20. Керування системами випарювання

Випарювання - це процес виділення леткої рідини із нелеткої твердої речовини шляхом підведення тепла. Протягом багатьох століть такий спосіб використовується для екстракції³ солі з морської води за допомогою сонячної енергії. На цукровому заводі в Новій Англії концентрування цукрового сиропу виконується шляхом кип'ятіння на вогні.

В більшості процесів випарювання тверді матеріали являють собою більш цінний продукт, ніж видаляючий розчинник. Випарювання використовується також і для отримання прісної води із морської води, промислових розчинів і стоків, тверді продукти яких є менш цінними.

Випарювання відрізняється від сушіння тим, що воно здійснюється при відсутності повітря або інших газів, що не конденсуються. Рівняння рівноваги стану при сушінні ускладнюється через необхідність обліку ще одного додаткового параметру.

6.1.1 Багатокорпусне (багатоступеневе) випарювання

Використання підігріву для отримання цукрового сиропу надзвичайно неефективне. Процес все одно буде неефективним навіть в тому випадку, коли втрати тепла мінімальні і коефіцієнт надлишку повітря ретельно регулюється. На сучасних промислових підприємствах для концентрації цукрових розчинів і сиропів застосовується багатоступінчате (багатокорпусне) випарювання з багаторазовим використанням енергії, що підводиться.

На рис 6.1 показано трьохкорпусний випарний апарат для концентрації розведеного розчину. Якщо транспортування кінцевого продукту не викликає ускладнень через високу в'язкість або наявність в ньому плаваючих твердих частинок, і якщо він термостійкий, то можна використовувати випарні апарати значної ємності. Зазвичай в них розташований великий жмут теплообмінних труб, який називається трубчастим кип'ятильником випарного апарату. Парозбірник завантажений трубами, по яких під дією природної конвекції¹ циркулює кипляча рідина.

Рис. 6.1. Трьохкорпусний випарний апарат з прямотечійним рухом пари і розчину

Відведена з першого корпусу вторинна пара конденсується киплячою рідиною в другому корпусі, що має нижчий тиск тощо. В кожному корпусі кількість утвореної пари менша від кількості сконденсованої пари внаслідок збільшення прихованої теплоти пароутворення при зниженні тиску і температури. Для передачі потрібної кількості тепла кожна поверхня теплообміну повинна мати відповідний градієнт температури. Ця різниця температури врешті визначає тиск в різних корпусах і теплову економічність установки в цілому.

Випарювання таких нечутливих до впливу температури продуктів, як, наприклад, морська вода, може здійснюватись в тринадцятикорпусному випарному апараті. Внаслідок збільшення прихованої теплоти пароутворення і втрат тепла, кожний наступний корпус випарного апарату є менш ефективним, ніж попередній, що не стимулює додаткових капіталовкладень для їх побудови. Для випарювання таких термочутливих продуктів, як харчові продукти, необхідно обмежуватись двома або трьома корпусами. Температура в останньому корпусі обмежується як кількістю охолоджуючої води, так і в'язкістю кінцевого продукту, тоді як температура першого корпусу визначається лише термостійкістю твердої речовини.

Незважаючи на те, що розбавлені розчини можуть випарюватись в трьох-або чотирьохкорпусних апаратах, кінцеві продукти, що мають концентрацію 75-85%, зазвичай піддаються технологічній обробці в двохкорпусній установці.

Труднощі, пов'язані із транспортуванням в'язких розчинів, можна вирішити шляхом зміни напряму руху гріючої пари і випарюваного розчину. На рис. 6.2 зображені випарні апарати з протитечійним і змішаним напрямком руху пари і розчину. Необхідно зазначити, що корпуси завжди нумеруються в одному і тому ж порядку: від корпуса з найбільшим тиском до корпуса з найменшим тиском.

В промисловості використовуються найрізноманітніші схеми руху потоків. В деяких процесах два корпуси працюють по паралельній схемі підводу пари і по послідовний схемі подачі випарюваного розчину. Така система використовується при обробці відходів перегонки, коли корпуси 1а і 1б отримують гріючу пару з одного і того ж колектора і скидають його в корпус 2, а розчин рухається в зворотному напрямку з корпуса 2 послідовно в корпус 1а і після 1б.

З метою зниження до мінімуму часу перебування термочутливих матеріалів при підвищених температурах розроблені спеціальні конструкції випарних апаратів.

Рис. 6.2. Випарні апарати з протитечійним (а) і змішаним (б) напрямком руху

пари і розчину

У випарній установці (рис. 6.3) інтенсивна подача тепла здійснюється через систему труб малого діаметра 3 і 4. Нагрітий розчин тоді потрапляє в випарник, де відбувається розділення пари і рідини. Час перебування матеріалу в зоні підвищених температур зменшується до мінімуму за рахунок малих витрат рідини і одноразового її пропускання через апарат, тобто без циркуляції. Такі випарні апарати швидко запускаються в роботу, але є чутливими до порушень їх режиму роботи і важкими в регулюванні.

Рис. 6.3. Випарний апарат з пропусканням невеликих кількостей рідини