Основи випаровування

Випаровування являє собою процес збільшення концентрація розчиненої речовини шляхом випаровування з розчину рідкого леткого розчинника. Найбільш інтенсивно процес випаровування йде при кипінні розчину, отже визначення температури кипіння розчину є головною задачею в розрахунку випарних установок. Температура кипіння визначається родом розчиненої речовини, розчинника та тиском (тиском насиченого пару над розчином). Температура кипіння розчину відрізняється від температури утвореного пару на величину двох температурних депресій: концентраційної та гідростатичної.

Концентраційна депресія являє собою різницю між температурою кипіння на поверхні розчину та температурою утвореного пару:

,

де t_кі – температура кипіння розчину, - температура утвореного пару.

Величина визначається концентрацією та родом розчиненої речовини та тиском над розчином. Якщо відома температура кипіння розчину за атмосферного тиску, та якщо розчинником є вода, то за атмосферного тиску

Зміна величини концентраційної депресії за тиску, що відрізняється від атмосферного, можна врахувати за формулою І.А. Тищенко

де - температурна депресія за тиску р; Т – абсолютна температура кипіння розчиннику за тиску р, К; r – прихована теплота пароутворення води за тиску випаровування, кДж/кг.

Гідростатична температурна депресія визначається різницею температур кипіння на глибині та на поверхні розчину:

де t_hk – температура кипіння розчину на глибині h, що визначається за тиску

p = p₀ + gh

де p – тиск на глибині, Па; p₀ – тиск на поверхні, Па;  - щільність розчину, кг/м3; h – середня висота шару розчину, що дорівнює половині від загальної висоти шару киплячого розчину, м.

Таким чином температура кипіння розчину

Нагрівання розчину здійснюється насиченим водяним паром, що називається гріючим. Пар, що утворюється з розчину називається вторинним. Витрата гріючого пару на випаровування визначається за рівнянням

де G_пар - витрата гріючого пару, кг/с; W – кількість вторинного пару, кг/с; i' – тепловміст вторинного пару, кДж/кг; і – тепловміст гріючого пару, кДж/кг; С – теплоємність конденсату, кДж/(кгК); t' – температура конденсату гріючого пару.

Кількість випареної води визначають за формулою

де G₀ – початкова витрата розчину, кг/с; , - початкова та кінцева концентрація розчину, % за масою.

Важливою характеристикою випарної установки є питома витрата пару, що можна зменшити, якщо вторинний пар використовувати в якості гріючого у наступному апараті. Однак, щоб змусити вторинним паром розчин кипіти, у кожному наступному апараті необхідно підтримувати більш низький тиск, ніж у попередньому. Це і є головний принцип багатокорпусної випарної установки.

Кожен апарат випарної установки складається з гріючої камери (кип'ятильника) та сепаратора для відокремлення вторинного пару згущеного розчину. Вторинний пар, що виводиться зі станції, конденсується спочатку у поверхневому конденсатору, а потім у конденсаторі змішування. Випарні апарати нумерують за ходом пару, отже свіжий гріючий пар надходить до першого апарату, а до конденсатору надходить вторинний пар з останнього корпусу. Щоб поверхня теплопередачі випарних апаратів використовувалась безпосередньо для випаровування розчиннику, вихідний розчин нагрівають до температури кипіння у тому корпусі, куди подається розчин. Утворений вторинний пар має меншу температуру, ніж температура кипіння розчину, на величину температурних депресій. Задля того, щоб забезпечити кипіння розчину у наступному корпусі, зменшують тиск настільки, щоб компенсувати температурні депресії та корисну різницю температур у корпусі.

При проходженні сепаратору та паропроводу між корпусами вторинний пар втрачає частину свого тиску, отже його температура зменшується. Ці температурні втрати називають гідродинамічними депресіями та позначають '''. Величина цієї депресії не перевищує 1-1,5⁰С. Загальне число випарних апаратів багатокорпусної випарної установки визначається загальним перепадом температур пару в установці t_заг = ₁ - _n' та сумарною величиною всіх температурних депресій, при цьому корисна різниця температур у кожному апараті не повинна бути менше за 5-8⁰С. Якщо гріючий пар та розчин рухаються паралельно, то така система живлення називається прямоточною. Якщо розчин рухається від останнього корпусу до першого, то така система живлення називається противоточною.