10) Выпаривание

4.3. Выпаривание

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, которое 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, при котором нагревание раствора осуществляется при прямом контакте между движущимся раствором и горячим теплоносителем (газом или жидкостью).

В промышленной технологии, в основном применяется, первый метод выпаривания. Далее о первом методе. 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 отличии от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис.4.32):

-греющей камеры или кипятильника,

-сепаратора.

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.

В зависимости от давления вторичного пара различают выпаривание при ратм, ризб, рвак. Выпаривание при рвак - снижается температура кипения раствора, при pизб-вторичный пар используется в технологических целях. Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Например, для насыщенного водного раствора NaCl (26%) Т кип 1100 С , для воды Т кип 1000 С .

одной из величин, например, x задаемся.

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса (рис.4.37):

теплоты в окружающую среду, Дж .

с

Индексы н – начальное, к – конечное, вп – вторичный пар, п – потери, г -

греющий пар, гк – конденсат греющего пара.

•

W, HВП втор.пар

•

• QП

исх.р-р LH , xH , HH

•

гр.пар D , HГ

•

D , HГК конденсат

Рис.4.37. Схема массовых и тепловых потоков ВА

Здесь искомая величина FП , К коэффициент теплопередачи определяется по известным формулам. Возникает проблема расчета полезной разности температур Т П .

4.3.3. Температурные потери

Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления греющего и вторичного паров, то есть их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарных аппаратов:

Общая разность температур Т ОБЩ связана с полезной разностью температурТ П соотношением:

Здесь концентрационная температурная депрессия,

гидростатическая температурная депрессия.

определяют как разницу температур кипения раствора Ткип.р и чистого

растворителя Ткип.чр при p const :

Таким образом, температура образующегося при кипении раствора вторичных паров ниже, чем температура кипения самого раствора, то есть часть температур теряется бесполезно.

характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением гидростатического давления. Обычно по высоте кипятильных труб определяют среднее давление, и для этого давления определяют среднюю температуру

кипения растворителя Т ср .

4.3.4.Многокорпусное выпаривание

Вмногокорпусном выпарной установке вторичный пар (рис 4.33 и 4.34) предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара в последующем

корпусе. Такая организация выпаривания приводит к значительной экономии

греющего пара на процесс уменьшается пропорционально числу корпусов. Практически, в реальных условиях такое соотношение не выдерживается, оно, как правило, выше.

Многокорпусная прямоточная выпарная установка изображена на рис.4.33.

Материальный и тепловой балансы многокорпусных установок

Уравнения материальных и тепловых балансов для многокорпусной выпарной установки представляют собой систему уравнений, записанных для каждого корпуса в отдельности. Уравнения материальных балансов позволяют определить количество испаренной воды в установке и концентрацию растворенного вещества по корпусам при условии, если задан закон распределения испаренной воды по корпусам.

Общее количество испаренной воды в установке определяется как:

Очевидно, W П равно сумме количеств воды, выпариваемой по корпусам:

Концентрацию растворов на входе из каждого корпуса можно определить по уравнению (4.91) .

для первого корпуса: