3.2 Випарні апарати

Виробничі стічні води у якості забруднень містять, як правило, або вихідну сировину, або напівпродукти, або продукти виробництва у досить малих концентраціях, чому вони й належать до стічних вод.

Очистка стічних вод пов’язана з використанням комплексу очисних споруд, різних реагентів, робочої сили, тобто з витратами. Щоб зробити ці процеси рентабельними або хоча б самоокупними, необхідно якимось чином витягти зі стічних вод цінні компоненти з метою їхнього повторного використання або реалізації як товарного продукту для інших виробництв.

Витяг цінних домішок із розведених розчинів досить важка задача.

Для збільшення концентрації домішок, що містяться в стічних водах, застосовують їхнє випарювання, а вже з концентрованих розчинів найчастіше методом кристалізації виділяють солі, що випали.

Крім того, до випарювання прибігають для знешкодження невеликих кількостей висококонцентрованих стічних вод, якщо інші методи їхньої обробки виявляються не тільки економічно недоцільними, але й практично важко здійсненними. У цьому випадку випарювання супроводжується кристалізацією й закінчується повним виділенням із розчину твердих речовин, що містяться в ньому.

Останнім часом випарювання знайшло широке застосування при знешкодженні концентрованих радіоактивних стічних вод і інших рідких відходів.

Випарювання може бути простим, у відкритих резервуарах, так і одно- або багатоступінчастих апаратах (багатокорпусні випарні установки), які працюють під надлишковим тиском або у вакуумі (рис. 3.8).

3.2.1 Розрахунок випарних установок. Розрахунок випарних установок зводиться до визначення матеріального й теплового балансу й до підбора об'ємів установки й площі теплообміну, типу й розмірів установки по каталогах «НИИХимнефтемаша».

Матеріальний баланс випарної установки

(3.7)

де G_п – кількість вихідного розчину, (кг/с); - початкова й кінцева концентрація, масові частки; W – кількість випареної води, кг/с.

З рівняння матеріального балансу легко знаходиться кількість випареної води

(кг/с) (3.8)

У випадку багатокорпусної установки необхідно зробити розподіл навантаження по корпусах.

На підставі багаторічного досвіду розподіл здійснюється в співвідношенні

I : II : III = 1,0:1,1:1,2

(3.9)

Також не складно розрахувати кількість кінцевого продукту та уміст розчинених речовин по корпусах.

Так, для трьохкорпусної установки кількість розчину на виході з першого корпусу становить ; із другого ; із третього - .

Відповідно розраховуються концентрації розчинів по корпусах:

(3.10)

Тепловий баланс однокорпусної установки. Загальну кількість тепла, необхідного для випарювання розчину, визначають із рівняння теплового балансу

(3.11)

де - теплота дегідратації. Найчастіше це величина мала, якою можна знехтувати.

- теплові втрати. При достатній ізоляції апарата також можна не враховувати. Тоді

(3.12)

Якщо розчин надходить у випарний апарат нагрітим до кипіння, то і .

У наведених рівняннях - ентальпія вторинної водяної пари, Дж/кг приймається рівною ентальпії насиченої водяної пари при тискові Р у апараті; r - питома теплота паротворення, Дж/кг; - теплоємність розчину, .

Якщо теплоємність розчину не відома, її можна розрахувати за правилом адитивності

(3.13)

де с_і та – відповідно теплоємність та масова частка і-го компонента.

Для двохкомпонентних водних розчинів їхня теплоємність може бути обчислена по спрощених формулах:

При < 0,2

При > 0,2 (3.14)

де 4190 – теплоємність води; _. – теплоємність безводної розчиненої речовини.

При відсутності експериментальних даних про _. її приблизно можна обчислити по атомним теплоємкостям:

(3.15)

де n₁, n₂, n₃ - кількість атомів елементів, що входять у сполуку;

С₁, С₂, С₃ - атомна теплоємність відповідних елементів;

М – молекулярна маса речовини.

Витрата пари, що гріє, у випарному апараті

, кг/с (3.16)

де i^’’ – ентальпія сухої пари, що гріє; i^’ – ентальпія конденсату при температурі конденсації; – паровміст (ступінь сухості) пари, що гріє.

Питома витрата пари, що гріє

(3.17)

Практично витрати пари завжди більші розрахункових.

