловой балансы;

• определять основные расчетные параметры процесса выпаривания;

• выбрать оптимальные варианты схемы выпарной установки.

Сущность выпаривания.

Выпаривание при атмосферном давлении, при вакууме, при избыточном давлении.

Выпарные установки: однокорпусные, многокорпусные, с термокомпрессией вторичного пара. Общая и полезная разность температур при выпаривании. Температура кипения растворов, температурные потери.

Выпарные аппараты, их классификация.

Аппараты с направленной и неупорядоченной циркуляцией раствора.

Пленочные выпарные аппараты, роторные аппараты, аппараты с барботажем топочных газов и погружными горелками.

Принципы выбора выпарных установок различных конструкций. Материалы для изготовления выпарных аппаратов.

Выпаривание растворов

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя при кипении в виде пара.

В технике процесс выпаривания получил широкое распространение, так как многие вещества (щелочи, соли, сахар и др.) получают в виде растворов (чаще всего водных), а для дальнейшего потребления, хранения и транспортировки концентрация их должна быть значительно повышена.

Выпаривание применяют иногда для выделения растворителя в чистом виде, например при опреснении морской воды, когда полученный пар конденсируется и используется в бытовых или технических целях.

При использовании насыщенного водяного пара в качестве горячего теплоносителя он называется греющим или первичным. В отличие от него образующийся в процессе кипения раствора пар называют вторичным. Вторичный пар, отбираемый для дальнейшего технического использования, называют экстрапаром.

Свойства растворов

1. Концентрацией х, или составом раствора, называется массовое количество растворенного твердого вещества G_тв в определенном массовом или объемном количестве раствора или растворителя W, которое определяется в процентах как

Для большинства растворов в определенном количестве растворителя при конкретных условиях можно растворить ограниченное количество твердого вещества. Раствор, содержащий при данных условиях предельное количество растворенного вещества, называется насыщенным. Количество растворенного вещества в насыщенном растворе, отнесенное к определенному количеству раствора или растворителя, называется растворимостью. Растворимость твердых веществ в воде не является постоянной величиной, а изменяется в значительных пределах в зависимости от температуры. При этом различают вещества с прямой растворимостью, которая увеличивается с повышением температуры (NaNO₃, KNO₃, NаОН, КОН и др.), и обратной растворимостью, падающей с повышением температуры (MnSO₄, Na₂SO₄ и др.).

2. Теплоемкость с веществ, и в частности растворов, незначительно зависит от температуры. Однако концентрация растворенного вещества оказывает значительное влияние на величину теплоемкости. Функция эта имеет нелинейную зависимость, поэтому для проведения расчетов обычно пользуются справочными данными, представленными в виде таблиц или графиков.

3. Температурная депрессия Δ_т.д. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С. Ту же температуру имеют образовавшиеся водяные пары. Температура кипения воды понижается с уменьшением окружающего давления и повышается с его увеличением. На ту же величину изменяется температура паров над чистой жидкостью.

Если в кипящей жидкости находится растворенное вещество, то раствор начинает кипеть при более высокой температуре, увеличивающейся c повышением концентрации растворенного вещества. Температура образующихся при этом паров над раствором будет меньше, и ее величина соответствует температуре кипения чистого растворителя при том же давлении.

Разность между температурой кипения раствора t_кип.р и растворителя t_кип называют физико-химической или температурной депрессией

и определяют по таблицам и графикам, составленным на основании опытных данных.

4. Теплота растворения (концентрирования). При проведении процесса растворения солей происходят физико-химические процессы, сопровождающиеся противоположными тепловыми эффектами.

Так, разрушение кристаллической решетки твердого вещества требует затрат энергии и сопровождается поглощением теплоты. Химическое взаимодействие растворяемого вещества с растворителем – сольватация (при растворении в воде – гидратация) сопровождается выделением теплоты. Алгебраическая сумма выделившейся и поглощенной теплоты определяет общий тепловой эффект процесса растворения. Эта же величина с обратным знаком характеризует тепловой эффект в процессе концентрирования Δq и может быть определена из справочной литературы для конкретных условий проведения процесса.

Способы и методы выпаривания

Процесс выпаривания может осуществляться под вакуумом, при атмосферном и избыточном давлениях.

При выпаривании под вакуумом снижается температура кипения раствора, что позволяет использовать для обогрева аппарата греющий пар низкого давления. Способ применим при выпаривании растворов, чувствительных к высокой температуре. Кроме того, увеличение разности температур греющего пара и кипящего раствора позволяет уменьшить поверхность теплообмена и габаритные размеры аппарата.

