Что нужно для выпаривания

9.3. Выпаривание и концентрирование растворов. Часть 1

Скорость испарения растворителя зависит от температуры, давления, поверхности испарения, интенсивности перемешивания и толщины слоя нагреваемого раствора. В тех случаях, когда растворенное вещество разлагается в процессе нагревания при атмосферном давлении, растворитель удаляют либо при помощи вакуума пленочных испарителях, либо вымораживанием, или подвергают лиофильному выпариванию.

Выпаривание растворов с верхним обогревателем 2 (рис. 191, а и рис. 115, а, б) и продуванием воздуха вдоль поверхности испарения путем отсасывания пара через трубку / нагревателя 1 приводит к быстрому удалению растворителя, хотя и влечет за собой загрязнение раствора аэрозолями воздуха. Одновременно чашка 3 с раствором может подогреваться в жидкостной бане 4 или в колбонагревателе (см. рис. 118) с регулируемой температурой.

Если необходимо регенерировать особо ценный растворитель, то применяют прибор со специальной воронкой 1 (рис 191, б) для сбора конденсата. Нижний край воронки над фарфоровой чашкой 4 следует удалить от поверхности раствора на 1 3 см для образования турбулентного воздушного потока, а верхнюю часть трубки при необходимости присоединить к холодильнику. Если у такой воронки есть боковой штуцер 2 с питателем 3, то прибор может служить для непрерывного упаривания разбавленных растворов до получения в чашке 4 суспензии нужной плотности. Чашка 4 нагревается в водяной бане 5.

При выпаривании некоторых растворов образующиеся мелкие кристаллики «ползут» в виде тонкого слоя по стенкам чашки и даже выходят за ее край из-за более слабого нагрева верхней части чашки. Устранение ползучести твердой фазы достигают применением прибора с верхним нагревателем (см. рис. 191, а) или ИК-излучателя (см. рис. 115, а).

Рис. 191. Устройства для упаривания растворов с верхним нагревателем (д), воронкой (б) и со спаренными чашками (в)

Рекомендуют так же устанавливать снаружи вокруг верхней части чашки или стакан с выпариваемым раствором кольцевой нагреватель в виде стеклянной трубки с нихромовой электрической спиралью.

Выпаривание при постоянной температуре проводят в чашках 3 с паровой рубашкой 2 (рис. 192, а), соединенной с обратным холодильником 1. Теплоносителем в таком приборе является пар высококипящей жидкости (см. табл. 16). Поэтому особого контроля за процессом выпаривания, кроме доливания в чашку очередной порции выпариваемого раствора, не требуется, Если выпаривание необходимо проводить при кипении раствора, содержащего объемистые рыхлые осадки, то применяют правку Шиффа (рис. 192, б).

Рис. 193. Циркуляционный испаритель Панкрата (а), пеноразрушитель (б) и прибор для выпаривания растворов под вакуумом (в)

Выпаривание концентрированных растворов досуха при помощи ИК-излучателей и верхнего нагрева (см. рис. 191, а) не представляет особых трудностей. Выпаривание же таких растворов с нижними нагревателями должно сопровождаться перемешиванием на конечной стадии и строгим контролем за нагреванием, которое надо немедленно прекратить при образовании сырой массы твердой фазы. Из-за перегрева донной части возможно растрескивание массы с разбросом частичек.

При выпаривании щелочных растворов и растворов, содеращих поверхностно-активные вещества, наблюдается образование пены. Устранение пенообразования достигается с помощью простого циркуляционного испарителя Панкрата (рис. 193, а).

Рис. 194. Вакуумные испарители: простой (а), ротационный (б) и роторный (в)

Раствор в циркуляционной трубе 5 нагревается при помощи трубчатого электронагревателя 4, вскипает; смесь жидкости, пара и пены выбрасывается по трубке 3 в сепаратор 2, в котором пенящаяся жидкость наталкивается на противоположную стенку и отделяется от пены, а пар удаляется через трубку 1. Жидкость стекает обратно в циркуляционную трубу 5 и поднимается снова в обогреваемую часть прибора, испаритель. Сконцентрированный раствор периодически удаляют через нижний спуск 6, не допуская выделения кристаллов в циркуляционной трубе.

Для разрушения пены рекомендуют также простой способ. В колбу 3 (рис. 193, б) над поверхностью выпариваемого раствора помещают раскаленную нихромовую спираль 5. Пар удаляют через трубку 1. Токоподводы 2 готовят из толстой медной проволоки. Спираль нагревают так, чтобы пена, разрушаемая теплом, не достигала ее примерно на 1 см и не оставляла бы на ней пленки, которая может быстро разрушить электросопротивление. Нагревают раствор на водяной бане 4.

Применяют вакуумное выпаривание в основном для кон-Центрирования растворов, направляемых после этой операции На кристаллизацию термолабильных веществ. При выпаривании под вакуумом не допускают кипения растворов, так как есть опасность уноса капельножидкой фазы и выделения из нее твердой фазы в трубках, связанных с вакуумной системой.

Наиболее простыми приборами для выпаривания растворов под вакуумом являются приборы, схемы которых приведены на рис. 193, в и 194, а.

В первом приборе использована широкогорлая колба Вальтера 2 (см. рис. 17, е), обогреваемая в жидкостной бане 3 (см. рис. 193, в). Капилляр 6 обеспечивает равномерное кипение жидкости, подсасываемой по мере необходимости из стакана 4 через кран 5. С водоструйным насосом (см. рис. 258) колба соединена через трубку 1.

Выпаривание ведут при непрерывном кипении раствора, В тех случаях, когда кипение сопровождается толчками из-за засорения капилляра, в колбе оставляют небольшое количество рас. твора, к которому непрерывно добавляют свежий раствор из стакана 4. При выпаривании сильно пенящихся растворов отводную трубку 1 заменяют на каплеуловитель (см. рис. 43).

