2. Сравнительная характеристика и выбор основного оборудования

2.1. Процесс выпаривания

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путём частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объёма раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.

В химической промышленности выпариванию подвергают растворы твёрдых веществ (главным образом водные растворы щелочей, солей и др.), а также растворы высококипящих жидкостей, обладающих при температуре выпаривания очень малым давлением пара (некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.) [2].

Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде. Но обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в применяемых для выпаривания аппаратах вещество должно оста­ваться в текучем состоянии. В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора [4]. При дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т. е. выделение из него твердого вещества.

Концентрированные растворы и твёрдые вещества, получаемые в результате выпаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать [2].

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между тепло­носителем и кипящим раствором принято называть полезной раз­ностью температур [4]. Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным. Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Под вакуумом процесс выпаривания можно проводить при более низких температурах, что важно для веществ, склонных к разложению. В этом способе увеличивается полезная разность температур и вторичный пар можно использовать для нагрева самой установки.

Работа аппарата под давлением только для термически стойких продуктов, потому что увеличивается температура кипения. Пар используют для нагрева самой установки и отбирают на сторону, для других нужд (экстра-пар).

Выпаривание под атмосферным давлением – самый простой , но наименее экономичный способ, так как вторичный пар выбрасывается в атмосферу.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах. Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединённых корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, то есть создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности [2].

Выпарные установки состоят из основных элементов – выпарных аппаратов (испарителей) и вспомогательного оборудования – конденсаторов, самоиспарителей, теплообменников, насосов и др. [5]

Рис.1. Схема однокорпусной выпарной установки:

1-сепаратор; 2-греющая камера; 3-циркуляционная труба; 4-барометрический конденсатор; 5-барометрическая труба; б - вакуум-насос.

В отличие от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис.1): греющей камеры, или кипятильника, 2 (как правило, в виде пучка труб) и сепаратора 1, предназначенного для улавливания капель раствора из пара, обра­зующегося при кипении раствора. Для более полного улавливания в сепараторе устанавливают различные по конструкции брызгоуловители [4].

Для снижения скорости отложения загрязнений (накипи) на стенках труб в выпарных аппаратах создают условия для интенсив­ной циркуляции раствора (при этом скорость движения раствора в трубах составляет 1-3 м/с).

В химической промышленности применяются в основном непрерывно действующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а также при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций иногда используют выпаные аппараты периодического действия [2].