Выпаривание при атмосферном давлении является наиболее простым, но наименее экономичным способом, поскольку вторичный пар обычно не используется и выбрасывается в атмосферу.

Выпаривание под избыточным давлением вызывает повышение температуры кипения раствора, что позволяет использовать вторичный пар (экстрапар) для других теплотехнических целей. Однако данный способ применим только для выпаривания термически стойких веществ и осуществим при использовании высокотемпературного греющего пара.

Различают также простое выпаривание, проводимое в однокорпусных выпарных установках, в которых греющий пар используется однократно.

Для экономии греющего пара применяют многократное выпаривание, осуществляемое в многокорпусных установках, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса используется в качестве греющего для последующего корпуса. Первичный пар обогревает в этом случае только первый корпус. Давление в корпусах по ходу движения пара при осуществлении такого способа постоянно снижается.

Экономия первичного пара может быть достигнута в однокорпусной выпарной установке благодаря применению теплового насоса путем повышения теплосодержания вторичного пара в результате его сжатия в турбокомпрессоре или инжекторе с последующим использованием в том же выпарном аппарате.

По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодически действующие и непрерывнодействующие.

Периодическое выпаривание применяется для получения растворов высоких концентраций при небольших производительностях.

Непрерывнодействующие выпарные установки имеют значительные производительности, более экономичны в тепловом отношении, легко автоматизируются и регулируются.

Выпарные аппараты

Выпарной аппарат должен отвечать ряду требований: быть простым, компактным, надежным в эксплуатации; иметь высокую производительность; допускать возможно большие напряжения поверхности нагрева и высокие коэффициенты теплопередачи при минимальном весе и стоимости.

Разнообразие конструкций выпарных аппаратов усложняет их классификацию. Так, выпарные аппараты могут подразделяться в зависимости:

• от расположения и вида поверхности нагрева;

• конфигурации поверхности' нагрева;

• компоновки поверхности нагрева;

• рода теплоносителя;

• взаимного расположения рабочих сред;

• кратности и режима циркуляции.

По методу выпаривания выпарные установки бывают:

• поверхностного типа, в которых раствор контактирует с поверхностью теплообмена;

• контактного типа, в которых нагревание осуществляется без разделяющей поверхности теплообмена;

• адиабатного испарения.

Рассмотрим наиболее распространенные в промышленно­сти конструкции вы парных аппаратов.

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой (рис. 7.1) имеет нагревательную камеру, состоящую из корпуса 1 с кипятильными трубками 2 и центральной циркуляционной трубой 3 большого диаметра, закрепленными в трубных решетках. Греющий пар подается в межтру6ное пространство, конденсируется и отводится из аппарата в виде конденсата. Исходный упариваемый раствор непрерывно подается сверху, а упаренный раствор также непрерывно удаляется через штуцер, находящийся в днище аппарата, или через фонарь 7, который предназначен для поддержания постоянного уровня раствора в аппарате. В нем с помощью трубы 6 поддерживается то же давление, что и в сепараторе 5. Парообразование внутри центральной трубы значительно меньше, чем в кипятильных трубах, так как на единицу объема жидкости в ней приходится меньшая теплопередающая поверхность. Вследствие этого плотность парожидкостной эмульсии (практически жидкости) в центральной трубе больше, чем в кипятильных трубах. Это вызывает естественную циркуляцию раствора: гидростатическим давлением столба жидкости в циркуляционной трубе раствор передавливается в кипятильные трубки, поднимается по ним вверх, частично выпаривается и, освобожденный вверху от пара, возвращается вниз по центральной трубе. Образующийся пар удаляется в верхней части аппарата, пройдя предварительно через каплеуловитель 4.

Недостатком данного аппарата является жесткая конструкция греющей камеры, не имеющая температурной компенсации. Аппараты могут быть использованы только для упаривания некристаллизующихся растворов, так как в противном случаев трубах могут образовываться кристаллические пробки.

Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой (рис. 7.2) состоит из греющей камеры 4, которая свободно подвешивается внутри корпуса 5, опираясь на лапы 6. Греющий пар подается в межтрубное пространство нагревательной камеры по трубе 3, конденсат удаляется по трубе 7. Образующийся вторичный пар проходит сепарационное пространство над греющими трубками и далее инерционный каплеуловитель 1, из которого уловленная жидкость стекает вниз по трубе 2.

