3.1.1 Изменение свойств раствора при выпаривании

В процессе выпаривания увеличивается концентрация твердых веществ в растворе, что приводит к изменению его теплофизических свойств. На (рисунке 3.2 а) показано их изменение в процессе выпаривания при увеличении концентрации от начальной СВ_Н до конечной СВ_К за время τ при постоянном давлении пара над кипящим раствором.

По мере сгущения раствора его концентрация асимптотически прибли­жается к теоретическому пределу СВ_теор = 100%.

При достижении концентрации пересыщения СВ_n в кристаллизующихся растворах начинается выпадение избытка растворенного вещества в осадок, и при дальнейшем выпаривании происходит рост массового содержания кри­сталлов в растворе К_р. Концентрация пересыщения СВ_n служит границей между областями ненасыщенных растворов I (для сгущения которых исполь­зуются обычно выпарные аппараты) и пересыщенных кристаллизующихся растворов II (здесь применяются вакуумные аппараты). Концентрация пересыщения СВ_n может изменяться в пределах за­штрихованной площади в зависимости от конкретных условий (температуры, требуемой степени пересыщения и т.д.). В области пересыщения кривая кон­центрации раздваивается. Верхняя ее часть относится ко всей увариваемой массе, включая кристаллы, а нижняя показывает концентрацию твердого ве­щества в маточном растворе. Из (рисунка 3.2 б) следует, что температура кипения раствора t_p увеличива­ется вследствие

Рисунок 3.1 – Cтруктурно-логическая схема расчета процесса

выпаривания.

повышения значения физико-химической депрессии ∆ф (разности между температурами кипения раствора и растворителя).

При этом значение t_p больше температуры вторичного пара t_вт , находящегося над раствором, на величину ∆ф.

Общая кривая вязкости ν раздваивается: верхняя характеризует эф­фективную вязкость всей суспензии, а нижняя - маточного раствора ν_м.

I -область ненасыщенного раствора;

II - область пересыщения и кристаллизации

Рисунок 3.2 – Изменение теплофизических свойств раствора при выпари­вании

В целом по мере роста концентрации, плотности и вязкости раствора уменьшают­ся его температуропроводность и теплоемкость. Это приводит к увеличению величины критерия Прандтля Pr = ν/a и, как следствие, ухудшению условий теплоотдачи от поверхности нагрева к кипящему раствору (уменьшается зна­чение коэффициента теплоотдачи α₂).

В заключение отметим, что при выпаривании некристаллизующихся растворов (паточная барда) область II на рисунке 3.2 б, отсутствует, и кривые концентрации и вязкости не раздваиваются.

3.1.2 Методы выпаривания

В промышленности широко используют однократное выпаривание, осуществляемое периодически или непрерывно в однокорпусных выпарных аппаратах, и многократное, проводимое непрерывно в многокорпусных вы­парных установках, составленных из нескольких однокорпусных аппаратов.

Однокорпусная выпарная установка (рисунок 3.3) предназначена для одно­кратного непрерывного выпаривания и применяется в малотоннажных произ­водствах. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не используется, а конденсируется в конденсаторе. Основные аппараты уста­новки - выпарной аппарат, подогреватель, барометрический конденсатор и насосы.

Выпарной аппарат (рисунок 3.4) состоит из греющей камеры, в которой находятся греющие трубы 1, циркуляционной трубы 2 и сепаратора 4. В пространство греющей камеры подается насыщенный водяной пар, а конден­сат отводится из ее нижней части. Выпариваемый раствор, поднимаясь снизу вверх по кипятильным трубкам, нагревается и кипит с образованием вто­ричного пара. Часть жидкости опускается по центральной трубе 2 в нижнюю часть греющей камеры и направляется в кипятильные трубки.

1,8- насос; 2 - расходомер; 3 - теплообменник; 4 - выпарной аппарат;

5 - барометрический конденсатор; 6 - ловушка; 7 - барометрическая труба.

