2. Однокорпусные выпарные установки

К ак указывалось, 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. XIII-1).

Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей) ка­меры 1 и сепаратора, 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате (рис. XIII-1) или камера может быть выне­сена и соединена с сепаратором трубами (рис. XIII-1). Камера обогревается обычно водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры.

Поднимаясь по трубам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидко­сти происходит в сепараторе 2. Освобожден­ный от брызг и капель вторичный пар уда­ляется из верхней части сепаратора.

Часть жидкости опускается по циркуля­ционной трубе 4 под нижнюю трубную ре­шетку греющей камеры. Вследствие раз­ности плотностей раствора в трубе 4 и парожидкостной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный (сконцентрированный) раствор удаляется через штуцер в днище аппа­рата.

Имеются также конструкции выпарных аппаратов без циркуляционной трубы.

Если выпаривание производится под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом (на рис XIII-1 не показаны).

Материальный баланс. Согласно рис. XIII-1, на выпаривание поступает G_H кг/сек исходного раствора концентрацией b_н вес. % и удаляется G_k кг/сек упаренного раствора концентрацией b_к вес. %. Если в аппарате выпаривается W кг/сек растворителя (воды), то общий материальный баланс аппарата выражается уравнением

G_н = G_к + W (XIII.1)

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, находящемуся в растворе:

(XIII.2)

В уравнения (XIII,1) и (XIII,2) входят пять переменных, из которых какие-либо три величины должны быть заданы. При практических рас­четах наиболее часто бывают заданы: расход исходного раствора G_н, его концентрация b_н и требуемая конечная концентрация b_к упаренного раствора. Тогда по уравнениям (XIII,1) и (XIII,2) определяют производи­тельность аппарата:

по упаренному раствору

(XIII,3)

по выпариваемой воде

(XIII.4)

Тепловой баланс. Введем обозначения D — расход греющего пара; I_г— его энтальпия; I — энтальпия вторичного пара; i_н = c_нt_н — энталь­пия исходного раствора; i = c_кt_к — энтальпия конечного (упаренного) раствора; i' = c' — энтальпия конденсата греющего пара; с_н, с_к, с' — средние удельные теплоемкости исходного раствора, конечного раствора и конденсата соответственно (в пределах от 0 °С до температуры жидкости); t_н, t_к,  — температуры исходного и конечного растворов и насыщения греющего пара соответственно.

Приход и расход тепла будут:

Приход тепла Расход тепла

С исходным раствором.G_нi_н С упаренным раствором…G_Ki'_K

С греющим паром …… DI_г С вторичным паром………WI

С паровым конденсатом ….Di'

Теплота концентрирования………………………..Q_конц Потери тепла в окружаю-­

щую среду…………………Q_n

Соответственно уравнение теплового баланса имеет вид:

G_нi_н + Dl_г = G_кi_к + Wl + Di′ + Q_конц + Q_к (XIII.5)

Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и подлежащей испарению воды и допуская, что теплоемкость с_н исходного раствора в пределах температур от t_н до t_k остается постоянной, запишем тепловой баланс смешения при температуре кипения раствора в аппарате:

G_нс_нt_н = G_кс_к t_k + Wс"t_к (XIII,5)

где с" — средняя удельная теплоемкость воды (в пределах температур от 0°С до t_к).

Отсюда

G_кс_к = G_нс_н + Wс" (XIII.6)

Подставляя значения i_н, i_k,, i' и G_kc_k в уравнение (IX,5), получим

G_нс_нt_н + Dl_г = G_нс_нt_к + Wс"t_к + Wl + Dc′ + Q_конц + Q_п

Из этого уравнения определим количество тепла, подводимого в еди­ницу времени с теплоносителем (греющим паром), или тепловую нагрузку Q выпарного аппарата:

Q = D(l_г – c′) = G_нс_н(t_н – t_к) + W(l – с"t_к)+ Q_конц + Q_п (XIII,7)

Первый член правой части уравнения (IX,7) выражает расход тепла в аппарате на нагревание исходного раствора до температуры кипения, второй член правой части — расход тепла на испарение влаги из рас­твора. Кроме того, тепло затрачивается на концентрирование раствора (если тепловой эффект концентрирования отрицателен) и на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.

Входящая в уравнение (XIII,8) теплота концентрирования Q_конц выра­жает тепловой эффект концентрирования раствора. Она равна разности (q кДж/кг) интегральных теплот растворения 1 кг растворенного вещества в исходном и концентрированном растворах, взятой с обратным зна­ком и умноженной на расход растворенного вещества.

Так как при концентрировании раствора тепло может поглощаться или выделяться, то Q_конц может входить не только в расходную, но и в приходную части теплового баланса. Теплота концентрирования учи­тывается в тепловом балансе выпарного аппарата, если она значительна и ею пренебречь нельзя.

Величину Q_n обычно принимают в виде доли от тепловой нагрузки Q аппарата; обычно задаются Q_n = (0,03—0,05) Q. Эту величину потерь тепла в окружающую среду обеспечивают благодаря необходимой тол­щине тепловой изоляции аппарата.

Из уравнения (XIII,7) может быть определен расход греющего пара:

(XIII.8)

Из уравнения (XIII,8) можно, пренебрегая величинами Q_конц и Q_n, определить теоретический расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды). Если принять, что исходный раствор поступает в аппарат предва­рительно нагретым до температуры кипения, т.е. t_n — t_k, то

(XIII.9)

где t_г — с' = t' — теплота конденсации греющего пара; I - c"t_k = r — теплота испа­рения воды из кипящего раствора, которая в первом приближении может быть принята равной r'.

Это означает, что масса расходуемого греющего пара равна массе выпариваемой воды, или приближенно: в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды надо затратить 1 кг греющего пара. Практически же, с учетом потерь тепла в окружающую среду и того, что r > r', удельный расход греющего пара увеличивается и составляет 1.1-1.2 кг/кг испаряемой влаги.