П

ринцип циркуляции здесь тот же: малоэмульгированный раствор из-за большой плотности опускается вниз по кольцевому пространству между корпусом аппарата и нагревательной камерой, передавливая вверх постоянно образующуюся в трубках более легкую парожидкостную эмульсию.

Благодаря большему сечению кольцевого канала гидравлическое сопротивление циркуляционного контура здесь меньше, следствием чего является увеличение скорости циркуляции раствора. Погружение нагревательной камеры в выпариваемую среду препятствует возникновению температурных напряжений, так как в этом случае корпус камеры и трубки находятся в одинаковых температурных условиях.

Однако аппараты данного типа обладают несколько большей материалоемкостью, чем с центральной циркуляционной трубой. В них также нельзя обрабатывать высоковязкие и кристаллизующиеся растворы.

Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой (рис. 7.3) состоит из нагревательной камеры (кипятильника) 2 и сепаратора 6, соединенных между собой патру6ком 3 и циркуляционной трубой 8. Через эту трубу большая часть концентрированного раствора возвращается обратно в нижнюю часть кипятильника, смешиваясь с исходным раствором, который подается через патру6ок 1.

Часть концентрированного раствора отводится из сепаратора в виде готового продукта через патру6ок 7. Вторичный пар, пройдя 6рызгоуловитель 5, удаляется из сепаратора через верхний патру6ок 4. Высота трубок в таких аппаратах составляет 5...7 м. Сечение циркуляционной трубы равно или больше площади поперечного сечения всех кипятильных трубок. Следствием большой движущей силы циркуляции (разности давлений столба сплошной, некипящей жидкости в циркуляционной трубе 8 и парожидкостной эмульсии внутри кипятильных трубок) при небольшом гидравлическом сопротивлении циркуляционного контура является значительная скорость циркуляции раствора (до 1,5 м/с). В результате повы шается коэффициент теплоотдачи и уменьшается опасность отложения пристенных осадков.

Чистка и замена трубок выпарных аппаратов с выносной нагревательной камерой достаточно удобны.

Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения (рис. 7.4) применяют для разделения раствора на растворитель и растворенное вещество. В этих условиях вещество часто выпадает из раствора в виде кристаллов. В таких случаях обычно применяются аппараты с выносной нагревательной камерой и вынесенной зоной кипения. Нагревательная камера 1 соединена с сепаратором 2 трубой 3. Уровень жидкости в сепараторе поддерживается на линии верхнего обреза трубы 3, что достигается отбором суспензии через фонарь 4. В нагревательных трубках раствор испытывает дополнительное давление столба жидкости, находящейся в трубе 3. Высота подъемной трубы, т. е. гидростатическое давление столба жидкости, подбирается таким, чтобы в нагревательных трубках происходил только нагрев раствора. Интенсивное парообразование начинается лишь при переходе раствора в подъемную трубу и сепаратор. Разность давлений столба жидкости в сепараторе и парожидкостной эмульсии в подъемной трубе обеспечивает естественную циркуляцию раствора. Чтобы уменьшить сопротивление циркуляционного контура, отношение сечения подъемной трубы к сечению греющих трубок принимают (с учетом увеличения о6ъема образующейся парожидкостной эмульсии) равным 1,5 ...2,0. В зависимости от длины трубок,

р

азности температур пара и жидкости, а также давления в сепараторе скорость циркуляции раствора в трубках колеблется в пределах 1,2 ... 2,0 м/с. Большая скорость циркуляции, вынос зоны кипения из греющих трубок и поддержание постоянного количества кристаллов в циркулирующей суспензии (не менее 5...10%) во многих случаях предотвращают образование накипи и кристаллов на греющих трубках.

125

Скорость циркуляции в этих аппаратах ограничена. Для поддержания больших скоростей циркуляции необходима значительная разность температур греющего пара и раствора (до 20...25°С). Поэтому в них не всегда можно предотвратить образование накипи и кристаллов.

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора (рис. 7.5) применяют для создания больших скоростей движения упариваемого раствора относительно теплопередающей поверхности. Наиболее часто в этом случае используются аппараты с выносной греющей камерой. Раствор прокачивается через нагревательную камеру 1, сепаратор 2 и обратную трубу 4 насосом 5 (центробежным или осевым). Осевой насос более эффективен, так как перекачивает большие массы жидкости при малом противодавлении. Питающий раствор подается в обратную трубу и смешивается с большим количеством циркулирующего раствора. Суспензию отводят через фонарь 3.

