4.10. Выпаривание

4.10.1 Общая характеристика процесса.

Выпариванием называют процесс повышения концентрации нелетучего растворенного вещества в кипящем растворе путем удаления из него летучего растворителя (воды) в виде пара.

В отличие от испарения, протекающего при температуре, которая ниже температуры кипения раствора выпаривание происходит при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Выпаривание широко применяют в кондитерском, сахарном, консервном, молочном и других производствах.

Для нагревания раствора до температуры кипения на практике, как правило, используют водяной пар, который называют греющим или первичным в отличие от вторичного (сокового) пара, образующегося из выпариваемых растворов (соков).

Процесс выпаривания можно проводить под атмосферным или избыточным давлением, а также под вакуумом.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар, образующийся из раствора, отводят в атмосферу. Этот способ выпаривания является наиболее простым, но не экономичным в тепловом отношении.

При выпаривании под избыточным давлением вторичный пар имеет высокую температуру, поэтому его часто используют для нагревания в различных теплообменных аппаратах, работающих под меньшим давлением. В этом случае эффективность выпарной установки повышается. Однако повышение температуры и давление вторичного пара связано с соответствующим увеличением давления греющего пара и стоимости установки, кроме того, при повышении этих показателей ухудшается качество многих органических жидкостей (молока, томатных и сахарных соков и д.р.).

При выпаривании под вакуумом точка кипения раствора снижается и это позволяет использовать для обогрева вакуум-выпарных аппаратов пар низкого давления. Этот способ широко применяется для выпаривания растворов, разлагающихся при повышенных температурах, и растворов, имеющих высокую точку кипения при атмосферном давлении. Достоинствами выпаривания под вакуумом являются также уменьшение потерь тепла в окружающую среду и увеличение полезной разности между температурами греющего пара и кипящего раствора. Это позволяет уменьшить поверхность теплообмена и габариты аппарата.

Выпаривание раствора может осуществляться в одном выпарном аппарате (однокорпусная установка) либо в ряде последовательно соединенных выпарных аппаратов (многокорпусная установка).

В однокорпусной выпарке тепло греющего пара используется однократно, а тепло вторичного пара уходящего из аппарата, обычно не используется.

В многокорпусной выпарной установке вторичный пар, уходящий из любого предыдущего корпуса, является греющим паром для последующего, в котором раствор кипит при более низком давлении.

Этот метод проведения процесса обеспечивает значительную экономию тепла и поэтому в промышленности имеет большое распространение.

По методу ведения процесса различают периодическое и непрерывное выпаривание.

4.10.2 Схема устройства и условные обозначения выпарного аппарата.

Однокорпусная выпарная установка применяется для выпаривания относительно наибольшего количества воды, когда экономия тепла не имеет большого значения.

Рис.4.7.

Наиболее распространенными являются выпарные аппараты с вертикальными кипятильными трубами и внутренней центральной циркуляционной трубой. Межтрубное пространство, ограниченное трубными решетками и цилиндрическими стенками аппарата, образует паровую камеру, в которую подводится греющий пар, а снизу отводится конденсат греющего пара. Раствор кипит внутри трубок, выбрасывается над верхней трубной решеткой и, отделившись от вторичного пара, опускается по циркуляционной трубке ко входу в кипятильные трубы. Свежий раствор подается над верхней или под нижней трубной решеткой; сгущенный раствор отводится снизу. Вторичный пар заполняет надрастворный объем, откуда отводится через ловушки, задерживающие брызги раствора.

При простом однократном выпаривании в одиночном выпарном аппарате расход греющего пара составляет около 1 кг на 1 кг испаренной воды. Такой высокий удельный расход пара невыгоден: с ним приходится мирится, если это неизбежно по технологическим условиям.

4.10.3 Материальный и тепловой балансы однокорпусного выпарного аппарата непрерывного действия.

Количество выпарной воды и конечную концентрацию выпариваемого раствора определяют из материального баланса, согласно которому количество сухих веществ в растворе до и после выпаривания остается постоянным.

