Випарювання_1doc

РОЗДІЛ ІV

ВИПАРЮВАННЯ

. Загальні відомості

Випарюванням називають процес концентрування рідких розчинів нелетких або малолетких речовин з рідких летких розчинників під час їхнього кипіння.

Випарюванню піддають розчини твердих речовин (водні розчини лугів, солей тощо), а також висококиплячі рідини, для яких за температури випарювання характерними є малі тиски пари – деякі мінеральні та органічні кислоти, багатоатомні спирти тощо. Випарювання інколи застосовують для виділення розчинника в чистому вигляді: під час опріснення морської води випарюванням утворену з неї водяну пару конденсують і воду використовують для питних чи технічних потреб.

На випарювання затрачається велика кількість теплоти. Тепло для випарювання можна підводити тими самими теплоносіями, які застосовують для нагрівання (димові гази, високотемпературні теплоносії), однак здебільшого тепловим агентим є водяна пара, і такий теплоносій називають гріючим або первинним. Пара, яка утворюється під час випарювання киплячого розчину, називається вторинною.

Під час кипіння пара видаляється зі всього об‘єму розчину, а за температур, що є нижчими від температури кипіння випаровування здійснюється тільки з поверхні рідини.

Концентрування розчинів і твердих речовин випарюванням здійснюють з метою полегшення і здешевлення подальшої їхньої переробки, збереження і транспортування.

Тепло, необхідне для випарювання розчину підводять або через стінку, що відділяє теплоносій від розчину, або безпосередньо введенням його в розчин, який випарюється.

Процеси випарювання проводять під вакуумом, за підвищеного або атмосферного тисків.

Перевагою випарювання під вакуумом є можливість здійснювати процес за нижчих температур, що є важливим у разі концентрування розчинів термочутливих речовин. Крім цього, під час створення розрідження, зростає корисна різниця температур між гріючим агентом і розчином, що дає змогу зменшити поверхню нагрівання апарату (за інших однакових умов). У разі однакової різниці температур можна використовувати гріючий агент з нижчими робочими параметрами (температура та тиск). Тому випарювання під вакуумом часто використовують для концентрування високо киплячих розчинів (розчинів лугів), а також концентрування розчинів з використанням теплоносія (пари) з невисокими параметрами. Застосування цього методу випарювання дає змогу використовувати в якості гріючого агенту вторинну пару самої випарної установки. Однак, використання вакууму призводить до зростання витрат на створення апарату.

Під час проведення випарювання під тиском більшим ніж атмосферний зростає температура кипіння, що дає можливість використовувати вторинну пару. Тому цей метод використовують для випарювання термічно стійких продуктів, а теплоносії повинні бути з вищоютемпературою.

Для проведення випарювання під атмосферним тиском вторинну пару не використовують. Такий спосіб є найпростішим але не економічним.

Випарювання під атмосферним тиском і деколи під вакуумом здійснюють в окремих випарних апаратах (однокорпусних випарних установках). Однак, більше розповсюдження мають багатокорпусні випарні установки - кілька послідовно з’єднаних випарних апаратів чи корпусів, в яких вторинна пара кожного попереднього корпусу направляється в якості гріючого агенту в наступний корпус. Зменшення тиску в цьому разі зменшується за напрямом руху випарюваного розчину так, що забезпечує наявність необхідної рушійної сили для здійснення процесу випарювання (різницю температур між вторинною парою з попереднього корпуса і киплячим розчином в цьому корпусі).

Порівняно з однокорпусними установками, у багатокорпусних досягається значна економія первинної пари, оскільки нею обігрівається тільки перший корпус.

Для економного використання первинної пари в однокорпусних установках встановлюють тепловий насос, що стискає вторинну пару на виході з апарата до тиску, який відповідає температурі первинної пари, після чого вона повертається в аппарат для випарювання.