Во втором приборе (см. рис. 194, а) пар испаряющейся жидкости из колбы 3 (см. рис. 194, а) удаляют через трубку 2, соединенную с водоструйным насосом, перед которым ставят предохранительную склянку. Колба 3 снабжена капельной воронкой 1 для периодического добавления в нее новых порций раствора. Нагрев колбы осуществляют при помощи водяной бани 4.

Вакуумное выпаривание можно осуществить и при помощи ранее рассмотренного циркуляционного испарителя (см. рис. 193, а), если его пароотводную трубку 1 присоединить к вакуумной системе. В таком циркуляционном испарителе, работающем под вакуумом, можно упаривать растворы веществ, разлагающихся при нагревании в обычных условиях. Разбавленные растворы таких веществ лучше всего упаривать при температурах не выше 50 °С, что отвечает давлению примерно 80 торр (10600 Па).

Источник

Процесс выпаривания. Типы выпарных аппаратов

Процесс выпаривания

Выпаривание – это концентрация раствора какого-либо нелетучего твердого вещества. Этот процесс происходит при обязательном условии кипения жидкости, когда растворитель начинает частично испаряться.

Выпаривание используют для того, чтобы иметь возможность провести дистилляцию (выделить растворенные вещества), кристаллизацию (нелетучие вещества выделяются в твердом состоянии) или концентрацию растворов нелетучих веществ.

Ярким примером выпаривания, когда из раствора выделяется чистый растворитель, является приведение к пресному состоянию морской воды. В этом случае получившийся водяной пар конденсируют и такую воду впоследствии применяют для разных целей.

Для того чтобы выпариваемые растворы нагревались до кипения, пользуются следующими способами:

Водяной пар является самым популярным вариантом за счет своих высоких характеристик удельной теплоты конденсации и коэффициента теплоотдачи.

Выпаривание обычно осуществляют в специальном выпаривающем оборудовании, которое имеет свои виды по принципу действия.

Выпарные аппараты делятся на:

Однако в химической технологии не меньшей востребованностью пользуются и выпаривающие агрегаты поверхностного варианта, в частности, вертикальные трубчатые, отличающиеся непрерывным действием парового обогрева.

Выпарное оборудование также делят на несколько видов по принципу движения в них кипящей жидкости:

Аппарат с естественной циркуляцией, который имеет трубу вскипания и вынесенную нагревающую камеру. В данном приборе раствор циркулирует из-за разницы показателей плотности в отдельных местах аппарата. Раствор, подвергаемый выпариванию, нагревается, поднимаясь по трубам, и вскипает по мере своего подъема. Образовавшуюся смесь пара и жидкости определяют в специальный разделитель (сепаратор), где и проводят отделение паровой и жидкой фаз друг от друга.

При этом высота пространства, где образуется пар, обязательно должна удовлетворять условиям прохождения полной сепарации капель жидкости из пара, которые потом выбрасываются через кипятильные трубы. Далее вторичный пар снова пропускают через сепаратор и освобождают брызгоотделитель от капель, а сам раствор по циркуляционной трубе возвращается в нагревающую камеру.

В подобных аппаратах легче всего проходит очищение поверхности от разного рода отложений, потому что за счет открытой верхней крышки нагревающей камеры упрощается доступ к трубам.

Условия для особо активной циркуляции раствора создаются за счет того, что сама циркуляционная труба практически не нагревается, а плотность раствора в выносной циркуляционной трубе намного больше, чем в прочих циркуляционных трубах, которые размещены в нагревающих камерах. Это не дает образовываться на поверхности отложениям и обеспечивает относительно большую скорость циркуляции раствора.

Чтобы более детально понять, как происходит процесс выпаривания, имеет смысл рассмотреть, как устроены выпарные аппараты:

Все варианты конструкций выпарного оборудования, которое находит применение в промышленности, классифицируют:

Однако более важным признаком для классификации всех выпарных аппаратов, считают кратность и вид циркуляции раствора, поскольку именно эти показатели лучше всего характеризуют интенсивность их работы.

В связи с этим выпарное оборудование делят на подвиды:

Самыми распространенными, считаются конструкции следующего оборудования:

Аппараты, имеющие центральную циркуляционную трубу и внутреннюю нагревательную камеру.

В нижнем отсеке вертикального корпуса агрегата есть специальная нагревательная камера. Она включает в себя циркуляционную трубу внушительного диаметра, которую устанавливают по оси камеры, и две трубные решетки, в которых закрепляют часто развальцованные кипятильные трубы примерной длинной 3-4 м. В пространство между нагревательной камерой и трубой подают горячий пар.

Раствор попадает в аппарат над решеткой верхней трубы и опускается вниз по циркуляционной трубе, а потом идет вверх по кипятильным трубам и вскипает на расстоянии от их нижних краев. Вот почему почти по всей длине труб смесь жидкости и пара идет вверх, наращивая содержание пара по мере движения.

Далее вторичный пар подается в сепарационное поле, где брызгоуловитель меняет направление потока пара, и от него, за счет действия сил инерции, отделяется унесенная влага. Затем вторичный пар удаляют через специальный штуцер вверху прибора, а упаренный раствор поступает в коническое дно аппарата, где его убирают через нижний штуцер как конечный или промежуточный результат.

Циркуляция раствора в подобном агрегате идет из-за разности его плотности в циркуляционной трубе и смеси жидкости и пара в кипятильных трубах. Необходимая разность плотностей объясняется тем, что поверхность обмена теплом каждой из кипятильных труб в соотношении с единицей объема упаренного раствора, намного превышает аналог циркуляционной трубы. Это происходит за счет того, что поверхность трубы имеет линейную зависимость от диаметра, а объем в ней жидкости прямо пропорционален квадрату диаметра. Вот и получается, что образование пара в кипятильных трубах должно проходить намного интенсивней, чем в циркуляционных аналогах, а вот плотность раствора в них становится ниже, чем в этом виде трубы.

