Николаев Г.И. Тепловые процессы Учебное пособие

II. ПРОЦЕСС ВЫПАРИВАНИЯ 1. Общие сведения

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях за счет их удаления кипячением в виде вторичных паров в результате подвода тепла первичным (греющим) паром.

Выпариванию подвергают растворы различных веществ для уменьшения общего объема раствора, что облегчает и удешевляет их перевозку и хранение. В ряде случаев высококонцентрированный выпаренный раствор легко кристаллизуется и подвергается сушке, что значительно уменьшает энергозатраты.

Процессы выпаривания проводят при различных давлениях в аппарате:

Pan >1атм - при избыточном давлении; Pan =1атм - при атмосферном давлении;

Pan <1атм - при вакууме (самый экономичный метод по сравнению с предыдущими, т.к. температура кипячения раствора значительно ниже).

Процесс выпаривания проводят в однокорпусных и многокорпусных выпарных установках, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус, тем самым достигается значительная экономия греющего пара.

1.1.Многокорпусные выпарные установки

Всовременных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды. Выше было указано, что в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара. Это привело бы к чрезмерно большим расходам его. Однако расход пара на

61

выпаривание можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпусной выпарной установке. Как указывалось, принцип действия ее сводится к многократному использованию тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Схема многокорпусной вакуум-выпарной установки, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора, показана на рис. 2.1.

Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.

Рис.2.1. Многокорпусная прямоточная вакуум-выпарная установка:1-3 – корпуса установки; 4 – подогреватель исходного раствора; 5

– барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – вакуум-насос

62

Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.

Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.

Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через не плотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, т.к. остаточное давление в конденсаторе может изменяться с колебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой разностью температур греющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, давление вторичного пара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности

63

давлений создаются при избыточном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно.

1.2. Аппараты с выносными циркуляционными трубами

Как отмечалось, естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор на опускном участке циркуляционного контура будет лучше охлаждаться.

64

Этим увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами (рис. 2.2.). При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры 1 может быть уменьшен, а циркуляционные трубы 2 компактно размещены вокруг нагревательной камеры. На рис. 2.2. показан аппарат с одной выносной циркуляционной трубой, причем центробежный брызгоуловитель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределы сепарационного (парового) пространства 4 аппарата.

Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 м² поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

1.3. Аппараты с выносной нагревательной камерой

При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. 2.3) имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

65

Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две камеры.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу исходного раствора производят, как показано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа получили широкое распространение.

Внекоторых конструкциях выпарных аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 2.3 у которого удалена циркуляционная труба.

Вэтом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т.е. аппарат работает как прямоточный (см. ниже). Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов.

66

2.Расчетные формулы

2.1.Расчет выпарного аппарата

Расчет выпарного аппарата сводится к определению его теплообменной поверхности и к последующему подбору данного аппарата из каталога выпарных установок по рассчитанной ее поверхности.

F = Q (2.1)

k∆tпол

2.2. Количество удаляемой влаги

где Gсм - количество исходной смеси, кг/с;

хн , хк - начальная и конечная концентрации раствора,

%.

где 1,03/1,05 – потери тепла в окружающую среду от Q; D – количество греющего (первичного) пара, кг/с;

rW , rD - удельная теплота парообразования (конденсации) вторичного и первичного пара, т.е. содержание тепла в 1кг пара, Дж/кг.

67

2.4. Количество первичного (греющего) пара

где х – степень сухости пара.

2.5. Коэффициент теплопередачи

Σδ

λ - суммарные термические сопротивления стенки и

накипи, мК/Вт.

2.6. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара

λ1 , ρ1 , µ1 - теплопроводность (Вт/мК), плотность (кг/м³),

вязкость (Па с) конденсата пара при tпл = tп − ∆t 12 ≈ tконд Н=4м – высота теплообменной трубки;

r – удельная теплота парообразования (конденсации)

пара при Pn .

Значения А при различных давлениях представлены в таблице 2.1.

2.7. Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи α1 при конденсации

2.8. Коэффициент теплоотдачи при кипении растворов

Все теплофизические параметры принимаются при температуре кипения растворов.

2.8.1. Для водных растворов:

λ1,3ρ0,5 ρ0,06

α2 = 780σ 2 ρ2 вп µ q0,6 = А2q0,6 , Вт/ м2 К, (2.8) 20,5rвп0,6 вп0,66,оС20,3 20,3

где λ2 - коэффициент теплопроводности раствора, Вт/м²К;

ρ2 - плотность раствора, кг/м³;

ρвп - плотность вторичных паров при его давлении,

кг/м³;

σ2 - поверхностное натяжение раствора, Н/м;

69

свойства раствора при температуре 20°С.

2.8.2.Коэффициент теплоотдачи для растворов, кипящих

ввертикальных трубах выпарных аппаратов с естественной циркуляцией при температуре кипения до 120°С.

где А2 - коэффициент, зависящий от физических свойств кипящей жидкости и определяемый по рис.2.4;

q = Q F - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

где u – массовое напряжение на аппарат (u=W/F,

кг/(м²с)).