Сооружение и эксплуатация таких выпарных аппаратов дороже из-за высокой стоимости насоса и большого расхода энергии на перекачку. Оптимальная скорость циркуляции раствора по трубкам - 2...3 м/с.

При меньших скоростях возможно отложение соли на теплопередающей поверхности. Увеличение скорости циркуляции неэкономично из-за резкого возрастания гидравлического сопро

тивления контура, а следовательно, и большого расхода энергии га привод насоса. Кроме того, при скорости движения раствора выше 3,0...3,5 м/с становится заметным механическое истирание кристаллов (при упаривании растворов до появления твердой фазы).

Большие скорости циркуляции в этих аппаратах могут быть обеспечены при любой малой разности температур между конденсирующимся паром и циркулирующим раствором. Поэтому в них создаются наиболее благоприятные условия для предупреждения образования пристенных осадков.

Выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (рис. 7.6) состоит из кипятильных труб большой высоты (6...9 м), что позволяет выпаривать раствор от начальной до конечной концентрации за время одноразового прохода его через кипятильные трубы (без циркуляции).

Свежий раствор, подогретый до температуры кипения, подается в трубки снизу через патрубок 1 в днище аппарата. Закипая в нижней части трубок, раствор в виде парожидкостной эмульсии поднимается вверх, создавая кольцевой режим кипения почти по всей длине трубок.

Этот кольцевой режим обеспечивает большие значения коэффициента теплоотдачи.

П

ри большой длине трубок достаточно одноразового прохода раствора через аппарат для упаривания его до требуемой концентрации. Концентрированный раствор выбрасывается из трубок в верхней части аппарата в сепаратор 2 и в виде готового продукта отводится через патру6ок 3.

Аппарат может работать при меньшей разности температур между греющим паром и раствором, чем выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора. Отсутствие циркуляции и большая скорость движения выпариваемого раствора по трубкам обусловливают небольшое время пребывания его в аппарате. Кипение в пленке, а не в объеме поднимающегося раствора, предупреждает об‑

127

разование пены. Поэтому применение данных аппаратов особенно целесообразно при выпаривании пенящихся растворов, а также растворов, не терпящих перегрева и чувствительных к длительному нагреванию. Недостатком этих аппаратов является то, что в них нужно поддерживать постоянный термо- и гидродинамический режимы, так как при недостаточной подаче раствора здесь возможно обсыхание стенок, что совершенно недопустимо из-за обрастания их слоем кристаллов, а при избыточной подаче – уменьшение концентрации упаренного раствора. Эти аппараты непригодны для упаривания кристаллизующихся растворов.

Выпарной аппарат с нисходящей (падающей) пленкой (рис. 7.7) используют обычно для растворов, чувствительных к длительному воздействию высоких температур. В этом аппарате раствор подается на верхнюю трубную решетку 1, откуда стекает в виде тонкой пленки по стенкам кипятильных трубок 2. Для создания тонкой устойчивой пленки в верхней части трубок установлены специальные распределяющие устройства. Упаренный раствор отделяется от вторичного пара в сепараторе 3. В этом аппарате кольцевой режим высоким значением коэффициента теплоотдачи существует по всей высоте греющих трубок, а время пребывания раствора в трубка еще меньше, так как пар увлекает за собой раствор, способствуя увеличению скорости стекания пленки.

Этот аппарат может работать при еще меньшей разности температур между конденсирующимся паром и раствором, чем выпарной аппарат с поднимающейся пленкой. В аппарате можно создать такой режим работы, при котором пар будет образовываться не на стенке, а на поверхности пленки со стороны парового пространства. В результате уменьшается опасность образования накипи и кристаллов, предупреждается пенообразование, облегчается сепарация вторичного пара.

Роторный прямоточный аппарат (рис. 7.8) применяют для выпаривания нестойких к повышенным температурам вязких и пастообразных растворов. Внутри цилиндрического корпуса 1 аппарата, снабженного паровыми рубашками 4, вращается ротор, состоящий из вертикального вала 2 (расположенного по оси аппарата) и шарнирно закрепленных на нем скребков 3.

Выпариваемый раствор поступает в аппарат сверху, захватывается вращающимися скребками, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам аппарата и перемещается по их внутренней поверхности в виде пленки. Постепенно происходит полное выпаривание пленки, и на стенках аппарата образуется тонкий слой порошка или пасты, который снимается вращающимися скребками (зазор между наружной кромкой скребков и стенкой аппарата составляет менее 1 мм). Твердый или пастообразный продукт удаляется через специальный секторный затвор из днища аппарата.