Мінімальна питома витрата наведена в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 – Мінімальна

питома витрата пари

Випарна установка	D
1 - корпусна	1,1
2 - корпусна	0,57
3 - корпусна	0,4
4 - корпусна	0,3
5 - корпусна	0,27

Розрахунок поверхні нагрівання випарного апарата. Поверхня теплообміну визначається з основного рівняння теплопередачі

(3.18)

де Q – витрата тепла на випарювання, Вт; К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/м²·град; Δt_ср. - середня корисна різниця температур.

Δt_{ср. =} Δt_заг.- Σ Δt_втр. (3.19)

Δt_заг - різниця між температурою конденсації пари, що гріє, і температурою конденсації вторинної пари; Σ Δt_втр – сума втрат корисної різниці температур.

В свою чергу

Σ Δt_втр= Δt_{депр .}+ Δt_г.е. + Δt_{г.с .} (3.20)

де Δt_{депр .} - температурна депресія : підвищення температури кипіння розчину в порівнянні з температурою кипіння води при тім же тискові;

Δt_г.е. – гідростатичний ефект (гідростатична депресія) : підвищення температури кипіння внаслідок тиску стовпа рідини;

Δt_г.с. – гідравлічна депресія : зміна температури насиченої вторинної пари внаслідок зміни тиску за рахунок гідравлічних опорів.

Температурна депресія. По довідниках знаходимо температури кипіння розчину заданої речовини й заданої концентрації при атмосферному тиску. Різниця t_{кип.розчина} - t_{кип.води} = Δt_депр. при атмосферному тиску.

Якщо випарювання проводиться при іншому тиску (у вакуумі), то необхідно скористатися правилом Бабо: відношення тиску насиченої пари Р₁ над розчином до тиску насиченої пари Р розчинника при тій же температурі.

(3.21)

Гідростатична депресія. Визначається залежно від тиску в середині омиваній розчином поверхні нагрівання (рис. 3.9).

(3.22)

де Р₁ – тиск вторинної пари над поверхнею розчину, Па (н/м²);

Н_сер - відстань від верхнього рівня киплячої рідини до середини змоченої трубки, м;

ρ_сер – щільність розчину при температурі кипіння.

Практично: дано Р_зад., розчин, його концентрація. Задаємося висотою труб попередньо (Н =3…7м ; задаємося Н=4). Найкращий рівень заповнення труб установлюється в процесі експлуатації.

Орієнтовно оптимальну висоту рівня розчину Н_опт визначають по формулі:

Н_опт = [0,26+0,0014(ρ_р-ρ_в)]·Н_тр ,

де ρ_р,ρ_в - щільність відповідно розчину та води при температурі кипіння; Н_тр - висота трубок. Якщо значення ρ_р і ρ_в при температурі кипіння не відомі, без великої помилки приймають їх при температурі 20^оС.

Тоді Р_сер = Р₁ + 0,5·Н_опт.· ρ_р·g

Визначаємо температуру кипіння води при Р_сер(t₂) і при Р_зад.(t₁).

Δt = (t₂ – t₁)

Гідравлічна депресія. Розраховується по втратах тиску на подолання гідравлічних опорів

ΔР_втр. = (3.23)

У практичних розрахунках гідравлічна депресія приймається в межах 0,5…1,5 град.

Таким чином, розподіл температур у випарному апараті такий:

t_б.к. – температура пари у барометричному конденсаторі, дорівнює температурі кипіння води при тиску в барометричному конденсаторі;

t_сепар. - температура пари у сепараторі

t_сепар. = t_б.к. + Δt_г.с

t_кон. - температура кипіння розчину в сепараторі

t_кон. = t_сепар. + Δt_депр.

t_кип. - середня температура кипіння розчину в трубках

t_кип. = t_кон. + + Δt_г.эф. або t_кип. = t_б.к. + Δt_пот.

t_г.п.. - температура конденсації пари, що гріє.

При багатокорпусному випарюванні розподіл корисної різниці температур проводиться пропорційно відношенню (коефіцієнт теплопередачі) – при розрахунку на рівну поверхню всіх апаратів, або пропорційно - при розрахунку на мінімальну поверхню.

, або ,

де – коефіцієнт теплопередачі.

Із практики орієнтовне відношення коефіцієнтів теплопередачі по корпусах при випарюванні сольових розчинів

Розміри парового простору над розчином. Об'єм сепаратора розраховують по формулі

(3.24)

де W - кількість випарюваної води

ρ_п – щільність пари;

d_об – припустима об'ємна напруга парового простору. Звичайно d_об=1600÷1700 м³/(м³·год.).