Рис.2.4.Зависимость коэффициента А2 от температуры кипения и концентрации раствора

Значение удельной тепловой нагрузки q на выпарной аппарат или испаритель можно рассчитать по формуле:

где Тнас - температура насыщения вторичного пара,

°К;

- соответствующие теплофизические свойства раствора при ее температуре кипения;

r – удельная теплота парообразования вторичного пара, Дж/К.

2.8.3. Коэффициент теплоотдачи при кипении пищевых продуктов (молока, молочных продуктов, фруктовых и томатных соков).

71

где αв - коэффициент теплоотдачи при кипении воды, Вт/м²К;

где ∆t - разность температур стенок и кипящей воды,

°С;

Р– давление в испарителе, Па.

2.8.4.Коэффициент теплоотдачи α2 при кипении молока

встекающей пленке (пленочное кипение).

Процесс кипения молока в стекающей пленке совсем не изучен, и здесь можно привести только ориентировочные

данные. Поэтому для расчета α2 можно воспользоваться формулой (2.15г):

α2 = е0,023α+в0,024х ,

где αв =5000 Вт/м²К (принимают, можно посчитать по формулам (2.15д) и (2.15е)).

2.8.5. Толщина стекающей пленки

Скорость стекания жидкости в виде пленки определяется по формуле:

72

2.8.6. Длина потока, стекающего тонкой пленкой.

L = δuρr(x2 − x1 ), (2.13к) x2k∆t

аналогично для плоской щели

L = δuρr(x2 − x1 ), Zx2k∆t

где Z – число сторон обогрева.

2.8.7. Суммарный коэффициент теплоотдачи αс от стенок аппарата в окружающую среду конвекцией и

Поправку на искомую температуру можно определить по следующим формулам:

73

где tn - температура конденсации первичного пара,

град.;

tкип. р−ра - температура кипения раствора, град.;

tвn - температура конденсации вторичных паров, °С;

∆- температурные потери, °С, состоящие из трех частей:

∆= ∆' + ∆" + ∆"' , град.,

где ∆' - потери температуры от температурной депрессии;

∆'' - потери температуры от гидростатического эффекта;

∆''' - потери температуры от гидростатического эффекта. Они определяются по следующим формулам:

Для сахарных растворов, фруктовых соков и

Pвn - давление вторичного пара, кПа. 75

Для пищевых продуктов ∆'' можно принять по корпусам приближенно равным 1,5 град.

2.9.3.∆''' - температурные потери от гидравлического эффекта, при транспортировке из одного корпуса в другой, можно принять приближенно от 0,7 до 1 град.

2.10.Распределение полезной разности температур между отдельными корпусами

2.10.1.В случае расчета на минимальную общую поверхность всех корпусов – пропорционально Q K :

2.10.2. В случае расчета на равную поверхность

76

корпусов – пропорционально отношению QK :

где Qi- тепловая нагрузка корпуса;

Ki- коэффициент теплопередачи в корпусе.

2.11. Расход воды на конденсацию вторичного пара

где i – энтальпия пара, Дж/кг;

i– энтальпия конденсата, Дж/кг;

Св - теплоемкость воды, Дж/кг°К;

t1 и t2 - температуры холодной и выходящей воды.

2.12. Количество воздуха, откачиваемого вакуум-насосом из барометрического конденсатора

2.13. Высота водяного столба в барометрической трубе

Высота водяного столба в барометрической трубе зависит от величины вакуума в конденсаторе и равна:

где В – вакуум в конденсаторе, мм рт.ст.

3. Пример расчета выпаривания водных растворов

Расчет трехкорпусной выпарной установки для концентрирования водных растворов минеральных веществ при следующих данных:

GH = 5 т/ч = 1,39 кг/с – количество исходного раствора

NaNO3;

XH = 12% (массовый) – начальная концентрация исходного водного раствора NaNO3;

XK = 40% - конечная концентрация упаренного водного раствора NaNO3;

Pn = 0,4 МПа = 4 атм. – давление греющего (первичного)

пара;

Pвак = 0,08 МПа = 0,8 атм. – вакуум в барометрическом конденсаторе.

Решение.

Составим схему установки и по ходу решения будем наносить на нее расчетные данные (рис. 2.5).

Рис.2.5. Схема трехкорпусной выпарной установки:

1-3-выпарные аппараты; 4-барометрический конденсатор; 5- ловушка; 6-вакуум-насос; 7-конденсационный горшок; 8 – сборник концентрированного раствора; 9-барометрический затвор.

3.1. Количество воды, выпариваемой в трех корпусах установки

3.2. Распределение нагрузки по корпусам

Примем следующее соотношение массовых концентраций выпариваемой воды по корпусам:

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

следовательно, количество выпариваемой воды:

ρ =1255кг/ м3

что соответствует заданию.

79

3.4. Распределение перепада давлений и температур насыщенного пара по корпусам

Разность между давлением первичного пара и давлением вторичного пара в барометрическом конденсаторе:

∆P = Pn − Pб.к = Pn (Pатм − Pвак )= 4 −0,2 = 3,8атм.

Предварительно распределим перепад давлений между корпусами поровну, т.е. на каждый корпус примем:

Рп = Р1 + ∆Р1 = 2,74+1,27 = 4 атм (задание) = 392,4*103 Па.

По табличным данным (табл LV)[ 2] находим температуру насыщенных паров воды и теплоту парообразования: