6.3.1 Виды выпаривания

Существует несколько способов выпаривания:

а) простое однокорпусное выпаривание;

б) многократное, или многокорпусное выпаривание. Это выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус;

в) выпаривание с тепловым насосом, применение которого позволяет сэкономить первичный пар.

Два последних способа энергетически выгодны при больших производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого раствора в час и выше), что характерно для промышленности, где выпаривание проводят по непрерывному принципу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, то есть в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения, поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи.

П

Рисунок 6.7 – Схема процесса выпаривания

ериодическое выпаривание проводят при малых производительностях и необходимости упаривания раствора до существенно высоких концентраций.

Процесс выпаривания проводят в выпарных аппаратах (ВА). Схематично процесс вы-паривания можно представить, как показано на рисунке 6.7.

Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора на примере аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой (рисунок 6.8).

Поверхность теплопередачи на единице объема в маленькой трубке больше, раствор в ней кипит лучше, поэтому там образуется парожидкостная смесь с большим содержанием вторичного пара. В большой трубе жидкость опускается, а в кипятильных трубках поднимается. Происходит циркуляция, с увеличением циркуляции увеличивается коэффициент теплоотдачи.

Кроме этого, циркуляция предотвращает отложение солей на кипятильных трубах.

Из кипятильных труб пар выбрасывается с большой скоростью и ударяется о брызгоотбойник. Большие капли возвращаются вниз, мелкие улавливаются каплеуловителем и возвращаются в раствор.

Достоинством однокорпусного выпарного аппарата является простота конструкции, а недостатком – большие энергозатраты, поскольку пар выбрасывается в атмосферу.

6.3.2 Материальный и тепловой баланс выпарного аппарата

Материальный и тепловой баланс для непрерывного процесса записывают при допущении, что отсутствует унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими из кипящего раствора во вторичный пар. Для этих условий материальный баланс по общему количеству продуктов представляют в следующем виде:

, (6.3)

по нелетучему продукту

, (6.4)

где G_н, G_к – расходы соответственно исходного и упаренного раство-ров, кг/с;

х_н и х_к – концентрации соответственно растворенного продукта в исходном и упаренном растворе, кг продукта на 1 кг раствора;

W – выход вторичного пара, кг/с.

Из уравнений (6.3) и (6.4) можно определить расход упаренного раствора и выход растворителя (вторичного пара):

, (6.5)

, (6.6)

а также конечную концентрацию упаренного раствора:

. (6.7)

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса, записанного в следующем виде:

, (6.8)

где D – расход греющего пара, кг/с;

Н_г, Н_в.п. – энтальпии соответственно греющего и вторичного паров, Дж/кг;

Н_н, Н_к, Н_г.к. – энтальпии соответственно исходного и упаренного растворов и конденсата греющего пара, Дж/кг;

Q_п – расходы теплоты в окружающую среду, Дж/с.

В упрощенном виде запишем тепловой баланс смешения упаренного раствора и испаренной воды при температуре кипения t_кип., сделав допущение о постоянстве теплоемкости раствора в интервале температур от t_н до t_к, в виде

, (6.9)

где с_н, с_к, с_в – теплоемкости соответственно исходного, упаренного растворов и растворителя, Дж/кг;

Q_конд. – теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от х_н до х_к, Дж/с.

Теплота концентрирования численно равна теплоте растворения, но с обратным знаком.