За режимом проведення процесу розрізняють періодичне і безперервне випарювання. Періодичне випарювання застосовують у малотонажних виробництвах, коли необхідно одержати розчини з високими концентраціями, а також, коли випарювання супроводжується іншими технологічними процесами, що відбуваються в цьому самому апараті (наприклад кристалізацією).

За безперервного випарювання процес є встановленим в часі, тобто в установку в постійній кількості надходять початковий розчин і нагрівна пара, а з установки також безперервно і в постійній кількості відводяться концентрований розчин (кінцевий продукт), вторинна пара і конденсат нагрівної пари.

Поверхні нагрівання у сучасних випарних апаратах досягають 2000 м² (і більше) і потребують великої кількості тепла.

Однокорпусні випарні установки

Схема однокорпусної випарної установки

Однокорпусна випарна установка має один випарний апарат (корпус). Схема такого безперервно діючого випарного апарату з природною циркуляцією розчину (з внутрішньою центральною циркуляційною трубою) показано на рис.4.1. Апарат містить теплообмінний пристрій – нагрівну (гріючу) камеру 1 та сепаратор 2, об’єднані в одному апараті (рис.4.1). Існують конструкції з винесеною камерою і з’єднаною з сепаратором трубами (див. далі). Камера обігрівається здебільшого водяною насиченою парою, що поступає у її між трубний простір. Конденсат відводять знизу камери.

Рис. 4.1. Схема однокорпусного випарного апарата:

1 – нагрівальна камера; 2 – сепаратор; 3 – кип‘ятильні труби; 4 – циркуляційна труба

Піднімаючись трубами 3, випарюваний розчин нагрівається і кипить з утворенням вторинної пари. Відділення пари від рідини відбувається в сепараторі 2. Вивільнена від крапель вторинна пара видаляється з верхньої частини сепаратора. Частина рідини опускається циркуляційною трубою 2 під нижню трубну решітку гріючої камери. Внаслідок різниці густин розчину в трубі 2 та парорідинної емульсії в трубах 3 рідина циркулює замкненим контуром. Випарений розчин видаляється через штуцер в днищі апарата.

У разі проведення процесу випарювання під вакуумом вторинну пару відсмоктують в конденсатор парів, з‘єднаний з вакуум-насосом.

Матеріальний баланс однокорпусної випарної установки

На випарювання поступає G_поч кг/с вихідного розчину з концентрацією b_поч. мас. % і видаляється G_к кг/с випареного розчину з концентрацією b_к. мас. % (рис. 4.1). Якщо в апараті випарюється W кг/с розчинника (води), то загальний матеріальний баланс апарата

G_поч = G_к + W (4.1.)

Матеріальний баланс за абсолютно сухою речовиною, що знаходиться в розчині

(4.2)

Три з п‘яти змінних, що входять в рівняння (4.1) та (4.2) повинні бути заданими. Найчастіше задають: витрату вихідного розчину G_поч, його концентраціяю b_поч. та необхідну кінцеву концентрацію випареного розчину b_к.. Тоді на основі рівнянь (4.1) та (4.2) визначають продуктивність апарату

за випареним розчином

(4.3)

за випарюваною водою

(4.4)

Тепловий баланс однокорпусної випарної установки

Позначимо: D - витрата граючої пари, І, І_r, і_поч.= с_поч · t_поч, і_к = с_к · t_к – ентальпії вторинної та гріючої пари, вихідного і випареного розчину відповідно; – ентальпія парового конденсату; с_п, с_к і - середні питомі теплоємності вихідного розчину, кінцевого і конденсата гріючої пари; t_п, t_к, - температури вихідного і кінцевого розчинів і насичення гріючої пари конденсата відповідно.

Для складання теплового балансу визначимо прихід і витрату тепла відповідно до схеми на рис.4.1:

Прихід тепла Витрата тепла

З вихідним розчином..…G_поч · і _поч З випареним розчином..……………G _к · і _к

З гріючою парою............D · I_г З вторинною парою ………………...W · I

З паровим конденсатом.……………..