Как результат происходит естественная циркуляция, которая улучшает передачу тепла и не дает накипи образовываться на поверхности при теплообмене.

В приборах такой конфигурации циркуляционная труба нагревается паром, как и кипятильная, а это уменьшает разность смеси жидкости и пара и плотностей раствора, что может привести к нежелательному образованию пара в циркуляционной трубе. Существенным недостатком таких аппаратов также является и жесткое крепление труб, которое не дает увеличить разность корпуса прибора и тепловых удлинений труб.

Агрегаты с выносной нагревательной камерой

При условии расположения нагревательной камеры не внутри, а вне корпуса прибора, появляется возможность увеличения интенсивности процесса выпаривания за счет повышения длины кипятильных труб, а также посредством увеличения разницы плотностей смеси жидкости и пара и жидкости в циркуляционном контуре.

Аппарат, имеющий выносную нагревательную камеру, содержит кипятильные трубы длиной до 7 м. Его работа при естественной интенсивной циркуляции объясняется тем, что сама циркуляционная труба не подвергается нагреву, а опускной и подъемный отсеки циркуляционного контура отличаются достаточно приличной высотой.

Выносную нагревательную камеру можно быстро отделить от корпуса прибора, это помогает облегчить ее ремонт и ускорить процесс ее чистки. Ремонт и проверку нагревательной камеры с легкостью проводят с помощью присоединения к корпусу двух нагревательных камер, не совершая при этом полную остановку агрегата (в этом случае лишь чуть-чуть временно снижается его производительность).

Начальный раствор подают под нижнюю решетку трубы нагревательной камеры, где он поднимается по кипятильным трубам и выпаривается, но иногда раствор подают сразу в циркуляционную трубу. Вторичный пар и жидкость разделяют в сепараторе, жидкость спускается по циркуляционной трубе, которая не подвергается обогреванию и перемешивается с начальным раствором, затем весь круг циркуляции происходит заново. Вторичный пар проходит через брызгоуловитель, и его убирают через верхнюю часть сепаратора, а упаренный раствор забирают через нижний штуцер как конечный или промежуточный результат.

Скорость циркуляции в оборудовании с выносной нагревательной камерой, порой, достигает до 1.5 м/с, поскольку это позволяет выпаривать кристаллизующиеся и концентрированные растворы, нисколько не боясь, что поверхность теплообмена быстро загрязнится.

Из-за своей гибкой универсальности, хорошей передаче тепла и удобству в использовании, хорошей теплопередачи именно такие приборы заслуженно получили широкое применение и большую популярность.

В некоторых видах конфигурации приборов с выносной нагревательной камерой нет циркуляционной трубы, и тогда они становятся аналогами прямоточных аппаратов с удаленной циркуляционной трубой. В таких условиях процесс выпаривания протекает за один прогон раствора сквозь нагревательную камеру. Однако с помощью выпарных аппаратов прямоточного вида не получится выпаривать кристаллизирующиеся растворы.

Приборы с выносными циркуляционными трубами

При использовании выпарных аппаратов с естественной циркуляцией раствора, ее можно усилить, если в опускном отсеке циркуляционного контура, сам раствор охлаждать. За счет таких манипуляций существенно увеличивается показатель скорости естественной циркуляции в данных аппаратах. Если циркуляционные трубы располагаются вне корпуса аппарата, то можно уменьшить диаметр нагревательной камеры в соотношении с камерой самого прибора, а также более компактно разместить циркуляционные трубы по периметру нагревательной камеры.

Конфигурации подобных аппаратов более сложны, однако в них можно получить более интенсивную передачу тепла и уменьшить расход металла на нагревательной поверхности, что намного целесообразнее, к примеру, в сравнении с приборами, в которых используется центральная циркуляционная труба или подвесная нагревательная камера.

Вертикальные агрегаты для выпаривания с естественно-направленной циркуляцией

С помощью приборов этого варианта, процесс выпаривания происходит при естественной и многократной циркуляции раствора. Эти аппараты имеют ряд преимуществ перед аппаратами других конфигураций, а потому и получили широкое применение в промышленности.

Главным плюсом подобного оборудования для выпаривания считается улучшение процента отдачи тепла в соотношении с раствором при его многократной циркуляции в замкнутом контуре, что сильно снижает отложение накипи на трубах. За счет того, что такие аппараты компактны, они занимают совсем мало производственного места и тем самым более удобны для проверки или ремонта. Развитие конфигурации подобных приборов происходит в области усиления естественной циркуляции, а это становится возможным с помощью увеличения разницы веса между смесью пара и жидкости в подъемном отсеке контура и столбов жидкости в опускной трубе.

Такую разницу достигают с помощью следующих мер:

Выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения

В аппаратах с естественной циркуляцией раствор движется со скоростью 0.2-1.5 м/с и, по этой причине становится невозможным предотвратить отложение на поверхности, где происходит теплообмен, твердых осадков. Именно поэтому аппарат приходится иногда останавливать для его очистки, а это значит, что снижается производительность прибора и растет стоимость использования.

В процессе выпаривания кристаллизирующихся растворов, загрязнение поверхности, на которой происходит теплообмен, можно значительно уменьшить, если повысить скорость циркуляции раствора и вынести зону его кипения за нагревательную камеру.

В приборе, где зона кипения вынесена, выпариваемый раствор проходит в нагревательную камеру снизу и когда поднимается по трубам вверх, он не закипает, за счет гидростатического давления. Выходя из кипятильных труб, он попадает в трубу вскипания в нижней части разделителя над нагревательной камерой. Из-за пониженного давления в данной трубе раствор вскипает и получается, что весь процесс образования пара протекает вне пределов нагрева.