Висота сепаратора приймається не менш 1,5 м.

Діаметри трубопроводів. Вибираються, виходячи з рекомендованих швидкостей руху:

Розчин (вихідний) - 0,25 … 1,0 м/с

Пара, що гріє - 20 … 25 м/с

Конденсат пари - 0,25 … 0,75 м/с

Вторинна пара - у широких межах залежно від тиску :

Рабс, МПа	0,015	0,03	0,05	0,07	0,1	0,2	0,3
v, м/с	50	42,5	40	35	30	20	15

Після розрахунку випарного апарата по каталогах «Апарати випарні» вибирається найбільш підходящий типорозмір, а потім провадиться повторний уточнений розрахунок.

Площа теплообміну повинна бути більше розрахункової не менш ніж на 10%.

3.2.2 Основні типові конструкції випарних апаратів. Випарні апарати за принципом організації циркуляції поділяються на апарати із природною циркуляцією, із примусовою циркуляцією та плівкові апарати (без циркуляції).

В апаратах із природною циркуляцією остання здійснюється за рахунок різниці густин більш і менш нагрітої рідини.

Для розчинів із великою в’язкістю та схильних до кристалізації застосовують апарати із примусовою циркуляцією. Також рекомендується примусова циркуляція при малій різниці температур пари, що гріє, і розчину (3-4 градуси).

Циркуляція забезпечується осьовим або відцентровим насосом. Швидкість у трубках становить 1,5 ÷ 3,5 м/с. При такій швидкості кількість рідини набагато більша за кількість випарюваної води. Тому у трубках рідина не закипає, а перегрівається і накип у трубках не відкладається.

На рис. 3.10а показаний випарний апарат, у якому камера, що гріє, є співвісною із циркуляційною трубою. Усі інші апарати мають винесену циркуляційну трубу.

Розрізняють також випарні апарати з кипінням у трубках (рис.3.10в, 3.10г) та апарати із винесеною зоною кипіння (рис.3.10в, 3.10б, 3.10д).

Варіант апаратів із кипінням у трубках застосовується тільки для чистих рідин. Якщо можливе утворення накипу, то краще використати апарати з винесеною зоною кипіння..

Крім перерахованих, існують також плівкові випарні апарати, у варіантах апарати зі стікаючою плівкою та апарати з висхідною плівкою. Розчин

рухається уздовж поверхні нагрівання у вигляді тонкої плівки, що забезпечує високе значення коефіцієнта теплопередачі. Циркуляція відсутня. Але такий тип випарних апаратів має суттєві недоліки:

• необхідність попереднього перегріву розчину;

• велика висота апаратів;

• труднощі очищення трубок від накипу.

3.2.3 Створення вакууму у випарних апаратах. У випарних апаратах вакуум створюється в результаті конденсації вторинної пари в конденсаторах і видалення газів, що не конденсуються (повітря) за допомогою насосів.

Для випарних апаратів використовуються практично повсюдно барометричні конденсатори змішування, у яких вода змішується із вторинною парою, охолоджує її й зливається спільно з конденсатом (рис. 3.11).

Основні параметри для розрахунку є швидкість потоку пари, максимальна продуктивність. За цим даними вибирають внутрішній діаметр конденсатора конструкції НИИХИММАШ.

Витрата води визначається по балансу

, кг/с (3.25)

де W – кількість вторинної пари, кг/с;

с_в – середня теплоємність води, Дж/кг·град; t_кін., t_поч. - кінцева й початкова температура води.

Кількість повітря, що відсмоктується вакуум-насосом, (кг/с), визначають за емпіричною формулою:

G_{возд .}= 0,000025 · (W + G_в) + 0,01W (3.27)

Об'єм повітря, що відсмоктується, розраховують за рівнянням Бойля-Маріотта або Клапейрона-Клаузевіца.

Діаметр барометричної труби дорівнює

(3.27)

де v = 0,5 ÷ 0,6 м/сек –швидкість течії вод у трубі.

Висота барометричної труби

Н_б. _тр. = Н_о + Н_го + 0,5 (3.28)

де -- гідростатичний напір; b – вакуум, мм рт. ст.

, - сума втрат напору по довжині та на місцеві опори; сума коефіцієнтів місцевих опорів можна прийняти ≈ 1,5.