Введение

Выпаривание – процесс концентрирования растворов нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.

Физическая сущность процесса выпаривания растворов заклю­чается в частичном или почти полном превращении растворителя в пар. Поскольку в производстве минеральных удобрений выпари­ваются в основном водпые растворы, далее в качестве растворителя рассматривается вода.

При кипении превращение воды в пар происходит не только на поверхности, а главным образом внутри паровых пузырьков, об­разующихся внутри самой жидкости. Пузырек пара, по мере испа­рения в него воды, увеличивается в размерах, его подъемная сила при этом возрастает, и он всплывает наверх, где и лопается, а вместо него образуется новый; таким образом осуществляется непрерывный перенос образующегося внутри жидкости пара в паровое простран­ство. Паровые пузырьки зарождаются преимущественно на стенках теплообменной поверхности, где имеется шероховатость; их обра­зованию способствуют также содержащиеся в жидкости газы, выде­ляющиеся при нагреве и образующие большие количества газовых пузырьков, в которые испаряется вода.

Выпаривание ведут как при атмосферном, так и при пониженном или повышенном давлении. При выпаривании раствора под атмосфер­ным давлением образующийся так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Это самый простой способ выпаривания.

При выпаривании под пониженным давлением (при разрежении) в аппарате создастся вакуум. Для этого вторичный пар конденси­руется в специальном конденсаторе, а неконденсирующиеся газы отсасываются вакуум-насосом.

При разрежении температура кипения растворов снижается. Поэтому вакуум-выпарку применяют для чувствительных к высокой температуре растворов, а также для высококипящих растворов, когда температура нагревающего агента не позволяет вести процесс под атмосферным давлением. Использование вакуума позволяет также увеличить разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором, а следовательно, уменьшить поверхность теплообмена. Однако вакуум-выпарные установки дороже из-за дополнительных затрат на конденсационные устройства и их обслу­живание.

Вследствие пониженной температуры кипения растворов потери тепла в окружающую среду, а следовательно, и расход греющего пара, идущего на компенсацию этих потерь, будут в вакуум-выпарных аппара­тах значительно меньше, чем в выпарных аппаратах, работающих под атмосферным давлением.

Отличительными признаками вы­парных аппаратов различной конструк­ции являются: вид поверхности тепло­обмена (паровые рубашки, змеевики, трубы) и ее расположение (горизон­тальные, вертикальные и наклонные аппараты), циркуляция выпариваемого раствора. Выпарные аппараты рабо­тают с естественной и искусственной циркуляцией раствора или без цирку­ляции. По принципу работы различают периодически и непрерывно действую­щие выпарные аппараты.

Простейшими периодически действующими вы­парными аппаратами являются откры­тые выпарные чаши или закрытые кот­лы с рубашками; в котлы (чаши) за­гружается исходный раствор, а выпа­ренный раствор удаляется через шту­цер в дне аппарата.

Аппараты такого типа удобны для выпаривания растворов, из кото­рых выделяются твердые осадки, за­грязняющие поверхность нагрева, а также для выпаривания химически агрессивных веществ. Котлы с рубаш­ками часто покрывают внутри коррозионностойкими материалами и снаб­жают скребущими мешалками.

Однако поверхность нагрева, а следовательно, производительность котлов и чаш с рубашками очень невелика.

Более распространены закрытые выпарные аппараты, применение которых, помимо санитарно-гигиенических условий работы, дает возможность использовать тепло вторичного пара.

В закрытых горизонтальных выпарных аппаратах греющий пар движется в горизонтальных трубах, а раствор находится и кипит в корпусе сундучной формы имеющем большую поверхность испарения.

В горизонтальных аппаратах высота слоя раствора не превышает 0,5 м,т. е. в несколько раз меньше, чем в вертикальных. Поэтому темпе­ратурные потери за счет гидростатического эффекта в горизонтальных аппаратах незначительны. Эти аппараты имеют больший объем паро­вого пространства, что позволяет концентрировать в них сильно пеня­щиеся растворы.

В вертикальных аппаратах греющий пар поступает в межтрубное пространство аппарата, выпариваемый же раствор циркулирует по трубам нагревательной камеры. Для усиления циркуляции в современных конструкциях таких аппаратов устанавливают в центре циркуляционную трубу большого диаметра для обратного стока жидкости в нижнюю часть аппарата.

Циркуляция происходит в аппарате вследствие разности веса столба жидкости в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. Поверх­ность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем в циркуляционной трубе, так как величина поверхности трубы за­висит линейно от ее диаметра и объем жидкости пропорционален квадрату диа­метра. Следовательно, парообразо­вание в кипятильных трубах будет проте­кать значительно интенсивнее и удельный вес раствора в них будет меньше, чем удельный вес раствора в центральной трубе. Вследствие этого усиливается есте­ственная циркуляция раствора, улуч­шается теплопередача и уменьшается образование накипи в кипятильных тру­бах аппарата.

В аппаратах большой производительности вместо одной циркуля­ционной трубы устанавливают несколько труб меньшего диаметра. Вну­тренняя циркуляционная труба обогревается снаружи паром, вследствие чего в ней всегда возникает поток парожидкостной эмульсии, направлен­ный вверх. Поток эмульсии тормозит движение вниз выпариваемого рас­твора. Для улучшения циркуляции вертикальные выпарные аппараты изготовляют с наружной циркуляционной трубой.

Размещение нагревательной ка­меры вне корпуса аппарата дает возможность уменьшить его вы­соту и повысить эффективность действия. Аппараты с выносной нагревательной камерой работают при интенсивной естественной циркуляции раствора, так как циркуляционная труба находится вне аппарата и не обогревается, а высота столбов раствора, опу­скающегося вниз, и эмульсии, поднимающейся вверх, довольно значительна. Вынос­ная камера легко доступна для чистки и ремонта, причем эти операции можно производить без остановки аппарата, присоединяя два (и более) попеременно работающих кипятильника к корпусу аппарата. В аппара­тах этой конструкции корпус выполняет также функции сепаратора.

Аппараты с выносной нагревательной камерой применяют для вы­паривания любых растворов, в том числе кристаллизующихся и пеня­щихся. Благодаря универсальности, компактности, удобству эксплуата­ции и хорошей теплопередаче выпарные аппараты с выносной камерой получили широкое распространение в химической промышленности.

Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространенных технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. На выпаривание растворов расходуется огромное количество тепла, а на создание выпарных установок – большое количество углеродистых и легированных сталей, никеля и других металлов. Поэтому в каждом конкретном случае необходима рациональная организация процесса выпаривания, что позволяет обеспечить максимальную производительность выпарной установки при минимальных затратах тепла и металла [1].