Далее циркулирующий раствор спускается по наружной трубе, не подверженной нагреву, а упаренный раствор отводится из специального кармана в нижнем отсеке сепаратора. Вторичный пар проходит отбойник, брызгоуловитель и, его удаляют с поверхности аппарата. Затем исходный раствор поступает в нижний отсек аппарата под решетку трубы нагревательной камеры, или в саму циркуляционную трубу сверху.

Кипящий раствор в этом случае не имеет точек соприкосновения с поверхностью, где происходит теплообмен, что снижает отложение накипи, а из-за широкой поверхности испарения, которая получается за счет объема кипящего раствора и некоторого самостоятельного испарения капель, уносимых с вторичным паром, намного снижается брызгоунос.

Из-за большого перепада температур между раствором и нагревающим паром, а также небольшого снижения напора в области кипения, скорость циркуляции в таких аппаратах развивается до 1.8-2 м/с. Подобный рост скорости увеличивает производительность и интенсивность теплообмена, что отражают коэффициенты теплопередачи. В таком оборудовании они имеют величину дот 3000 вт/.

Приборы для выпаривания с вынесенной зоной кипения эффективно применяют при выпаривании кристаллизующихся растворов с умеренной вязкостью.

Где применяют выпарные аппараты:

Конфигурация выпарного аппарата должна соответствовать установленным требованиям и иметь:

Выбор материала выпарного прибора и его конфигурации также определяется в каждом индивидуальном случае химическими и физическими свойствами самого выпариваемого раствора:

Высокие показатели коэффициентов теплопередачи и производительности получают за счет повышения скорости циркуляции раствора, но в качестве побочного эффекта увеличивается расход энергии на процесс выпаривания и снижается необходимая разность температур, поскольку при постоянном режиме температуры нагревающего пара с одновременным ростом гидравлического сопротивления, растет и температура кипения раствора. И эти противоречия должны обязательно учитываться при экономическом и техническом сравнении при выборе типа аппарата.

При проведении выпаривания растворов с маленькой вязкостью (

Лучшими из них себя зарекомендовали приборы с выносными циркуляционными трубами, которые не обогревают, и такого же типа нагревательной камерой.

Выпаривание растворов без получения кристаллов с большой вязкостью (до

0.1 Па), обычно проводят в оборудовании с принудительной циркуляцией и чуть реже – в роторных аппаратах прямоточного типа или варианте аналогичных приборов с падающей плёнкой.

В роторных аппаратах прямоточного типа образуются более благоприятные обстоятельства для выпаривания растворов, которые имеют особую чувствительность к высоким температурам.

Приборы для выпаривания с принудительной циркуляцией чаще всего применяются для выпаривания вязких растворов или получения кристаллов. Такие растворы имеют достаточную эффективность выпаривания и в приборах с вынесенной зоной кипения, которые работают в условиях естественной циркуляции. Подобные аппараты при получении кристаллов из кристаллизирующихся растворов, могут составить достойную конкуренцию выпарному оборудованию с циркуляцией принудительного типа.

Если же растворы сильно пенятся, имеет смысл использовать приборы для выпаривания с поднимающейся пленкой.

Источник

Методы выпаривания

Общие сведения. Процесс выпаривания применяется в технике для концентрирования растворов твердых нелетучих веществ в жидких лету­чих растворителях. Этот процесс заключается в том, что путем нагревания, а иногда и понижения давления некоторую часть растворителя пере­водят в парообразное состояние и в виде пара удаляют из жидкой смеси.

Процесс выпаривания широко применяется как для частичного раз­деления (концентрирования) растворов, так и для полного выделения твердых веществ из раствора; в последнем случае выпаривание сопро­вождается кристаллизацией.

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное происхо­дит при любой температуре жидкости, при этом различают испаре­ние и кипение.

Под кипением понимают переход жидкости в парообразное состояние при такой температуре, когда упругость паров жидкости равна давлению окружающего пространства, а под испарение м—при температуре, когда упругость паров жидкости ниже давления окружаю­щего пространства.

Механизм процесса парообразования с точки зрения молекулярно — кинетической теории заключается в следующем. Молекулы жидкости, находящиеся вблизи от поверхности нагрева и обладающие в данный момент большой скоростью, вылетают в пространство над жидкостью, освобождаясь от притяжения остальных молекул, и становятся свобод­ными. Каждая испаряющаяся молекула преодолевает силы сцепления жидкости и сопротивление внешнего давления при затрате некоторого количества тепловой энергии, подводимой извне.

Количество тепла, затрачиваемое при данной температуре на испа­рение весовой единицы жидкости, называют скрытой теплотой испарения. С повышением температуры скрытая теплота испаре­ния уменьшается и при критической температуре становится равной нулю.

Весьма распространен процесс испарения с поверхности неподвиж­ной жидкости в покоящийся воздух.

Такое испарение происходит при хранении жидкостей в открытых резервуарах, в поверхностных увлажнителях, водоемах и т. п.; метод определения количества испаряющейся жидкости в единицу времени с единицы поверхности неподвижной жидкости был рассмотрен выше (2—180).

Испарение жидкости при температуре ниже точки кипения на прак­тике применяется редко. К этому методу прибегают только в тех случаях, когда при кипячении жидкости могут возникнуть нежелательные побоч­ные процессы, вредно влияющие на свойства выпариваемого раствора.

Жидкости обычно выпаривают путем нагревания их до температуры кипения и удаления образующихся паров в атмосферу (или конденсации паров в холодильниках-конденсаторах).

Нагревание жидкости при выпаривании можно производить с по­мощью любого теплоносителя, но в большинстве случаев применяют водяной пар. Обычно выпаривают различные водные растворы, удаляя из них воду в парообразном состоянии. Образующийся при выпаривании раствора пар называют вторичным паром.

При выпаривании неводных растворов вторичным паром может быть любой растворитель, в котором было растворено выделяемое твер­дое вещество.