В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен (до 15 000 Вт/(м²*К)) при небольшом уносе жидкости вторичным паром. В то же время роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью

эксплуатации из-за наличия вращающихся частей, непригодны для использования в крупнотоннажных производствах.

Б

арботажный выпарной аппарат применяют для выпаривания сильноагрессивных и высококипящих растворов, например растворов серной, соляной, фосфорной кислот, растворов хлористого магния и других при непосредственном соприкосновении раствора с нагретыми инертными газами. Для таких растворов передача через стенку теплоты, необходимой для выпаривания, оказывается практически неосуществимой из-за трудностей, связанных с выбором конструкционного материала, который должен сочетать хорошую теплопроводность с коррозионной и термической стойкостью.

Выпаривание при непосредственном соприкосновении раствора и теплоносителя осуществляют обычно с помощью то‑

почных газов или нагретого воздуха в аппаратах с металлическим кожухом, футерованным изнутри коррозионно-стойкими материалами, например диабазовой и керамической плиткой, кислотоупорным и шамотным кирпичом и т. д. Барботажные трубы, по которым поступают в раствор газы, изготавливаются из термосилида, графита и других коррозионностойких материалов.

Барботажный аппарат для концентрирования серной кислоты (рис. 7.9) состоит из выносной топки 1 и горизонтального цилиндрического корпуса 7. Часть аппарата заполняется слабым раствором кислоты, подаваемой по трубе 6. Топочные газы поступают по трубам 2, концы которых погружены в раствор. При перемешивании раствора и теплоносителя происходит интенсивное испарение растворителя и частично кислоты. Из камеры III (третьей по ходу кислоты) газы поступают по барботажной трубе 3 в камеру II.

Для повышения температуры парогазовой смеси в эту камеру по барботажной трубе 4 подается дополнительно некоторое количество свежих топочных газов. Из камеры II газы вместе с парами кислоты и воды по барботажной трубе 5 направляются в камеру 1, где отдают теплоту на подогрев исходного слабого раствора кислоты. Упаренная кислота удаляется по трубе 8 из камеры III.

Противоток кислоты и газов позволяет лучше использовать теплоту топочных газов, но потери теплоты с отходящими газами весьма значительны. Кроме того, происходит большой унос газами капель кислоты, которые улавливаются в отдельном электрофильтре.

Выпарной аппарат с погружными горелками (рис. 7.10) применяют для более эффективного выпаривания. При барботаже нагретых газов через слой раствора создается значительная межфазовая поверхность и происходит перемешивание жидкости пузырьками газа. В результате достигается интенсивный теплообмен.

В плоской крышке корпуса 1 аппарата расположена одна (или несколько) горелка 2, погруженная в выпариваемый раствор. Уровень раствора в аппарате поддерживается постоянным с помощью переливной трубы 3.

Упаренный раствор отводится из конического днища аппарата, а выпадающие здесь кристаллы могут отсасываться посредством эрлифта. Парогазовая смесь отводится из пространства над жидкостью через сепаратор 4.

Для таких аппаратов обычно используют специальные горелки 6еспламенного горения, снабженные огнеупорной насадкой, которая в накаленном состоянии каталитически ускоряет процесс горения.

В барботажных выпарных аппаратах, работающих при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора и греющего агента, достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи, чем при выпаривании через стенку.

Для изготовления выпарных аппаратов в качестве конструкционных материалов применяются углеродистые, кислотостойкие стали и медь.

Выпарные аппараты и отдельные элементы изготавливают из сталей, разрешенных к применению Госгортехнадзором: ВСт3сп, ВСт3Гпс, 06ХН28МДТ, 09Г2С, 16ГС1, 08Х18Г8Н2Т, 08Х22Н6Т, 08Х21Н, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т.

Кроме того, применяют двухслойные стали с плакирующим слоем: 08Х13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т.

Для изготовления оболочек, соприкасающихся с морской водой, применяют двухслойную сталь Ст3 + 12Х18Н10Т; внутренние устройства аппаратов Выполняют из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

Детали аппаратуры, соприкасающиеся спором и конденсатом, изготавливают из углеродистой стали.

Для выпаривания высококонцентрированных растворов щелочи применяют чугунные выпарные аппараты с медными теплообменными трубами.

Простое выпаривание

Простое выпаривание осуществляется на установках небольшой производительности, когда затраты теплоты не имеют большого значения.

Материальный баланс простого выпаривания включает два уравнения, составленные:

по материальным потокам

по растворенному веществу

где G_н, G_к – массовый расход исходного (упариваемого) и конечного (упаренного) раствора; W – массовый расход выпариваемого растворителя; х_н, х_к – проценты (массовые доли) растворенного вещества в исходном (начальном) и конечном растворах,

Тепловой баланс простого выпаривания может быть записан на основе потоков прихода и расхода теплоты.

Обозначим: D – массовый расход греющего пара; i_пap, i_в.п, i_конд – удельные энтальпии греющего и вторичного пара, а также конденсата; t_н, t_к – начальная и конечная температуры раствора; Δq – теплота концентрирования от концентрации х_н до концентрации х_к; с_н, с_к – удельные теплоемкости исходного (начального) и конечного растворов.

В этом случае тепловой баланс будет основываться на следующих тепловых потоках:

Тогда тепловой баланс простого выпаривания будет

Заменив в выражении (7.3) в соответствии с уравнением (7.2а) G_н на G_к + W и решив его относительно расхода греющего пара, получим

Из равенства (7.4) следует, что общий расход пара определяется тремя слагаемыми, которые можно интерпретировать следующим образом: первое – расход пара на изменение теплосодержания упариваемого раствора, второе – расход пара на образование вторичного пара и третье – расход пара на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду.

Значение первого и последнего слагаемых невелики по сравнению со вторым, поэтому при приближенных расчетах считается, что 1 кг испаряемой из раствора воды требует затрат 1,1...1,2 кг греющего пара.

Площадь поверхности теплообмена выпарного аппарата определяется в соответствии с основным уравнением теплопередачи

где Q – тепловая нагрузка аппарата; К – коэффициент теплопередачи; Δt_{п. р} – полезная разность температур.

При расчетах выпарных аппаратов учитывают следующие температурные характеристики:

• общую разность температур – разность между температурой греющего пара t_{гр. п}, поступающего в выпарной аппарат, и температурой вторичного пара t_{в. п} отбираемого из аппарата:

• полезную разность температур, которая всегда меньше общей разности температур на величину температурных потерь (депрессий);

• температурные потери (депрессии), которые складываются из температурной, гидростатической и гидравлической депрессий,

• температурную депрессию Δt_{т. д} – разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя (7.1);

• гидростатическую депрессию Δt_{г. д} – повышение температуры кипения раствора за счет гидростатического давления столба жидкости в трубах выпарного аппарата;

• гидравлическую депрессию Δt_{г. п} – потери температуры вторичного пара, вызванные гидравлическими сопротивлениями на выходе из вы парного аппарата.

Многократное выпаривание

Сущность многократного выпаривания заключается в том, что процесс выпаривания осуществляется в нескольких соединенных последовательно аппаратах, давление в которых поддерживается таким образом, чтобы вторичный пар предыдущего корпуса мог быть использован как греющий пар в последующем корпусе.

Многокорпусные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.

В противоточной многокорпусной установке (рис. 7.11) исходный раствор подается в корпус 1, далее в корпуса 2 и 3 и удаляется из корпуса 3 в виде упаренного продукта. Давление в установке уменьшается в направлении от корпуса 1 к корпусу 3, что позволяет перемещать раствор под действием перепадов давлений без дополнительного перекачивающего оборудования.

Греющие пары перемещаются в том же направлении, что и раствор: свежий пар вводится в корпус 1; образовавшийся в этом корпусе вторичный пар поступает в качестве греющего в корпус 2; образующийся в нем вторичный пар поступает на обогрев корпуса 3; вторичный пар из корпуса 3 отводится в барометрический конденсатор 4.

Преимуществом прямоточной схемы является возможность перемещения раствора из корпуса самотеком. К недостаткам можно отнести неблагоприятные для теплопередачи условия. Так, коэффициенты теплоотдачи от пара к упариваемому раствору уменьшаются от корпуса к корпусу в связи со снижением теплосодержания греющего пара, уменьшением количества упариваемого раствора, но увеличением его концентрации. Таким образом, коэффициент теплопередачи в последнем корпусе оказывается в несколько раз меньше, чем в первом.