Теплота концентрування.…………….Q_конц

Втрати тепла в навкол. середовище.....Q_втр

Відповідно, рівняння теплового балансу має вигляд:

(4.5)

Розглядаючи вихідний розчин як суміш упареного розчину і випаруваної вологи і приймаючи, що теплоємність вихідного розчину в межах температур від початкової до кінцевої є величиною сталою, запишемо рівняння теплового балансу змішування за сталої температури кипіння t_к розчину в апараті

(4.6)

де - питома теплоємність води при температурі t_к, кДж/(кг^.град).

(4.6)

Підставляючи значення і_поч, і_{к ,} і‘ та G_к · 4с_к в рівняння (4.5), отримаємо вираз

з якого визначимо теплове навантаження Q випарного апарату (кількість тепла, що підводиться за одиницю часу з теплоносієм (гріючою парою))

(4.7)

Перша складова правої частини рівняння (4.7) виражає витрату тепла в апараті на нагрівання вихідного розчину до температури кипіння, друга – витрату тепла на випарювання вологи з матеріалу. Також, тепло витрачається на концентрування розчину (якщо тепловий ефект концентрування від’ємний), і на компенсування втрат тепла в оточуюче середовище. Останню величину приймають у вигляді частки від теплового навантаження апарата, звичайно . Зменшення теплових втрат в оточуюче середовище досягають тепловим ізолюванням апарата певної товщини.

З рівняння (4.7) визначимо витрату гріючої пари

(4.8)

Теплота концентрування, яка входить в рівняння (4.8) Q_конц виражає тепловий ефект концентрування розчину. Вона дорівнює різниці інтегральних теплот розчинення вихідного (розбавленого) і концентрованого розчинів, взятою з протилежним знаком.

Оскільки, під час концентрування розчину тепло може або поглинатися або виділятися, то Q_конц може входити не лише в праву, але й у ліву частину теплового балансу. Теплота концентрування враховується в тепловому балансі випарного апарату, якщо її величина значна і знехтувати нею не можна.

З рівняння (4.8) можна, нехтуючи величинами Q_конц та Q_втр, визначити теоретичну витрату пари на випарювання 1 кг розчинника (води). Якщо прийняти, що вихідний розчин поступає в апарат попередньо нагрітим до температури кипіння, тобто t_поч = t_к. то

(4.9)

де - теплота конденсації гріючої пари; - теплота випаровування води з киплячого розчину, яка може бути прийнята такою, що дорівнює .

Тобто, наближено: в однокорпусному апараті на випарювання 1 кг води потрібно затратити 1 кг гріючої пари (без врахування втрат тепла в оточуюче середовище), з врахуванням втрат теплоти, питома витрата гріючої пари становить 1,1 – 1,2 кг/кг води.

Поверхня нагрівання безперервно діючого випарного апарату визначається на основі рівняння теплопередачі:

де Q – теплове навантаження апарата; К – коефіцієнт теплопередачі; - рушійна сила процесу (корисна різниця температур).

Під час розрахунку коефіцієнта теплопередачі за рівнянням приймають, що - коефіцієнт тепловіддачі від пари, яка конденсується до стінки, - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячого розчину. Коефіцієнт тепловіддачі знижується з підвищенням концентрації (в’язкості розчину), а також з зменшенням температури кипіння розчину.

Корисною різницею температур у випарному апараті називають різницю температури конденсації Т ⁰С гріючої пари та температури кипіння t_к ⁰С випарюваного розчину

(4.10)

В апаратах з циркуляцією розчину, що забезпечує його майже повне перемішування, є величиною сталою.

У випарних апаратах з природною циркуляцією концентрація маси циркуляційного розчину є близькою до кінцевої, тому розрахункову величину t_к приймають за кінцевою концентрацією розчину.

Температурні втрати та температура кипіння розчинів

У випарному апараті виникають температурні втрати, загальна величина яких складається з температурної депресії , гідростатичної та гідравлічної депресій .

Температурна депресія дорівнює різниці між температурою кипіння розчину і температурою кипіння чистого розчинника за однакових тисків.