Выпаривание производят при атмосферном давлении, под’вакуумом и под давлением выше атмосферного. Для выпаривания при атмосфер­ном давлении применяют главным образом открытые аппараты, а для выпаривания при давлении, отличном от атмосферного,—закрытые.

Тепло, затрачиваемое на выпаривание, может быть использовано однократно или многократно. В первом случае раствор выпаривают в одном аппарате и выпарную установку в этом случае называют одно — корпусной, а процесс выпаривания в нем—о днокорпусным выпариванием; вторичный пар при этом не используется. Во вто­ром случае тепло образующегося вторичного пара используется для нагре­вания в других выпарных аппаратах той же установки. В этом случае уста­новки, в которых производят выпаривание, называют многокор­пусными, а процесс выпаривания в них—м ногокорпусным выпариванием.

Тепло вторичного пара может быть использовано многократно и в однокорпусных установках путем применения теплового насоса. Кроме того, тепло вторичного пара часто используют в различных нагреватель­ных устройствах вне данной выпарной установки. Вторичный пар, отби­раемый от выпарной установки для нагревания вне данной установки, называют экстр а-п аром. ґ—-—-Однократное выпаривание. Наиболее простым способом удаления ‘ из растворов сравнительно небольших количеств растворителя является выпаривание в открытых аппаратах, которые обычно представляют со­бой открытые чаши. Выпаривание ведут при атмосферном давлении, и I образующийся из жидкости вторичный пар удаляется в атмосферу. Обо — 1 грев аппарата производят в большинстве случаев дымовыми газами или Ч_водяным паром через рубашки или змеевики.

Количество воды, выпариваемой из раствора в однокорпусном вы­парном аппарате, определяется из уравнения материального баланса.

S—количество раствора, поступающего на выпаривание, в кгс; Вн и Вк—начальная и конечная концентрация раствора в процентах твердого растворенного вещества;

W—количество выпариваемой воды в кгс.

Тогда по материальному балансу

0ТКУЛа w = s(l-p-) (2-206)

При выпаривании в однокорпусной выпарной установке расходуется тепло:

А) для нагревания раствора до температуры его кипения;

В) в окружающую среду.

Для составления теплового баланса простого выпаривания при­мем следующие обозначения:

С—теплоемкость раствора в ккал! кгс-°С’, t0 и tx—начальная и конечная температура раствора в °С; D—расход греющего пара в кгс; Т—температура греющего пара в С°; >.—теплосодержание греющего пара в ккал/кгс; 6—температура конденсата в °С;

І—теплосодержание вторичного пара в ккал! кгс;

Qn—потери тепла в окружающую среду в ккал.

Если пренебречь теплотой изменения концентрации (дегидратацией) раствора, то уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:

Приход тепла расход тепла

Откуда расход греющего пара

Для установления экономичности выпаривания при атмосферном давлении опре­делим на конкретном примере удельный расход греющего пара, т. е. расход пара, отне­сенный к 1 кгс выпариваемой воды, причем для упрощения примем теплосодержание вторичного пара І Равныод теплосодержанию насыщенного пара при температуре Tx И температуру поступающего на выпаривание раствора равной его температуре кипения, т. е. T0—Tx, а потери тепла в окружающую среду равными нулю, т. е. Qn—0.

При этих условиях расход греющего пара определяется из уравнения

Пусть требуется выпарить 1 кгс воды из раствора, кипящего при 100° и нагревае­мого паром с температурой 132,9° (пар давлением 3 ата).

D і — tx 639,4— 100 w — х — 6 651,6 — 132,9

Таким образом, теоретически на испарение 1 кгс воды расходуется приблизительно 1 кгс греющего пара. Практически (с учетом тепловых потерь) на испарение 1 кгс воды в случае выпаривания при атмосферном давлении расходуется приблизительно 1,1 кгс греющего пара.

Количество тепла, проходящего через поверхность нагрева выпар­ного аппарата, определяют по уравнению

Зная это количество тепла, можно рассчитать поверхность нагрева выпарного аппарата как обычного теплообменника.

Иногда выпаривание ведут под давлением; образующийся при этом вторичный пар может быть использован в различных нагревательных
устройствах, причем давление в выпарном аппарате должно соответ­ствовать давлению теплоносителя в устройствах, использующих тепло вторичного пара.

Во многих случаях для понижения температуры кипения раствора выпаривание ведут под вакуумом. При выпаривании под вакуумом не­целесообразно отсасывать из аппарата вакуум-насосом весь вторичный пар, так как на это расходуется много энергии. Процесс обычно ведут по схеме рис. 285. Вторичный пар поступает в конденсатор смешения или в поверхностный конденсатор (как показано на рисунке). В конденса­торе поддерживается давление, соответствующее температуре конден­сации. Так как конденсирующий­ся пар всегда содержит некоторое количество воздуха и других не­конденсирующихся газов, их уда­ляют из конденсатора с помощью вакуум-насоса.

По сравнению с выпарива­нием при атмосферном давлении выпаривание растворов под ва­куумом имеет ряд преимуществ, несмотря на то, что расход грею­щего пара на 1 кгс выпариваемой жидкости при вакууме несколько больше, чем при атмосферном давлении.

Увеличение удельного рас­хода пара при разрежении объяс­няется тем, что с понижением температуры парообразования скрытая теплота парообразования увеличивается.

Для определения теоретического расхода пара при выпаривании под вакуумом рассмотрим конкретный пример.

Допустим, что обогрев ведут водяным паром с температурой 132,9° и теплосодер­жанием А=651,6 ккал/кгс и что раствор при разрежении, достигнутом в вакуум-аппарате, кипит при температуре 60°.

По исходным величинам

Tx = 60°С; І = 622,5 ккал/кгс-, 0 = 132,9° находим удельный расход пара

Т. е. он больше, чем при атмосферном давлении (см. стр. 406).

