3.3 Способы выпаривания

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

В том случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной.

Если же в установке имеются два или более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпусной.

3.3.1 Однокорпусное выпаривание

Процесс однокорпусного выпаривания проводят в одном аппарате. Исходный разбавленный раствор поступает в пенную часть сепаратора и затем попадает в кипятильные трубы. Первичный пар направляют в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется, отдавая теплоту конденсации через стенки кипятильных труб к кипятильному раствору.

Выпарной аппарат с внутренней циркуляционной трубой, представленный на рисунке 2, работает по принципу направленной естественной циркуляции, которая вызывается различием плотностей кипящего раствора в циркуляционной трубе 3 и в кипятильных трубах греющей камеры 2. Разность плотностей обуславливается различием удельного теплового потока, приходящегося на единицу объема раствора: в кипящих трубах он выше, чем в циркуляционной трубе. Поэтому интенсивность кипения, а следовательно, и парообразование в них тоже выше; образующаяся здесь парожидкостная смесь имеет ме-ньшую плотность, чем в циркуляционной трубе. Это приводит к напра-вленной циркуляции кипящего раствора, который по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубам поднимается вверх. Парожидкостная смесь попадает затем в сепаратор, в котором пар отделяется от раствора и его выводят из аппарата. Упаренный раствор выходит из штуцера в днище аппарата. Таким образом, в аппаратах с естественной циркуляцией раствора создается организационный циркуляционный контур по схеме: кипятильные (подъемные) трубы паровое пространствоциркуляционная трубаподъемные трубы и т.д.

В однокорпусной выпарной установке расход тепла велик, т.к. на выпаривание 1 кг воды расходуется примерно 1 кг пара, поэтому однокорпусные аппараты применяются в малых по масштабу производствах, где имеет значение простота устройства.

1 – сепаратор; 2 – греющая камера; 3 – циркуляционная труба; 4 – барометрический конденсатор; 5 – барометрическая труба; 6 – вакуум-насос

Рисунок 2 – Схема однокорпусной выпарной установки

3.3.2 Многокорпусное выпаривание

При многократном выпаривании в качестве греющего используется вторичный пар и, следовательно, достигается значительная экономия тепла. Проведение подобного процесса возможно либо при использовании греющего пара высокого давления, либо при применении вакуума.

Сущность процесса состоит в том, что он проводится в несколько соединенных последовательно аппаратах, давление в которых поддерживают так, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог быть использован как греющий пар в последнем аппарате.

Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.

Наибольшее распространение в промышленных условиях получили прямоточные выпарные установки (рисунок 3).

Здесь греющий пар и выпариваемый раствор направляют в первый корпус, затем частично упаренный раствор самотеком перетекает во второй корпус и т.д.; вторичный пар первого корпуса направляют в качестве греющего пара во второй корпус и т.д.

Рисунок 3 – Многокорпусная прямоточная выпарная установка

Достоинства:

- нет необходимости в установке насосов для перекачивания кипящих растворов, т.к. перетекание раствора из корпуса в корпус благодаря разности давлений идет самотеком.

- температура кипения раствора и давление 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 t_кип. В последнем корпусе идет на дополнительное испарение растворителя из этого же раствора. Это явление называется самоиспарение.

Недостатки:

- понижение t_кип и увеличение концентрации раствора от первого корпуса к последнему, что увеличивает вязкость раствора и уменьшает теплоотдачу при кипении, а следовательно, приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи и, как следствие, к увеличению общей поверхности теплообменника.

В противоточном выпарном аппарате (рисунок 4) свежий греющий пар поступает как и в прямоточном случае в первый корпус, а вторичные пары в качестве греющих перемещаются в направлении от корпуса 1 к корпусу 3. Выпариваемый раствор вводится в корпус 3, перемещающийся в установке в направлении от корпуса 3 к корпусу 1, и отбирается из корпуса 1. Так как давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, то для перемещения раствора используют насосы.

Достоинства: более концентрированный раствор, выпарившийся при более высоком давлении и соответственно температуре. Это по-зволяет повторность нагрева.

Недостатки: необходимость включения в схему насосов для перекачивания раствора из корпуса в корпус.

Рисунок 4 – Многокорпусная противоточная выпарная установка