Схема противоточной многокорпусной выпарной установки представлена на рис. 7.12. Свежий греющий пар поступает, как и в предыдущем случае, в корпус 1, а вторичные пары в качестве греющих перемещаются в направлении от корпуса 1 к корпусу 3 и

`конденсируется в барометрическом конденсаторе 4. Выпариваемый раствор вводится в корпус 3, перемещается в установке в

направлении от корпуса 3 к корпусу 1 и отбирается из корпуса 1 насосом 7. Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора используются насосы 5, 6.

Преимуществом противоточной схемы является более интенсивный теплообмен во всех корпусах, недостатком – необходимость использования в схеме насосов, работающих на горячих легко кристаллизующихся потоках, что усложняет эксплуатацию установки.

В комбинированных схемах осуществляются различные варианты ввода и перемещения раствора. Так, например, возможны схемы с вводом раствора в каждый корпус в отдельности, с вводом раствора в средний корпус с дальнейшей передачей его в последний и выпуском через первый и т.д. Подобные схемы применяются в специальных случаях. В промышленной практике они мало распространены и поэтому в данном учебнике не рассматриваются.

Материальный баланс многокорпусной установки, состоящей из n корпусов, записывается аналогично уравнениям (7.2) в виде

где 1, 2, ..., n – номера корпусов многокорпусной установки.

Тепловой баланс при расчете многокорпусной установки составляется обычно для каждого корпуса по аналогии с уравнениями (7.3) и (7.4) с целью определения необходимого количества греющего пара для первого корпуса и достаточности количества вторичного пара из предыдущего корпуса для нормальной работы последующего корпуса. В случае избытка вторичного пара для обогрева последующего корпуса он частично может отбираться в качестве экстрапара для нужд производства.

Общую разность температур для многокорпусной установки – разность между температурой греющего пара t_{гр. п}, поступающего в первый корпус, и температурой вторичного пара t_{в. п}, отводимого из последнего корпуса, определяют по формуле

Общую полезную разность температур, которая меньше обще разности температур на величину температурных потерь во все корпусах установки, можно определить как

При расчете многокорпусных выпарных установок для определения площадей теплопередающих поверхностей общую полезную разность температур необходимо предварительно распределить по корпусам установки.

Существует два подхода к проведению такого расчета:

• равенство поверхностей нагрева корпусов, т. е. применяемые выпарные аппараты имеют одинаковые размеры. В этом случае Полезная разность температур для каждого корпуса определяется по зависимости

где Q_i тепловая нагрузка i-го корпуса; К_i – коэффициент теплопередачи в i-м корпусе;

• минимальная общая поверхность нагрева корпусов установки, т. е. определение величин полезной разности температур в каждом корпусе осуществляется в этом случае по зависимости

При этом следует учитывать, что для нормального функционирования выпарных аппаратов с естественной циркуляцией полезная разность температур в корпусе не должна быть менее 5...7°С, а для аппаратов с принудительной циркуляцией – не менее 3°С.

Н

есмотря на то, что установки с минимальной поверхностью нагрева обладают меньшей материалоемкостью, унификация конструкций корпусов, а также удобство их обслуживания и ремонта, делает более целесообразным применение установок с равными поверхностями нагрева.

Выбор числа корпусов производят с учетом того, что основным преимуществом многокорпусной выпарной установки является использование первичного греющего пара только в первом корпусе. Остальные корпуса обогреваются теплотой вторичного пара, получаемого в предыдущем корпусе. Таким образом, увеличение числа корпусов

приводит к уменьшению производственных затрат, связанных с полу‑

чением греющего пара. Однако число корпусов нельзя увеличивать постоянно, поскольку каждый из них увеличивает температурные потери всей установки. Поэтому предельным числом корпусов в установках многократного выпаривания является такое их число, при котором полезная разность температур имеет положительное значение.

Оптимальное число корпусов установок многократного выпаривания обычно определяется экономическими соображениям (рис. 7.13) – приведенными затратами на проведение процесс выпаривания (кривая а). Приведенные затраты состоят из затрат на производство пара (кривая б), которые уменьшаются с увеличением числа корпусов; амортизационных расходов, увеличивающихся с ростом количества корпусов (кривая в); трудозатрат (линия г) практически не зависящих от числа корпусов. Оптимальное число корпусов в промышленных условиях, соответствующее минимальным приведенным затратам обычно составляет 3...4 корпуса.

Адиабатные вы парные установки

В установках адиабатного испарения концентрирование растворов осуществляется путем испарения растворителя в рабочей камере, давление в которой ниже давления насыщения, соответствующего температуре поступающей в камеру жидкости.