Выпаривание в вакууме имеет следующие преимущества.

В разреженном пространстве все жидкости кипят при более низких температурах, чем при атмосферном давлении. Это дает возможность уменьшить величину поверхности теплообмена в вакуум-выпарном аппа­рате, так как при пониженной температуре кипения достигается значи­тельно большая разность температур между греющим паром и кипящим раствором. При выпаривании в вакууме можно использовать пар низ­кого давления, что очень важно, когда имеется отработанный (мятый) пар.

Рис. 285. Схема однокорпусной выпарпой ус­тановки:

1—вакуум-выпарной аппарат; 2—поверхностный кон­денсатор; 3—сборник конденсата; 4—воздушный насос.

Выпаривание в вакууме позволяет концентрировать растворы, кипящие при высоких температурах; кипячение таких растворов при атмосферном давлении может иногда вызвать нежелательные побочные
процессы (окисление, осмоление, осахаривание и т. п.), и нагревание должно проводиться высокотемпературными теплоносителями.

Вследствие пониженной температуры кипения растворов потери тепла в окружающую среду, а следовательно, и расход греющего пара, идущего на компенсацию этих потерь, будут в вакуум-выпарных аппара­тах значительно меньше, чем в выпарных аппаратах, работающих под атмосферным давлением.

Многократное выпаривание. В некоторых химических производствах выпаривают большие количества воды, что сопряжено с большим рас­ходом греющего пара.

Выше указывалось, что для выпаривания при атмосферном давле­нии или в вакууме на 1 кгс удаляемой из раствора воды расходуется не менее 1 кгс греющего пара, и в этом отношении выпаривание в вакууме по сравнению с выпариванием при атмосферном давлении никаких преимуществ не имеет.

Однако применение выпаривания в вакууме позволило осуществить так называемое многократное выпаривание, при котором значи­тельно снижается расход греющего пара на 1 кгс удаляемой воды.

Принцип многократного выпаривания заключается в следующем. Пар, выделяющийся при кипении жидкости в одном выпарном аппарате, обогреваемом свежим паром, используют для нагрева и выпаривания раствора в другом аппарате, в котором вследствие пониженного давле­ния раствор кипит при более низкои температуре, чем в первом. При совместной работе двух аппаратов свежий пар, вводимый в нагреватель­ную камеру только первого выпарного аппарата, дает возможность выпарить приблизительно двойное количество воды, т. е. расход пара на единицу выпариваемой воды понижается в два раза по сравнению с вы­париванием в одном аппарате. Вместо двух аппаратов можно взять три, четыре и более, тогда расход греющего пара теоретически должен сократиться в три, четыре и более раза, т. е. расход пара будет умень­шаться пропорционально увеличению числа совместно работающих аппа­ратов.

В установках из нескольких выпарных аппаратов с многократным использованием греющего пара (многокорпусных) каждый аппа­рат установки—к о р п у с имеет свой порядковый номер. Первым кор­пусом называют аппарат, в котором жидкость кипит при более высокой температуре, т. е. тот, в который вводят свежий греюший пар.

Современные многокорпусные выпарные установки, служащие для выпаривания больших количеств жидкости (рис. 286), состоят из не­скольких корпусов (в данном случае їрех); каждый из корпусов пред­ставляет собой закрытый цилиндрический—аппарат, в котором имеется нагревательная камера 12, паровое пространство 13 и брызгоулови — тель 14. х

Раствор, предназначенный для выпаривания, поступает в аппарат через штуцер 15. В нагревательную камеру через штуцер 16 вводится греющий пар.

Здесь пар, конденсируясь, отдает через стенки труб свою скрытую теплоту раствору, циркулирующему в трубах; при этом раствор заки­пает и образует вторичный пар более низкого давления, чем греющий (первичный) пар. Конденсат, получающийся при конденсации первич­ного пара, вместе с частично несконденсировавшимся в нагревательной камере паром уходит в конденсационный горшок 17, из которого уда­ляется в сборник конденсата или в канализацию. Частично упаренный в первом корпусе раствор направляется на дальнейшее концентрирова­ние во второй корпус через штуцер 18.

Устройство всех последующих корпусов аналогично устройству первого.

Из парового пространства первого корпуса вторичный пар через брызгоуловитель поступает в нагревательную камеру второго корпуса, где он является уже греющим, первичным паром, за счет скрытой теп­лоты которого во втором корпусе образуется некоторое количество вто­ричного пара еще более низкого давления. Конденсат поступает из нагре­вательной камеры в конденсационный горшок второго корпуса, а вто­ричный пар из парового пространства этого корпуса—на обогрев в нагре­вательную камеру третьего корпуса и т. д. Число корпусов достигает иногда десяти и более; наиболее распространены трех — и четырехкорпус — ные установки.

Рис. 286. Многокорпусная выпарная установка:

/—хранилище для выпариваемого раствора; 2—напврный бак; 3—расходомер; 4—центробежный насос; 5—подогреватель раствора; 6—8—корпуса установки (выпарные аппараты); 9—барометрический конденса — тор; 10—ловушка; //—хранилище упаренного раствора; 12—нагревательная камера; 13—паровое простран — ство; 14—брызгоуловитель; 15—штуцер для ввода выпариваемого растввра; 16—штуцер для ввода грею­щего пара; 17—конденсационный горшок; І8—штуцер для выхода упаренного раствора; 19—штуцер для

Выхода вторичного пара.

Вторичный пар последнего корпуса, так же как и в однокорпусном вакуум-выпарном аппарате, поступает в конденсатор, в котором конден­сируется холодной водой.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является некоторая разность между температурой грею­щего пара и температурой кипения раствора или, что то же самое, разность давлений первичного и вторичного пара по корпусам. Давление вторичного пара в каждом корпусе должно быть боль­ше давления вторичного пара в последующем корпусе. Поэтому давление по корпусам выпарной установки уменьшается от первого к последнему; обычно первый корпус работает под некоторым избыточным давлением, а последний—под вакуумом.