Уравнение материального баланса можно записать в таком виде

,

откуда количество выпарной воды W

,

где G – количество раствора, поступающего на выпаривание, кг/с;

Вн ,Вк – начальная и конечная концентрация раствора , %.

Расход греющего пара на выпаривание определяют исходя из уравнения теплового баланса:

Приход тепла :

- c раствором Q1=Gc1t1

- c греющим паром Q2=Di1

Расход тепла :

- с упаренным раствором Q3=Gc2t2-Wcвt2=(Gc2-Wcв)t2;

- с вторичным паром Q4=Qi2;

- с конденсатом Q5=Dcкtк;

- потери в окружающую среду Qп .

Тепловой баланс запишется в таком виде

,

или

отсюда расход греющего пара D (кг) на выпаривание раствора

,

где с1 и с2 – теплоемкость раствора до и после выпаривания, Дж/ (кг К);

t1 и t2 – температура раствора до и после выпаривания, оС;

i1 и i2 – энтальпия греющего и вторичного пара, Дж/кг;

ск и св – теплоемкость конденсата и воды, Дж/кг;

tк – температура конденсата.

Из формулы видно, что общий расход пара на выпаривание раствора складывается из трех слагаемых:

- расход пара на нагревание раствора до температуры кипения;

- расход пара на выпаривание определенного количества воды;

- расход пара на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.

Первое слагаемое может быть отрицательным (когда поступающий на выпаривание раствор перегрет по отношению к давлению в аппарате), равным нулю (когда раствор подогрет до температуры кипения в аппарате) и положительным (когда температура поступающего в аппарат раствора ниже температуры кипения).

Приняв, что при поступлении на выпаривание исходный раствор имеет температуру, равную температуре кипения, и что не имеют места тепловые потери, теоретический расход пара D (кг) на однокорпусную выпарную установку

.

Отсюда удельный расход пара, отнесенный к 1 кг выпаренной воды, d (кг/кг)

,

Поверхность нагрева F выпарного аппарата определяется из основного уравнения теплопередачи

.

Тепловая нагрузка выпарного аппарата

,

где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг, численное значение r находят по таблицам водяного пара в зависимости от температуры или давления в паровом пространстве аппарата.

Тогда

Необходимая теоретическая поверхность нагрева выпарного аппарата

4.10.4 Выпарные установки с тепловым насосом

При проектировании и эксплуатации одно и многокорпусных выпарных установок стремятся к наиболее полному использованию внутри самих установок тепла образующегося вторичного пара. В связи с этим значительный интерес представляют выпарные установки с тепловыми насосами, в качестве которых применяют пароструйные инжекторы (термокомпрессоры).

Пароструйными инжекторами снабжены однокорпусные установки, применяемые в молочной и консервной промышленности и первые корпуса многокорпусных выпарных установок в сахарной промышленности .

В инжекторе при помощи рабочего (острого) пара высокого давления (600-1500 кПа) повышают до параметров греющего пара давление, температуру и энтальпию вторичного пара, уходящего из 1 корпуса, после чего полученный пар используют для обогрева того же 1 корпуса, это позволяет сэкономить до 50% греющего пара.

Рис.4.8.

Пороструйный инжектор состоит из трех основных частей:

1 – камера всасывания; 2 – сопло; 3 – диффузор.

Проходя сопло, рабочий пар расширяется, давление его падает, а скорость возрастает до 1000 м/с и выше .

4.10.5 Многокорпусные выпарные установки

Многокорпусная выпарная установка состоит из нескольких однокорпусных выпарных аппаратов, соединенных последовательно как по упаренному продукту, так и по греющему пару.

Первый корпус обогревается паром, поступающим из турбины или парового котла, а для обогрева каждого последующего корпуса используется вторичный пар предыдущего корпуса. При этом теплообмен в каждом корпусе обеспечивается за счет разности между температурами греющего пара и кипящего продукта; эта разность температур создается благодаря снижению давления в каждом последующем корпусе по сравнению с предыдущим, что также способствует самотечному переходу упариваемого продукта из одного корпуса в другой.