На рис. 7.14 представлены схемы одноступенчатой и многоступенчатой адиабатных выпарных установок.

В одноступенчатой адиабатной выпарной установке (рис. 7.14, а) исходный раствор подается насосом 4 в конденсатор 3, где нагревается образовавшимися при испарении парами, конденсируя их на внешней поверхности. Попадая в подогреватель 2, исходный раствор нагревается до требуемой температуры и направляется в камеру выпаривания 1. Образующийся в испарителе пар конденсируется в конденсаторе 3 и стекает в поддон 5, откуда удаляется насосом 6. Упаренный раствор откачивается насосом 7.

Многокорпусная адиабатная выпарная установка (рис. 7.14, б) работает аналогичным образом. Перепад температур на каждой ступени составляет 2 ... 3°С, производительность по дистилляту составляет десятки тысяч тонн в час.

Обычно такие установки применяют для выпаривания воды из растворов минеральных солей, опреснения морской воды и других сла6оминерализованных растворов.

Выпарные установки с тепловым насосом

Использование вторичного пара возможно не только в многокорпусных установках, но и в одном и том же выпарном аппарате. В этом случае вторичный пар подвергается дополнительному сжатию для повышения его энтальпии тепловым насосом и возвращается на обогрев того же самого аппарата. В качестве тепловых насосов для сжатия пара применяют турбокомпрессоры и пароструйные компрессоры-инжекторы.

На рис. 7.15, а представлена схема однокорпусного выпарного аппарата 1 с турбокомпрессором 2. Степень сжатия вторичного пара выбирается в зависимости от необходимой разности темпе­ратур между возвращаемым вторичным паром и кипящим упариваемым раствором.

Если считать, что в греющую камеру выпарного аппарата возвращается весь вторичный пар, получаемый в однокорпусной установке, и его энтальпия после компрессора составляет i_{в. к}, то уравнения теплового баланса (7.3) и (7.4) можно переписать в

виде

Как следует из уравнения (7.5), расход первичного греющего пара на выпаривание с применением теплового насоса значительно

уменьшается по сравнению с простым выпариванием, так как второе слагаемое уменьшается на величину (i_{в. к} - i_к).

Однако реализация данного способа требует применения машин-компрессоров, а также значительных энергетических затрат на их работу.

Другим способом, получившим широкое распространение в настоящее время для повторного использования вторичного пара в тех же установках, является применение пароструйного инжектора (рис. 7.15, б).

В сопло инжектора 3 подается первичный греющий пар, который всасывает вторичный греющий пар из этого же аппарата, повышает его давление и подает назад в нагревательную камеру.

Отношение весового количества инжектируемого вторичного пара к весовому количеству первичного пара называется коэффициентом инжекции т. Общее количество конденсирующего пара составит в этом случае D*(1 + т).

Уравнения теплового баланса для случая применения в каче­стве теплового насоса пароструйного инжектора могут быть записаны в виде

Сопоставление этих выражений с уравнениями (7.3) и (7.4) для простого выпаривания показывает, что расход греющего пара при применении инжектора уменьшается в (1+ т) раз.

Обычно коэффициент инжекции для установок с тепловыми насосами выбирается в диапазоне 0,5 ... 1.

Инжектор дешев, прост и удобен в обслуживании, однако имеет низкий коэффициент полезного действия.

Экономическая целесообразность применения выпарных аппаратов с тепловым насосом определяется соотношением стоимости энергии, затрачиваемой на сжатие вторичного пара, и стоимости свежего греющего пара на данном предприятии. В одних случаях выпарной аппарат с тепловым насосом может оказаться экономичнее многокорпусной выпарной установки, в другом – наоборот. Установлено, что для средних величин стоимости энергии и пара выпарные аппараты с тепловыми насосами экономически выгодны, если температурная депрессия не превышает 8 ... 10°С. Если же температурная депрессия больше 10...15°С, то рентабельнее многокорпусная выпарка.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность процесса выпаривания?

2. Какие основные свойства растворов учитываются при расчете про­цессов выпаривания?

3. Какие способы и методы выпаривания существуют?

4. По какому принципу классифицируют выпарные аппараты?

5. В чем заключается процесс простого выпаривания?

6. Каковы сущность и особенности многократного выпаривания?

7. Каким образом определяется общая и полезная разность темпера­тур для процессов выпаривания?

8. Какова область применения адиа6атных выпарных установок?

9. В чем заключаются особенности применения выпарных установок с

тепловым насосом?