2.3.2. Технічні способи випарювання розчинів

Техніка випарювання розчину почала свій розвиток з періодичного метода випарювання. При такому способі отримання готового продукту слабо концентрований розчин, який заливається в апарат, підігрівають до температури кипіння і випарюють до кінцевої концентрації. Температура кипіння при цьому підвищується по мірі збільшення температурної депресії. Згущений розчин видаляють із апарату, потім апарат знову заповнюють розчином, і процес повторюється. Періодичне випарювання застосовують рідко, в основному при необхідності отримання різноманітних по якостям і малих порцій продукту. На сучасних великих підприємствах випарні процеси ведуть у багатокорпусних (багатоступінчастих) установках безперестанної дії з використанням так званого "вторинного пару", який утворюється над розчином кожного корпуса у наступних корпусах з більш низьким тиском або з передачею частини вторинного пару (екстра-пару) іншим теплових споживачам. Розчин в таких установках перетікає із корпуса в корпус, випаровується частково і послідовно у кожному корпусі (ступені) до певної концентрації.

Вибір схеми випарної установки і конструкції апарату для згущення розчинів визначається головним чином якостями цих розчинів: щільністю, в’язкістю, температурою кипіння, термічною стійкістю (термолабільністю), поверхневим натягненням, коефіцієнтом розчинності, фізико-хімічною температурною депресією, нахильністю до спінювання і кристалізації. Хімічна активність розчина визначає вибір матеріалу, із якого повинні виготовлятися деталі і вузли апарату.

Оптимально спроектована випарна установка передбачає максимальне задовольняння по крайній мірі трьом умовам:

1. відповідності схеми установки і конструкції апарату технологічним вимаганням; тобто упарений розчин повинен відповідати заданій якості, втрати в процесі виробництва повинні бути мінімальними, а параметри гріючого і вторинного теплоносія повинні відповідати розрахунковим;

2. технологічності виготовлення апарату і зручності в обслуговуванні всієї установки: простоті виготовлення і монтажу, надійності в роботі, зручності очистки, ремонту і заміни деталей і вузлів;

3. оптимальним техніко-економічним показникам: компактності, невеликої вартості 1 поверхні нагріву, високому коефіцієнту теплопередачі, мінімальним амортизаційним витратам і затратам енергії на випарування розчину.

Неможливо спроектувати випарний апарат і всю установку, повністю задовольняючі всім переліченим умовам. Частіше за все досягнення одного високого показника можливо за рахунок зниження другого. У кожному випадку проектування випарної станції необхідно виробляти зрівняльні техніко-економічні розрахунки.

По технологічним признакам промислові випарні установки безперестанної дії розділюються на декілька груп.

1. По числу ступіней: одноступінчасті і багатоступінчасті: при цьому в одній ступені може бути один, два і більше паралельно включених корпусів випарної установки.

2. По тиску вторинного пару в останній ступені:

а) випарні установки з розрідженням у останній ступені, близьким до розрідження в конденсаторі (рис. 2.37, а). При цьому досягається великий перепад температур між гріючими теплоносіями перед першою ступінню і вторинним паром, який поступає в конденсатор із останньої ступіні. Однак в цьому випадку вся теплота пару останньої ступіні загублюється з охолоджуючою водою конденсатора;

б) випарні установки з підвищеним тиском у останній ступіні (рис.2.37, б). Така схема може бути вибрана у випадку, коли вторинний пар останньої ступіні у розрахунковому режимі може повністю використовуватися у інших тепловикористовуючих установках;

в) випарні установки з погіршеним вакуумом (рис.2.37, е). По такій схемі установка може робити і на конденсатор (по варіанту рис.2.37, а), і на споживача низькопотенціальної теплоти (по варіанту рис. 2.37, б) із скиданням надлишків пара в конденсатор з погіршеним вакуумом.

3. По підводу гріючого пара:

а) випарні установки, у яких гріючий пар подається в першу по руху розчину ступінь, а вторинний пар використовується послідовно у другій і наступних ступінях (рис.2.37, а-в);

б) випарні установки з нуль-корпусом, в яких використовується вторинний пар двох тисків. Пар з великим тиском обігріває предвключену ступінь установки, яка називається нуль-корпусом, а пар з меншим тиском подається у наступну ступінь, яка називається першим корпусом (рис.2.37, г).

4. По технології обробки розчину:

а) одностадійні випарні установки (рис. 2.37, а-г, ж-к), в яких розчин проходить при упарюванні послідовно всі ступені і не відводиться для інших проміжних операцій обробки;

б) багатостадійні випарні установки (рис.2.37, д,е), в яких розчин після одної із проміжних ступіней може бути направлений для допоміжної обробки (наприклад, для освітлення, центрифугування), а потім знову поступає на довипаровування у наступні ступені. В апарати другої стадії поступає звичайно висококонцентрований розчин з підвищеною температурною депресією. Тому гріючим теплоносієм у другій стадії може бути або свіжий пар, який подається на перший корпус, або вторинний пар із першого корпуса випарної установки. Друга і наступні стадії працюють звичайно по схемі однокорпусної установки безперестанної чи періодичної дії.

5. По відносному руху гріючого пара і випаруємого розчину:

а) прямоточні випарні установки для розчинів, які мають високу температурну депресію (рис.2.37, а-г, и);

Рис. 2.37. Схеми випарних установок:

а – прямоточна з конденсатором; б – прямоточна з протитиском; в – з погіршеним вакуумом; г – з нуль-корпусом; д – двухстадійна з обігрівом корпуса другої стадії гострим паром; е – двухстадійна з обігрівом корпуса другої стадії вторинним паром першої ступені випарної установки; ж – протиточна; з – з паралельним током; и – з відбором екстра-пара; к – із змішаним током; 1 – барометричний ящик; 2 – солевідділювач.

б) протиточні випарні установки для розчинів з швидкоростучою в’язкістю при підвищенні їх концентрації (рис. 2.37, ж);

в) випарні установки з паралельним живленням корпусів випарюваним розчином при схильності його до кристалізації (рис. 2.37, з);

г) випарні установки із змішаним живленням корпусів для розчинів з підвищеною в’язкістю (рис. 2.37, к).

6. По наявності відборів вторинного пара (екстра-пара) із апаратів: без відбору і з відборами пара на підігрів розчина в самій установці чи для відпуску пара сторонньому споживачу (рис.2.37, и).

Температура розчину перед потраплянням його в першу ступінь повинна бути по можливості близькою до температури кипіння. Для цієї цілі застосовують завжди схему регенеративного підігріву. В прямоточних схемах в першу чергу використовують вторинний пар і конденсат останньої ступені, а потім послідовно підігрівають розчин більш високого тиску. Кінцевий догрів розчину перед вводом його на випаровування виробляють звичайно у спеціальному підігрівачі паром того ж тиску, який подається для обігріву першої ступені випарної установки.

В протиточних випарних установках ступінчатий регенеративний підігрів не застосовується, так як слабий розчин поступає на випаровування в "холодному" кінці випарної установки.

Конденсат із першого корпуса установки треба повертати та ТЕЦ чи в котельну, а із інших ступіней – використовувати після підігрівачів для промивки апаратів чи для інших нужд.

При наявності у випарній установці чи на сусідніх виробничих об’єктах споживачів низькопотенціальної теплоти доцільно її проектувати з погіршеним вакуумом чи з протитиском вторинного пара в останній ступіні. При відсутності постійного споживача низькопотенціальної теплоти випарна установка проектується з конденсатором за останньою ступеню, в якому піддержується абсолютний тиск конденсації пара 0,01-0,02 МПа.

У розветвленной схемі випарної установки частина теплоти конденсату, вторинних парів наступних ступіней і екстра-парів завжди використовується для регенеративного підігріву розчина, який потрапляє на випарку.