Выпаривание

Основные понятия. Способы выпаривания

Выпаривание — это процесс концентрирования растворов твер­дых нелетучих веществ путем удаления жидкого растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе ра­створителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обыч­но проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Различают следующие основные способы выпаривания:

• простое (однокорпусное), проводимое в непрерывном или периодическом режиме;

• многократное (многокорпусное), осуществляемое только в непрерывном режиме;

• с применением теплового насоса.

Все перечисленные способы выпаривания в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов реализуют как под давлением, так и в вакууме.

Простое выпаривание. Этот процесс осуществляют на установ­ках небольшой производительности. Его проведение в периоди­ческом режиме возможно с одновременной или порционной за­грузкой исходного раствора.

Схема однокорпусной выпарной установки непрерывного дей­ствия представлена на рис. 15.1. Аппарат состоит из сепаратора 1 и теплообменника 2. Греющий пар поступает в межтрубное простран­ство. Исходный раствор, подаваемый в аппарат, воспринимает теп-

Рис. 15.1. Схема однокорпусной выпарной установки непрерывного дей­ствия:

1 — сепаратор; 2 — теплообменник

лоту греющего пара, и растворитель испаряется. Образовавшийся вторичный пар и инертные газы освобождаются от брызг жидко­сти в сепараторе и отводятся через верхнюю часть аппарата. Упа­ренный раствор отбирается из штуцера, расположенного в ниж­ней части аппарата.

Материальный баланс простого выпаривания может быть вы­ражен двумя способами:

1)общий материальный баланс выпарного аппарата — с по­мощью уравнения

G_H = G_K + W, (15.1)

где G_H, G_K — массовый расход соответственно исходного и упа­ренного растворов, кг/с; W — массовый расход вторичного пара или выпариваемой воды, кг/с;

2)материальный баланс по сухому веществу, находящемуся в растворе, — с помощью уравнения

, (15.2)

где — массовые доли растворенного вещества соответственно

в исходном и упаренном растворах.

Из уравнений (15.1) и (15.2) найдем массовый расход выпа­риваемой воды:

().

Уравнение теплового баланса имеет вид

(15.3)

где — массовый расход греющего пара, кг/с; — удельная энтальпия греющего пара, вторичного пара и конденса­та, Дж/кг; — удельная теплоемкость исходного и конечного растворов, Дж/(кг-К); — температура исходного раствора на входе в аппарат и конечного на выходе из него, К; — поте­ри теплоты в окружающую среду, Вт.

Под энтальпией (теплосодержанием) понимают сумму внутрен­ней энергии и потенциальной энергии давления.

С учетом того, что удельная теплота конденсации пара

,

уравнение (15.3) позволяет определить массовый расход греюще­го пара. Расчет показывает, что для удаления 1 кг влаги из раство­ра может потребоваться 1, 1... 1, 2 кг греющего пара.

Площадь поверхности нагрева выпарного аппарата согласно основному уравнению теплопередачи (12.4) записывается в виде

где применительно к процессу выпаривания — полезная раз­ность температур, т.е. разность температуры греющего пара и тем­пературы кипения раствора в выпарных установках. Значение определяется по общей разности температур и температурным потерям (депрессиям).

Общей разностью температур в выпарных установках называют разность температур греющего пара и вторичного пара :

Полезная разность температур меньше общей на величину тем­пературных потерь (депрессий):

.

Различают три вида депрессий: температурную (физико-хими­ческую), гидростатическую и гидравлическую.

Так как давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем, температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, в условиях, когда давление равно атмо­-

сферному, вода кипит при температуре 100 °С, а 30%-ный ра­створ NaOH — при 117°С. Такая разность температур кипения раствора и чистого растворителя называется температурной де­прессией '.

Значение температурной депрессии, зависящее от свойств ра­створенного вещества и растворителя, повышается с увеличени­ем концентрации раствора и давления. Определить значение ' можно опытным путем.

Большинство опытных данных относится к температурной деп­рессии атмосферном давлении. Если известна величина , К, то можно найти депрессию ' К, и при другом давлении по приближенной формуле Тищенко:

,

где Т — абсолютная температура кипения, К; r — удельная теп­лота испарения, Дж/кг, воды при данном давлении.

Повышение температуры кипения раствора обусловлено также гидростатической и гидравлической депрессиями.

Гидростатическая депрессия " вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой темпера­туре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верх­них слоев).

Гидравлическая депрессия '" учитывает понижение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вто­ричного пара через ловушку и выходной трубопровод. При расче­тах полагают, что '" = 1 К.

Общая депрессия

= '+ " + '".

Проведение выпаривания в вакууме в большинстве случаев иг­рает положительную роль: снижается температура кипения ра­створа, а это позволяет применять для нагревания выпарного ап­парата пар низкого давления, который относится к тепловым от­ходам, образующимся при осуществлении других процессов.

Многократное выпаривание. Сущность этого способа выпари­вания состоит в том, что его проводят в нескольких последова­тельно соединенных аппаратах, давление в которых поддержива­ют на таком уровне, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог быть использован как греющий пар в последующем аппарате. Очевидно, что многократное выпаривание позволяет сократить расход теплоты на проведение процесса приблизительно пропор­ционально числу последовательно соединенных аппаратов (числу корпусов). Установки для многократного выпаривания всегда имеют несколько корпусов и поэтому называются многокорпусными.

Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточ­ными, противоточными и комбинированными.

Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки приведена на рис. 15.2. Исходный раствор подают в корпус 1, далее поступает в корпуса 2 и 3, а затем удаляется из корпуса 3 в виде готового продукта. Давление в установке уменьшается в направлении от корпуса 1 к корпусу 3, что обеспечивает перемещение раствора самотеком под действием перепада давлений.

Греющий пар перемещается в том же направлении, что и раствор: свежий пар вводится в корпус 1, а образовавшийся в этой корпусе вторичный пар направляется в качестве греющего пара в корпус 2. Образовавшийся в корпусе 2 вторичный пар применя­ется для обогрева корпуса 3, а вторичный пар из корпуса 3 поступает для конденсации в барометрический конденсатор 4.

Очевидным достоинством прямоточной схемы выпаривания является возможность перемещения раствора из корпуса в корпус без помощи насосов. К недостаткам этой схемы относится резкое снижение коэффициента теплопередачи от корпуса к корпусу.

Схема противоточной многокорпусной выпарной установки представлена на рис. 15.3. Свежий греющий пар поступает в кор­пус 1, а вторичный пар уже в качестве греющего пара перемеща­ется от корпуса 1 к корпусу 3. Выпариваемый раствор вводится в корпус 3, перемещается в установке в направлении от корпуса 3 к корпусу 1 и отбирается из корпуса 1. Поскольку давление в каж­дом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для пере­мещения раствора используются насосы 5— 7.

Преимуществом противоточной схемы выпаривания перед пря­моточной является потребность в меньшей поверхности теплооб­мена, а недостатком — необходимость применения насосов для перекачивания растворов.

Общий массовый расход воды, выпариваемой в многокорпус­ной установке,

Очевидно, что увеличение числа корпусов ограничено вслед­ствие уменьшения полезной разности температур, значения ко­торых при этом возрастают. Оптимальное число корпусов устано­вок многократного выпаривания, при определении которого при­нимаются во внимание и экономические соображения, составля­ет 3—4.