72. Выпаривание. Способы выпаривания. Классификации и конструкции выпарных аппаратов. Схемы многокорпусных выпарных аппаратов.

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления летучего растворителя в виде паров. Выпаривание обычно проводится при кипении. Обычно из раствора удаляется только часть растворителя, так как вещество должно оставаться в текучем состоянии.

Существует три метода выпаривания:

• поверхностное выпаривание осуществляется путем нагревания раствора на теплообменной поверхности за счет подвода тепла к раствору через стенку от греющего пара;

• адиабатическое выпаривание, которое происходит путем мгновенного испарения раствора в камере, где давление ниже, чем давление насыщенного пара;

• выпаривание путем контактного испарения  нагревание раствора осуществляется при прямом контакте между движущимся раствором и горячим теплоносителем (газом или жидкостью).

Поверхностное выпаривание

В промышленной технологии в основном применяется первый метод выпаривания. Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. Разность температур между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур.

В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах применяется насыщенный водяной пар (греющий или первичный). Выпаривание – типичный теплообменный процесс – перенос теплоты за счет конденсации насыщенного водяного пара к кипящему раствору.

В отличие от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов: греющей камеры или кипятильника и сепаратора (рис. 3.1). Сепаратор предназначен для улавливания капель раствора из пара, который образуется при кипении. Этот пар называется вторичным или соковым. Температура вторичного пара всегда меньше температуры кипения раствора. Для поддержания постоянного вакуума в конденсаторе необходимо отсасывать парогазовую смесь вакуум-насосом.

Рис. 3.1. Однокамерная выпарная установка: 1 – сепаратор; 2 – греющая камера;

3 – циркуляционная труба; 4 – конденсатор; 5 – барометрическая труба

В зависимости от давления вторичного пара различают выпаривание при р_атм, р_изб, р_вак. В случае выпаривания при р_вак снижается температура кипения раствора, при p_изб – вторичный пар используется в технологических целях. Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Например, для насыщенного водного раствора NaCl (26 ) T_кип = 110 С, для воды T_кип = 100 С. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называется экстра паром.

Классификация и конструкция выпарных установок

В случае, если в выпарной установке имеется лишь один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной (рис. 3.1). Если же в выпарной установке имеется 2 или более выпарных аппаратов, то такую установку называют многокорпусной (многократной, многоступенчатой). В этом случае, вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что экономно. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса, образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и т.д. Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и до высоких концентраций раствора. Выпарные установки в основном работают в непрерывном режиме.

Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.

Прямоточные выпарные установки распространены наиболее широко. Их преимущество – для подачи раствора на следующий корпус не требуется насоса, поскольку перетекание раствора из корпуса в корпус, благодаря разности давлений, идет самотеком. Температура кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор в корпуса (кроме первого) поступает перегретым. Теплота, которая выделяется при охлаждении раствора до кипения в последующем корпусе, идет на дополнительное испарение из этого же раствора.

В прямоточной схеме (рис. 3.2) выпарной установки происходит понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора от первого корпуса к последнему. Это приводит к повышению вязкости раствора и, следовательно, к уменьшению коэффициента теплопередачи и увеличению общей поверхности теплообмена.

Рис. 3.2. Многокорпусная выпарная установка прямоточного типа

В противоточных выпарных установках греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях (рис. 3.3). Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора нужны насосы.

Рис. 3.3. Противоточная многокорпусная выпарная установка

В качестве греющего теплоносителя в выпарных установках используется насыщенный водяной пар с давлением р = 0,5–1,0 МПа и температурой 140–180 С.

Конструкции выпарных аппаратов (ВА) многообразны: с паровой «рубашкой», змеевиковый, с горизонтальной греющей камерой, вертикальной греющей камерой (наиболее распространенные), пленочные, роторные и барботажные ВА (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схемы выпарных аппаратов: а, б – с естественной циркуляцией раствора;

в, г – принудительной циркуляцией; д, е – пленочные аппараты с восходящей

и нисходящей пленкой раствора соответственно

Хорошая циркуляция раствора в аппаратуре способствует интенсификации теплообмена, предотвращает быстрое отложение накипи на стенках кипятильных труб.

ВА с естественной циркуляцией движение раствора вызвано различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. В этих аппаратах скорости циркуляции небольшие, поэтому реализуются небольшие значения коэффициентов теплопередачи. Скорость циркуляции раствора в ВА с вынесенной трубой больше, чем в аппаратах центральной циркуляцией. Более высокие скорости циркуляции достигаются в ВА с принудительной циркуляцией (для парожидкостной смеси w = 2 2,5 м/с), поэтому эти аппараты могут работать и при небольших значениях полезных разностях температур. Пленочные ВА используются для разделения нетермостойких растворов.

В пленочном выпарном аппарате с восходящей пленкой жидкости исходный раствор поступает в трубы снизу и заполняет одну четверть трубы. Происходит кипение раствора, образующийся пар увлекает раствор в виде кольцевой пленки. Кольцевая пленка при кипении испаряется (рис. 3.5). Для снижения температуры кипения растворов процесс, как правило, проводится под вакуумом.

Рис. 3 5. Структура двухфазных потоков при кипении раствора

в вертикальной трубе

Роторные ВА применяются для выпаривания высоковязких пастообразных продуктов. Барботажные ВА используются для выпаривания агрессивных жидкостей. Барботаж осуществляется дымовыми газами с помощью погружных горелок.