2.2 Технологические основы процесса

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Основной задачей выпарных установок является концентрирование растворов, выделения из растворов растворенного вещества в чистом виде. Попутно с этими основными задачами выпарные установки снабжают завод горячим паром за счет отбираемых вторичных паров, а также обеспечивают котельные установки и другие технологические потребности производства горячими конденсационными водами.

Выпарные аппараты бывают периодического и непрерывного действия.

Выпарные аппараты можно классифицировать по признакам:

• роду теплоносителя или методу обогрева;

• расположению и виду поверхности теплообмена;

• расположению рабочих сред;

• режиму и кратности циркуляции раствора.

В зависимости от метода обогрева выпарные аппараты бывают:

• с газовым обогревом;

• с обогревом жидким теплоносителем;

• с паровым обогревом;

• с непосредственным обогревом;

• с электрообогревом.

Наибольшее применение получили аппараты с паровым обогревом потому, что водяной пар характеризуется высокой скрытой теплотой конденсации, высоким коэффициентом теплоотдачи; паровой обогрев характеризуется гибкостью регулирования.

По расположению поверхности теплообмена выпарные аппараты могут быть вертикальными, горизонтальными и реже наклонными. Поверхность теплообмена может быть конструктивно оформлены в виде пучка труб, в виде змеевика или в виде паровой рубашки.

По расположению рабочих сред выпарные аппараты подразделяются на аппараты с подачей греющего пара в трубки (т.е. кипение раствора в большом объеме корпуса) и подачей греющего пара в межтрубное пространство (кипение раствора в трубках).

По режиму движения жидкости аппараты подразделяются на выпарные аппараты со свободной и принудительной циркуляцией, однократной или многократной. Естественная циркуляция может осуществляться в объеме аппарата, лидо обеспечиваться специальными циркуляционными трубами. Принудительная циркуляция организуется с помощью насосов, мешалок или подачи пара (газа).

По кратности циркуляции выпарные аппараты бывают с однократной или многократной циркуляцией раствора.

По направлению движения пара и жидкости – на аппараты, в которых жидкость движется снизу вверх или сверху вниз. Аппараты с ниспадающей пленкой также подразделяются по направлению движения вторичного пара вверх или вниз. Последний способ благоприятно сказывается на режиме теплообмена, так как движение пара и пленки в одном направлении способствует увеличению скорости пленки.

Выпарные аппараты также могут подразделяться по степени концентрирования – на аппараты небольших концентраций и аппараты высоких концентраций, используемые в однокорпусных установках и в последних ступенях установки.

Наиболее распространенным теплоносителем в выпарной технике является водяной пар, поэтому в большинстве случаев основной процесс в греющей камере – конденсация пара.

Примем, что на выпаривание поступает G_н кг/с исходного раствора концентрацией b_н, вес % и удаляется G_к кг/сек упаренного раствора концентрацией b_к, вес %. Если в аппарате выпаривается W кг/с растворителя, то общий материальный баланс аппарата имеет вид:

(2.1)

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, находящемуся в растворе, имеет вид:

(2.2)

Для составления теплового баланса введем обозначения:

D – расход греющего пара;

J, J_г, i_н, i_к – энтальпия вторичного и греющего пара, исходного и упаренного растворов соответственно;

– энтальпия парового конденсата,

где – удельная теплоемкость, – температура конденсата.

Получим уравнение:

(2.3)

Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренной влаги, можно записать следующее частное уравнение теплового баланса смешения при постоянной температуре кипения t_к:

(2.4)

Отсюда

(2.5)

Поверхность нагрева непрерывно действующего выпарного аппарата определяем на основе уравнения теплопередачи:

(2.6)

где Q – тепловая нагрузка аппарата;

k – коэффициент теплоотдачи;

F – поверхность нагрева;

– движущая сила процесса.

Тогда поверхность нагрева равна:

(2.7)

Полезная разность температур в выпарном аппарате представляет собой разность температуры конденсации Т, ⁰С греющего пара и температуры кипения t_к, ⁰С выпариваемого раствора.

(2.8)