Греющие камеры корпусов работают как холодильники-конденса­торы. Для предупреждения скапливания неконденсирующихся газов в камерах предусматривается отвод газов, для чего верх камер при­соединяется к конденсатору последнего корпуса.

Во многих случаях первый корпус обогревается отработанным (мятым) паром паровых двигателей. Когда отработанного пара не хва­тает, в нагревательную камеру первого корпуса подводят, кроме мятого пара, также и свежий при снижении его давления до величины давления мятого пара.

Комбинированный обогрев выпарной установки свежим и отрабо­танным паром ведут следующим образом.

Перед первым корпусом устанавливают добавочный, так называе­мый н о л ь-к о р п у с, обогреваемый исключительно свежим паром. Раствор, поступающий на выпаривание, направляется предварительно в ноль-корпус, где давление вторичного пара поддерживается равным давлению отработанного пара, который может быть смешан со вторич­ным паром ноль-корпуса и по об­щему трубопроводу направлен на обогрев первого корпуса.

Рис. 287. Схема трехкорпусной выпарной ус­тановки с отбором экстра-пара.

Рис. 288. Схема трехкорпусной выпарной ус­тановки, работающей по принципу противо­тока.

При таком способе обогрева свежим и мятым паром поль­ці корпус заменяет собой редукци-

Онныи вентиль; кроме того, в ноль — корпусе при понижении давления свежего пара раствор нагревает­ся и отчасти упаривается, вслед­ствие чего повышается эффек­тивность действия выпарной уста­новки.

Для отбора экстра-пара тру­бопроводы, отводящие вторичный пар, имеют ответвления, по которым часть вторичного пара из данного корпуса отводится и используется в других теплообменных устройствах (рис. 287).

Наиболее целесообразно было бы использовать в качестве экстра­пара вторичный пар последнего корпуса. Этот пар является как бы отработанным паром по отношению к выпарной установке в целом. Однако в большинстве случаев вторичный пар последнего кор­пуса имеет незначительное давле­ние и использование его в каче­стве экстра-пара не всегда воз­можно.

В зависимости от способа подачи начального раствора в вы­парную установку работа ее мо­жет происходить:

1. По принципу прямого или параллельного тока раствора и пара (см. рис. 286); начальный раствор поступает в первый кор­пус и затем естественным током перетекает последовательно через все корпуса. Поэтому концентра­ция раствора повышается в на­правлении от первого корпуса к последнему, т. е. соответственно на­правлению протекания пара.

2. По принципу противотока (рис. 288) начальный раствор по­дается в последний корпус и при помощи насосов последовательно пере­дается через все корпуса по направлению к первому. В этом случае концентрация раствора увеличивается в направлении, обратном напра­влению движения пара, и, следовательно, наивысшая концентрация рас­твора будет в первом корпусе.

3. По принципу параллельного питания каждого корпуса началь­ным раствором (рис. 289), когда концентрация раствора во всех корпу­сах одна и та же.

В промышленности применяют главным образом выпарные уста­новки, работающие по принципу прямого тока. Параллельное питание каждого корпуса установки начальным раствором используют для выпа­ривания кристаллизующихся растворов, которые трудно перепускать через все корпуса.

При противотоке возрастание концентрации раствора совпадает с повышением его температуры кипения и температуры греющего пара, что обусловливает понижение вязкости раствора и повышение коэффи­циентов теплопередачи во всех корпусах установки.

Однако противоток при выпаривании применяют сравнительно редко, так как для его осуществления необходимо устанавливать между корпусами насосы по передаче

Раствора из последующего кор — Раствор х—»

Пуса с меньшим давлением в предыдущий корпус с большим давлением.

Противоток греющего па­ра и раствора в выпарных ус­тановках применяют главным образом для выпаривания рас­творов, вязкость которых резко повышается с возрастанием концентрации.

Противоточное выпарива­ние неприменимо для раство­ров, нестойких в условиях по­вышенной температуры.

Выпаривание в аппаратах с тепловым насосом. В много­корпусных выпарных установ­ках первоначальные затраты на оборудование, связанные с ус­тановкой каждого дополнительного корпуса, окупаются экономией грею­щего пара только при некотором увеличении числа корпусов. Практи­чески в большинстве случаев максимальная экономия достигается уже в четырехкорпусной установке.

Кроме того, многокорпусные выпарные установки часто не могут быть применены потому, что в первых корпусах под действием высокой температуры может разлагаться раствор.

Эффективным способом выпаривания, дающим экономию греющего пара, является выпаривание с применением теплового насос а— устройства, повышающего температурный уровень теплоты, выделяю­щейся в каком-либо процессе. Выпаривание с тепловым насосом позво­ляет вести процесс при низкой температуре кипения, что предотвращает вредное влияние его на свойства выпариваемого раствора; первоначаль­ные затраты на оборудование такой выпарной установки невелики.

Принцип выпаривания с тепловым насосом состоит в том, что путем адиабатического сжатия вторичного пара в компрессоре повышают тем­пературу насыщения пара и используют его для обогрева аппарата, в котором этот вторичный пар образовался.

Рис. 289. Схема трехкорпусной выпарной ус­тановки с параллельным питанием каждого корпуса.

Между температурой греющего пара и температурой кипения рас­твора в многокорпусных установках поддерживается разность всего в несколько градусов. Сжимая адиабатически вторичный пар в компрес­соре, можно легко повысить его температуру на несколько градусов и довести температуру насыщения пара до величины, необходимой для
получения разности температур и передачи кипящему раствору тепла в нагревательной камере.

Как уже указывалось, в выпарном аппарате испаряется количество воды, приблизительно равное количеству расходуемого первичного пара; следовательно, применяя сжатие вторичного пара, можно теоретически обойтись одним этим паром, без добавления свежего.