При переходе жидкости из предыдущего корпуса в последующий, то есть в пространство с меньшим давлением и более низкой температурой, она, имея более высокую температуру, оказывается перегретой и из нее в результате самоиспарения удаляется в виде пара некоторое количество воды. Таким образом, процесс самоиспарения уменьшает расход пара на выпаривание.

Если вторичный пар, уходящий из последнего корпуса, имеет низкую температуру, и для обогрева других теплообменных устройств непригоден, его направляют в барометрический конденсатор, здесь в результате конденсации за счет непосредственного контакта холодной воды с паром образуется вакуум, который обеспечивает необходимый режим работы корпуса. В многокорпусной установке, в которой головные корпуса работают под давлением, а хвостовой под разрежением, благодаря многократному использованию тепла значительно снижается удельный расход греющего пара. Если в однокорпусном выпарном аппарате удельный расход пара на 1 кг выпаренной воды составляет 1,1 кг, то в двухкорпусном – 0,57 кг, в трехкорпусном – 0,4 кг, четырехкорпусном – 0,3 кг, а в пятикорпусном – 0,27 кг.

Эти цифры показывают, что при переходе от однокорпусной выпарной установки к двухкорпусной экономия пара составляет около 50 %, тогда как при переходе от четырехкорпусной к пятикорпусной установке экономия пара составляет всего лишь около 10 %, а при большем числе корпусов она еще меньше. Кроме того, с увеличением числа корпусов возрастают температурные потери, уменьшается полезная разность температур между корпусами, а также создаются условия, ухудшающие качество таких чувствительных к продолжительному тепловому воздействию продуктов, как молоко, фруктовые и томатные соки. Поэтому предельным должно быть такое число корпусов, при котором сохраняются высокие качества пищевых продуктов и обеспечивается полезная разность температур между корпусами не менее 6 - 7 ^оС.

4.10.6 Материально-тепловые балансы многокорпусных выпарных установок.

Общее количество воды, выпариваемой на установке, определяют из материального баланса сухих веществ, аналогичного балансу для однокорпусной выпарки

,

откуда

Полученное общее количество выпаренной воды равно сумме количеств воды, выпаренной в отдельных корпусах.

Если для однокорпусной установки материальный баланс запишется в виде

,

то для двухкорпусной установки будет

,

где В_к2 и (G –W₁ – W₂) – концентрация и количество упаренного раствора, уходящего из второго корпуса выпарки.

Тогда для выпарной установки, состоящей из п корпусов справедлив баланс сухих веществ

,

а конечная концентрация В_к раствора, уходящего из соответствующих корпусов, составит

- для 1 корпуса

;

- для 2 корпуса

;

- для любого п корпуса

.

Расчет прямоточной многокорпусной установки для выпаривания не кристаллизирующихся растворов производят по методу И.А. Тищенко или методу Классена.

Метод расчета, предложенный И.А.Тищенко, является наиболее полным и точным. В основу этого метода положено следующее:

- в расчете не учитывают потери тепла от лучеиспускания и тепла, отводимого с неконденсирующимися газами, а также не учитывают тепло пара, образующегося при самоиспарении конденсата переходящего в последующий корпус;

- количество вторичного пара, образующегося в корпусах за счет испарения и самоиспарения раствора, учитывают в расчете соответствующими коэффициентами.

Введем следующие обозначения, в которых индекс н – соответствует начальному (исходному раствору, а индексы 1,2…n – номера корпусов установки.

Теплоемкость воды Св; выпариваемой в корпусах, принимаем постоянной.

Рис.4.9.

Составим тепловые балансы для каждого из корпусов установки, имея в виду, что тепло раствора, приходящего во второй корпус, является теплом раствора, уходящего из первого корпуса, и т.д.

При установившемся процессе и отсутствии тепловых потерь запишем баланс тепла для 1 корпуса.

В первый корпус поступает тепло:

1) с греющим паром – D₁i_1;

2) с раствором - GC_нt_н.