Величина температурної депресії залежить від природи розчиненої речовини і розчинника, концентрації розчину і тиску. Її значення наведені в спеціальній літературі і довідниках (за атмосферного тиску). Якщо експериментальні дані цієї величини для певного розчину відсутні, то наближено можуть бути розраховані різними методами. Однак для розрахунку за методом Бабо необхідно знати одну температуру кипіння випарюваного розчину за певного тиску, і дві температури кипіння розчину за двох довільно вибраних тисках для розрахунку за правилом Дюринга або Кіреєва.

Розрахунок за правилом Бабо.

Згідно з цим правилом, відносне пониження тиску пари (р₁ – р₂) / р₁ або р₂ /р₁ = К над розбавленим розчином цієї концентрації є величиною сталою, що не залежить від температури кипіння розчину.

Якщо відома температура t₂ розчину за деякого довільно обраного тиску р₂, то тиск пари чистого розчинника (води) р₁ за тої самої температури знаходять з таблиць насиченої водяної пари і розраховують константу К, користуючись залежністю р₂ /р₁ = К. За цим самим виразом знаходять для заданого тиску р₂ над розчином в апараті тиск пари чистого розчинника і знаходять за таблицями відповідну до нього температуру , яка є температурою кипіння чистого розчину за заданого тиску. Оскільки температура чистого розчинника за цього тиску відома, то

(4.11)

Для концентрованих розчинів до величини додають поправку (визначені В.М.Стабніковим), якщо теплота розчинення позитивна, і віднімається, якщо вона негативна. Величина поправки залежить від співвідношення р₂ / р₁ і тиску р₂.

Дослідним шляхом температурну депресію визначають також за формулою Тищенка

_(4.12)

де - температурна депресія за атмосферного тиску, ⁰С; r – температура кипіння чистого розчинника (в ⁰К) та його теплота випаровування (в кДж/кг) за цього тиску.

Рівняння (4.12) придатне тільки для розбавлених розчинів.

Депресія обумовлена тим, що частина висоти кип¢ятильних труб випарного апарату заповнена рідиною над якою розміщена парорідинна емульсія. Вміст пари в ній різко зростає за напрямком до верхньої межі труб. Підвищення температури кипіння розчину внаслідок гідростатичного тиску стовпчика рідини, яке пов`язане з гідростатичним ефектом називається гідростатичною депресією. Гідростатична депресія є найсуттєвішою під час роботи апарата під вакуумом.

В першому наближенні розрахунок є можливим на основі визначення температури кипіння в середньому поперечному перерізі кип’ятильної труби. Для цього знаходять тиск р в цьому перерізі, який дорівнює сумі тисків вторинної пари та гідростатичного тиску стовпа рідини на середині висоти Н труби:

_(4.13)

- середня густина рідини, що заповнює трубку.

Припускаючи, що величина дорівнює половині густини чистого розчину (без присутності бульбашок пари), тобто, , то

_(4.14)

За тиском р за таблицями насиченої водяної пари знаходять температуру води t_в, що відповідає цьому тиску. Різниця між температурою t_в та температурою вторинної пари визначають величину гідростатичної депресії

(4.15)

В зв’язку з неточністю цього розрахунку, яким не враховується рух (циркулювання) розчину, величини , здебільшого, приймають згідно з практичними даними.

Гідравлічна депресія обумовлена гідравлічним опором на тертя та місцеві опори, які повинна подолати вторинна пара під час руху через сепараційні пристрої і паропроводи і призводить до зменшення її тиску. Підвищення температури кипіння розчину внаслідок цієї депресії коливається в межах 0,5-1,5 ⁰С. Для однокорпусного апарату може бути прийнята такою, що дорівнює 1 ⁰С.

Розраховуючи гідравлічну депресію для багатокорпусної установки необхідно врахувати зменшення тиску вторинної пари тільки в паропроводах між корпусами.

Температура кипіння розчину з врахуванням всіх температурних втрат, зумовлених температурною та гідростатичною депресіями, становить:

(4.15)

де - температура вторинної пари.

Багатокорпусні випарні установки

Схеми багатокорпусних випарних установок

Як було зазначено вище, що на випаровування 1 кг води в однокорпусному апараті необхідно 1,2 кг гріючої пари. Витрату пари на випарювання можна значно зменшити, використовуючи її багатократно для нагрівання першого корпусу, а потім (вторинною парою) від другого корпусу багатокорпусної випарної установки до останнього.

Схема трикорпусної вакуум-випарної установки, яка працює за прямотечійного руху гріючої пари та розчину, показана на рис. 4.2. Вихідний розчин, переважно підігрітий до температури кипіння подається в перший корпус, який обігрівається первинною парою. Вторинна пара цього корпусу направляється в якості гріючої пари в другий корпус, де внаслідок пониженого тиску кипить за нижчої температури, ніж в першому. Внаслідок нижчого тиску у другому корпусі розчин самопливом переміщається з першого корпусу в другий, в якому охолоджується до температури кипіння. За рахунок виділення при цьому тепла, додатково утворюється деяка кількість вторинної пари (явище самовипаровування розчину).

Рис. 4.2. Багатокорпусна прямотечійна вакуум-випарна установка:

1-3 – корпуси установки; 4 – підігрівач вихідного розчину; 5 – барометричний конденсатор; 6 – вловлювач; 7 – вакуум-насос

Випарений розчин з другого корпусу подається в третій, якій обігрівається вторинною парою другого корпусу. Вторинна пара з останнього корпусу відводиться в барометричний конденсатор, в якому під час конденсації пари створюється необхідне розрідження. Повітря і несконденсовані гази, які попадають в установку з парою і охолоджуючою водою відсмоктуються через бризковловлювач вакуум-насосу.

Необхідною умовою передачі тепла в кожному корпусі є різниця температур, яка визначається різницею між температурою гріючої пари і температурою кипіння розчину. Разом з цим, тиск вторинної пари в кожному попередньому корпусі повинен бути більший ніж в наступному корпусі.

Схеми багатокорпусних випарних установок відрізняються за тиском вторинної пари в останньому корпусі і поділяються на ті що працюють під розрідженням та під надлишковим тиском. Найрозповсюдженішими є установки першої групи. В промисловості часто застосовують установки аналогічні до наведеної на рис. 4.2., але економічніші за рахунок використання тепла пари низького потенціалу. Тобто обігрівання першого корпусу здійснюється відпрацьованою парою з парової турбіни, яка є в цьому разі первинною парою.

Дросельована свіжа пара, наприклад з ТЕЦ, додається лише для підтримування стабільного режиму роботи випарної установки під час коливань навантаження турбіни.

У випарних установках, які працюють під певним надлишковим тиском вторинної пари в останньому корпусі, вона може бути ширше використана на сторонні потреби, тобто в якості екстра-пари. Попри це підвищення тиску вторинної пари в останньому корпусі зменшує кратність використання свіжої (первинної) пари, що підігріває перший корпус.

Під час роботи під надлишковим тиском виникає необхідність у потовщенні стінок апаратів, але установка в цілому спрощується, оскільки відпадає необхідність в постійно діючому конденсаторі парів (невеликий конденсатор використовують лише в період запуску установки).

Для підтримання постійного режиму роботи у випарних установках під тиском використовують різних схем та автоматичне регулювання тиску пари та густини упареного розчину.

Співвідношення між кількістю тепла, яку може віддати вторинна пара, і кількістю тепла пари низького потенціалу, що необхідна для інших промислових потреб диктує вибір тиску вторинної пари в останньому корпусі установки, який в кожному конкретному випадку визначають за результатами техніко-економічних розрахунків.

Крім розповсюджених установок з прямотечійним рухом пари і розчину (рис. 4.2), використовують і протитечійні випарні установки, в яких гріюча пара і випарюваний розчин переміщуються з корпусу в корпус у взаємно протилежних напрямках. (рис.4.3).

194