На рис. 290 изображена схема выпарной установки с тепловым на­сосом. По устройству выпарной аппарат не отличается от обычных выпар­ных аппаратов многокорпусных установок. Вторичный пар, образующийся в паровом пространстве выпарного аппарата 1, засасывается по трубопро­воду 2 турбокомпрессором 3\ в турбокомпрессоре пар сжимается и его темпе­ратура повышается до величины, необходимой для обогрева ап­парата. После турбокомпрес­сора пар по трубопроводу 4 направляется в нагревательную камеру 5, где он конденси­руется, отдавая тепло кипящему раствору. Конденсат из нагре­вательной камеры отводится через конденсационный горшок 6, а скапливающийся воздух откачивается из камеры воз­душным насосом по трубопро­воду 7.

Перед пуском аппарата рас­твор должен быть подогрет свежим паром, который вводят в камеру до начала кипения жидкости в аппарате. Затем прекращают подачу греющего пара и ведут выпаривание за счет теплоты сжимаемого в компрессоре вторичного пара.

Сжатие вторичных паров стремятся провести адиабатически, ‘в про­тивоположность сжатию газов в компрессорах, которое желательно приблизить к изотермическому процессу. При адиабатическом сжатии вся затрачиваемая в компрессоре работа переходит в теплоту, и одно­временно с повышением температуры паров повышается их тепло­содержание. Для проведения выпаривания только за счет механической энергии без добавочных затрат свежего пара необходимо, чтобы тепло, сообщенное пару во время сжатия, полностью компенсировало потери тепла аппаратом в окружающую среду.

Экономия греющего пара на выпарной установке с тепловым насо­сом практически несколько выше, чем в четырехкорпусных установках, и зависит прежде всего от необходимости повышения давления и температуры паров в компрессоре. Чем меньше это повышение, тем большая достигается экономия греющего пара. Величина поверхности нагрева, а следователь­но, и первоначальные затраты, наоборот, тем ниже, чем больше будет по­вышаться давление и температура пара в компрессоре.

Область применения установок выпаривания с тепловым насосом ограниченна.

Рис. 290. Схема выпарной установки с тепло­вым насосом:

/—выпарной аппарат; 2, 4—трубопроводы вторично­го пара; 3—турбокомпрессор; 5—нагревательная ка­мера; б—конденсационный горшок; 7—трубопровод для отвода воздуха.

Для многих растворов, которые необходимо концентрировать путем выпаривания, наблюдается значительное повышение температуры кипения по сравнению с чистой водой. Если, например, раствор под атмосферным давлением кипит при 110°, то повышение его температуры кипения, или
температурная депрессия, составляет 110—100=10°. Температура вто­ричного пара, образующегося при выпаривании такого раствора при ат­мосферном давлении, будет 100°, т. е. на 10° ниже температуры кипения раствора.

Для создания разности температур в нагревательной камере всего лишь в 10° температуру вторичного пара пришлось бы путем сжатия в компрессоре повышать уже не на 10, а на 20°, что потребовало бы большого расхода энергии.

Поэтому выпаривание с тепловым насосом не имеет преимуществ при работе с растворами, повышение температуры кипения которых значитель­но, т. е. когда температурная депрессия (см. стр. 421) велика. Практически применение этого способа стано­вится нецелесообразным для выпаривания жидкостей, температурная депрессия которых выше 10°, между тем в химической промышленности в большинстве случаев приходится выпаривать концентрированные растворы, обладающие температурными депрессиями, значительно превосходящими 10°. Поэтому наиболь­шее распространение этот способ выпаривания полу­чил в пищевой промышленности для концентрирова­ния молока и фруктовых соков.

Тепловой насос широко применяют в тех случаях, когда недопустимо выпаривание при повышенных тем­пературах кипения и, следовательно, невозможно проведение процесса в многокорпусной выпарной установке.

Тепловой насос неприменим в тех случаях, ко­гда вторичный пар нельзя использовать для нагрева­ния (и в качестве источника движущей силы) вслед­ствие низкой его температуры или присутствия в нем летучих кислот.

Как уже указывалось, экономичность способа вы­паривания с тепловым насосом в значительной мере зависит от расхода энергии, необходимой для сжатия вторичного пара в компрессоре. Выбор наиболее рацио­нального типа компрессора (поршневой, турбоком­прессор или пароструйный) должен проводиться в каждом отдельном случае.

Сжатый в турбокомпрессоре или в пароструйном компрессоре пар находится в перегретом состоянии. Пар, поступающий на обогрев выпарного аппарата из котельной, так­же* может быть перегретым. Как известно, нагревание перегретым паром, ввиду малых коэффициентов теплопередачи, нецелесообразно, и чтобы избежать значительного увеличения поверхности нагрева аппарата, необходимо ‘перевести перегретый пар в сухое насыщенное состояние.

Перегретый пар превращают в насыщенный, вводя его в непосредствен­ное соприкосновение с холодной водой в аппаратах, называемых п а — ровыми умформерами. В паровом умформере с непосред­ственным впрыскиванием распыленной воды (рис. 291) перегретый пар подводится сверху через штуцер /, проходит винтовую насадку 2 и по­лучает завихренное движение.

Рис. 291. Паровой умформер:

/—штуцер для перегре­того пара; 2—винтовая насадка; 3—форсунки; 4—штуцер для насы­щенного.,пара; 5—пат­рубок для отвода воды.

Навстречу движущемуся пару из форсунок 3 впрыскивается холод­ная вода, которая перемешивается с перегретым паром и, испаряясь за счет теплоты перегрева, переводит пар в насыщенное состояние.

Полученный насыщенный пар отводится через штуцер 4 в нижней части аппарата, а неиспарившаяся вода стекает через патрубок 5, соеди­ненный с конденсационным горшком.

Комментарии к записи Методы выпаривания отключены

Источник