Из корпуса 1 уходит тепло:

1) с вторичным паром – W₁i_вт1;

2) с частично упаренным раствором – GC_нt_p1 – W₁C_вt_p1= (GC_н – W₁C_в)t_p1;

3) с конденсатом греющего пара D₁C_к1t_к1.

Тогда баланс для первого корпуса запишется в виде

С раствором, ушедшим из 1-го корпуса во 2-ой, поступает тепла

Тогда количество тепла, уходящего с раствором из II корпуса в III, составит

Уравнение теплового баланса для 2-го корпуса запишется в виде

Аналогично для любого п-го корпуса

Решая последнее уравнение относительно W_n, находим количество воды, выпаренной в п-ом корпусе

Величина называется коэффициентом испарения для данного корпуса. Числитель этой дроби - это количество тепла, которое отдает 1 кг греющего пара в п корпусе, а знаменатель – количество тепла, которое затрачивается на образование 1 кг вторичного пара в том же корпусе. Таким образом, коэффициент испарения показывает, какое количество воды испаряется (или образуется вторичного пара) в корпусе за счет конденсации 1 кг греющего пара.

Величина называется коэффициентом самоиспарения и показывает, какое количество вторичного пара образуется в п корпусе за счет того, что раствор поступает в этот корпус с температурой t_n-1 > t_n, то есть перегретым.

С учетом принятых обозначений формула для определения количества воды, выпаренной в любом корпусе, примет вид

Метод расчета, предложенный И.А. Тищенко, отличается громоздкостью. Недостатком этого расчета является также пренебрежение тепловыми потерями, что отражается на точности результатов и несколько обесценивает сложные вычисления.

Полученный в результате эффект от самоиспарения компенсируется неучтенными тепловыми потерями.

Для расчета выпарной установки часто пользуются более простым методом, предложенным Классеном. В этом расчете принимают следующие допущения:

1) эффект самоиспарения компенсируется тепловыми потерями;

2) 1 кг греющего пара выпаривает в любом корпусе 1 кг воды ( ), то есть образует 1 кг вторичного пара, что близко к действительности.

Для двух и трехкорпусных выпарных установок, работающих под давлением, этот метод расчета дает вполне удовлетворительные результаты. Погрешность в определении W_n и D возрастает с увеличением числа корпусов. Наибольшая ошибка имеет место для последнего корпуса, работающего под вакуумом и имеющего небольшое значение W_n. Объясняется это тем, что в последнем корпусе наблюдается наибольший эффект самоиспарения и наименьшие тепловые потери, поэтому фактическое количество выпаренной в нем воды, больше расчетного.

Основные положения метода Классена рассмотрим на примере выпарной установки, состоящей из п корпусов, с заданными по корпусам отборами экстропара Е₁, Е₂, Е₃, …, Е_n-1 и количеством воды, выпаренной во всей установке.

Рис.4.10.

Обозначив количество воды, выпаренной в 1 корпусе, W₁ = x, находим количество воды, выпаренной в корпусах:

- в 1-ом корпусе ;

- во 2-ом корпусе ;

- в 3-ем корпусе ;

- для п-го корпуса . (1)

Сложив эти уравнения получим

(2)

Расход греющего пара, поступающего в 1 корпус, или количество выпариваемой из него воды

(3)

Подставляя в уравнение (1) х = W₁ из уравнения (3) находим количество воды, выпаренное в любом корпусе выпарки

(4)

Решая уравнение (4) относительно W, получим выражение, связывающее общее количество выпаренной воды с заданными пароотборами и количеством воды, выпаренной в последнем корпусе,

(5)

Анализируя полученные уравнения, можно сделать следующие выводы:

1) производительность выпарной установки зависит от величины пароотбора и возрастает при его увеличении. Влияние пароотбора на производительность увеличивается по мере удаления от головного корпуса согласно уравнению (5);

2) при увеличении пароотбора возрастает расход греющего пара в 1ом корпусе; при неизменной производительности большее влияние на расход пара оказывает изменение парооборота из головных корпусов (3);

3) при вычислении по уравнению (4) количества воды выпариваемой в последнем корпусе, можно получить отрицательное значение; это значит, что принятый пароотбор нужно изменить, уменьшив его из хвостовых корпусов и увеличив из головных;

4) экономически выгоднее повышать пароотбор из хвостовых корпусов, так как это в большей степени повышает производительность установки (см.5) или уменьшает расход греющего пара (см. 3);

5) при выпаривании без пароотбора выпаренная вода равномерно распределяется по корпусам установки, то есть , что видно из уравнения (4). При отсутствии пароотбора расход греющего пара на выпарку меньше, чем при пароотборе. Однако при пароотборе экономичность всей установки, включая и заводские теплообменники, обогреваемые вторичным паром, повышается.