Рисунок 3.3 – Однокорпусная выпарная установка непрерывного действия

Таким образом, происходит непрерывная цирку­ляция по замкнутому контуру вследствие разности плотностей раствора в центральной трубе и парожидкостной эмульсии в ки­пятильных трубках. Упаренный раствор удаляется через патру­бок, расположенный в днище 8 аппарата.

С

1 – греющие трубы; 2 – циркуляционная труба; 3 – погруженный дырчатый лист; 4 – сепаратор

Рисунок 3.4 – Схема устройства одиночного (однокорпусного)

выпарного аппарата

вежий раствор подаётся над верхней или нижней трубной решеткой. Вторичный пар запол­няет надрастворный объем, от­куда отводится через ловушки сепаратора 3, задерживающие брызги и капельки жидкости, че­рез верхний патрубок в конден­сатор.

В однокорпусной выпарной установке расход греющего пара составляет более 1 кг на 1 кг ис­паренной воды. Экономичность процесса может быть повышена только за счет рационального использования вторичного пара, как это происходит, например, в многокор­пусных выпарных установках.

Многокорпусная выпарная установка (рисунок 3.5) состоит из нескольких по­следовательно соединенных однокорпусных выпарных аппаратов. Ее принцип действия заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус, для обогрева последующих. При этом в каче­стве греющего пара последующего корпуса используется вторичный пар пре­дыдущего.

Исходный раствор, предва­рительно нагретый до температуры кипения, поступает в корпус I, обогре­ваемый первичным паром. Вторичный пар, образующийся в корпусе I, направляется в каче­стве греющего пара во второй. Здесь давление более низ­кое. Поэтому рас­твор, упаренный в корпусе I, перемещается во второй самотеком. Пониженное давление обу­словливает и более низкую температуру кипения раствора в корпусе II. По­этому раствор, пришедший из корпуса I, частично охлаждается до температу­ры кипения во втором. При этом выделяется тепло, приводящее к образова­нию дополнительного количества вторичного пара. Это явление называется самоиспарением раствора и происходит во всех корпусах, кроме первого. Аналогичная картина происходит в корпусе III. Вторичный пар из последнего корпуса поступает в барометрический конденсатор, где за счет его конденсации создается требуемое разрежение. Несконденсировавшиеся газы и воздух отсасываются вакуум-насосом.

Р – раствор; – греющий пар; К – конденсат; W – вторичный пар; Е – экстра-пар; ср – упаренный раствор; n – номер корпуса; В_n – вторичный пар, идущий в конденсатор.

Рисунок 3.5 – Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная

установка

Преимущества данной схемы:

– движение раствора самотеком из корпуса в корпус за счет разности давлений;

– возможность выпаривания термически нестойких растворов, т.к. в послед­нем корпусе наиболее упаренный раствор находится в зоне наименьших температур.

Недостаток прямоточной схемы заключается в более низком среднем коэффициенте теплопередачи по сравнению с противоточными установками. Это объясняется тем, что от корпуса к корпусу увеличивается концентрация раствора и уменьшается его давление, что и снижает коэффициенты тепло­отдачи.

В многокорпусную установку раствор может поступать противотоком. В этом случае схема движения пара осуществляется как при прямотоке, но ис­ходный раствор поступает в последний корпус, а в концентрированном виде выходит из первого. Таким образом, выпариваемый раствор перемещается противотоком по отношению к вторичному пару. Его движение обеспечивает­ся с помощью центробежных насосов, т.к. давление от последнего корпуса к первому постепенно возрастает. При противоточной схеме самоиспарение отсутствует. Обычно ее используют для выпаривания растворов до высоких конечных концентраций, когда в корпусе I возможно выпадение твердого ве­щества или вязкость раствора резко возрастает с увеличением его концен­трации. Достоинством противоточных установок является более высокий средний по установке коэффициент теплопередачи, а ее серьезным недос­татком - необходимость перекачивания выпариваемого раствора, что связано со значительными эксплуатационными расходами. В заключение отметим, что если расход греющего насыщенного водяного пара для однокорпусной уста­новки составляет более 1 кг на 1 кг выпаренной воды то для двухкорпусных установок он меньше в два, а для трехкорпусных – в три раза.