4.10.7 Полезная разность температур и температурные потери при выпаривании.

В выпарных установках различают полную и полезную разность температур.

Полезная разность температур при выпаривании – это разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора; эта разность является основным фактором, определяющим интенсивность выпаривания и производительность выпарной установки.

Полной разностью температур называется разность между температурами пара, обогревающего первый корпус, и вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в конденсатор, то есть

Полезная разность температур, обеспечивающая теплопередачу, меньше полной разности температур на величину температурных потерь:

Температурные потери при выпаривании вызываются физико-химической депрессией _ф.х, гидростатической депрессией и гидравлической депрессией.

Тогда .

Физико-химическая депрессия – это разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя при одинаковом давлении. Пренебрегая незначительным повышением температуры вторичного пара в результате взаимодействия его с брызгами шипящего раствора, принимают температуру вторичного пара t_вт равной температуре насыщенного пара чистого растворителя при заданном давлении.

Таким образом, можно записать:

С увеличением концентрации раствора и давления в аппарате физико-химическая депрессия возрастает.

Гидростатическая депрессия - разность между температурами кипения в верхнем слое раствора и в среднем по высоте слое, вызванным гидростатическим давлением столба жидкости, равным 1 – 2 градуса на корпус.

Гидравлическая депрессия - это разность между температурами вторичного пара над раствором и в конце паропровода; она соответствует потере давления пара при движении ее через аппарат и паропровод. В расчетах принимают = 1 градус на каждый корпус.

Полезная разность температур при выпаривании

Температурные потери повышают температуру кипения раствора и уменьшают тем самым полезную разность температур при выпаривании; последнее приводит к увеличению поверхности нагрева выпарного аппарата. Это экономически не выгодно, поэтому температурные потери стремятся уменьшить.

Полезная разность температур , необходимая для передачи заданного количества тепла Q через поверхность нагрева F, определяется по формуле

,

где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;

W – количество выпаренной воды, кг/с;

к – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² к).

- массовое напряжение поверхности нагрева, кг/(м² с), то есть количество воды, выпариваемой с 1 м² поверхности нагрева за 1 с.

При распределении полезной разности температур между отдельными корпусами следует руководствоваться следующими соображениями:

1) В последних корпусах выпарки условия теплообмена ухудшаются и коэффициент теплопередачи падает. Чтобы для этих корпусов не требовалась чрезмерно большая поверхность нагрева, полезную разность температур увеличивают от первого корпуса к последнему.

2) Для уменьшения поверхности нагрева в корпусах, имеющих большую тепловую нагрузку, нужно в них обеспечить большую разность температур.

3) Минимальный полезный температурный перепад, при котором аппарат с естественной циркуляцией будет работать устойчиво, принимается для каждого корпуса 6 – 7 градусов, а для аппаратов с принудительной циркуляцией допускается 4 – 5 градусов.

В промышленности большое применение получили выпарные установки, корпуса которых имеют одинаковые поверхности нагрева. Благодаря однотипности и взаимозаменяемости таких поверхностей упрощается эксплуатация и ремонт выпарной установки.

В соответствии с основным уравнением теплопередачи

,

полезные разности температур в корпусах равны

и .

Так как по условию F₁ = F₂ = … = F_n то, заменяя F₁, F₂ и F_n величиной F и складывая полезные разности температур отдельных корпусов, найдем общую полезную разность температур на установке:

или , откуда .

Подставляя полученные значения в уравнение * получим

.