Выпаривание. 
Тепловые процессы в химической аппаратуре

Выпаривание — процесс концентрирования растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

При выпаривании происходит частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения.

В качестве греющего агента при выпаривании используют чаще всего водяной пар, который называется греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании, называется вторичным. Тепло в выпарных аппаратах подводится через стенку или непосредственно.

Различают выпаривание под вакуумом, при атмосферном давлении, при повышенном давлении. Выпаривание под атмосферном давлении и под вакуумом проводят в однокорпусных аппаратах. Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные аппараты, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего для следующего корпуса. Давление при этом снижается так, чтобы обеспечить достаточную разность температуры вторичного пара и температуры кипения раствора в корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса. Первичным паром обогревается только 1 — ый корпус. Рассмотрим устройство выпарного аппарата.

Схема однокорпусной выпарной установки.

1-сепаратор; 2-греющая камера; 3-циркуляционная труба; 4-барометрический конденсатор; 5-барометрическая труба; 6-вакуум-насос Греющий пар поступает в межтрубное пространство нагревательной камеры, охлаждается, конденсат отводится внизу. Раствор, поднимаясь по трубам, кипит с образованием вторичного пара. Отделение вторичного пара от брызг происходит в сепараторе. Вторичный пар выходит из верха аппарата. Часть раствора опускается по циркулярной трубе под решетку греющей камеры. Плотность жидкости в трубе < с в циркуляционной трубе, поэтому раствор циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор удаляется снизу.

Температура кипения раствора и температурные потери

Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления первичного греющего и вторичного паров, а следовательно, определены и их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарного аппарата:

Общая разность температур связана с полезной разностью температур соотношением:

Величины называют температурными депрессиями (температурными потерями).

Величину Д' называют концентрационной температурной депрессией и определяют как повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя при данном давлении:

Таким образом, температура образующегося при кипении растворов вторичного пара (т.е. пара над раствором, который затем в виде греющего идет в следующий корпус) ниже, чем температура кипения раствора, и поэтому часть общей разности температур всей установки теряется бесполезно.

Температурную потерю Д" называют гидростатической температурной депрессией; она характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением давления гидростатического столба жидкости. Гидростатическая депрессия проявляется лишь в аппаратах с кипением раствора в кипятильных трубах нагревательной камеры. В этом случае за температуру кипения раствора принимают температуру кипения в средней части кипятильных труб.

Кроме указанных выше концентрационной и гидростатической депрессий в многокорпусной установке возникает еще одна температурная потеря-гидродинамическая температурная депрессия Д'". Она вызывается потерей давления вторичных паров при переходе из одного аппарата в другой на преодоление местных сопротивлений и трения. Как правило, вторичные пары насыщенные, поэтому потеря давления паром влечет за собой уменьшение его температуры. По разности давлений (температур) паров на выходе из предыдущего аппарата и на входе в последующий аппарат определяют гидродинамическую депрессию Д" '. В инженерных расчетах потерянное давление не рассчитывают, а без большой ошибки принимают гидродинамическую депрессию для каждого аппарата 1,0−1,5 °С.

Многокорпусное (многократное) выпаривание

Многократное выпаривание проводят в нескольких последовательно соединенных аппаратах, в которых давление поддерживают таким образом, чтобы вторичный пар предыдущего корпуса можно было использовать в качестве греющего пара в каждом последующем корпусе. Такая организация выпаривания приводит к значительной экономии греющего пара. Если приближенно принять, что 1 кг греющего первичного пара испаряет 1 кг воды с образованием 1 кг вторичного пара, который затем в последующем корпусе уже в качестве греющего испарит также 1 кг воды и т. д., то общий расход свежего греющего пара на процесс уменьшается пропорционально числу корпусов. Практически в реальных установках такое соотношение не выдерживается, оно как правило, ниже.

В зависимости от взаимного направления движения раствора и греющего пара из корпуса в корпус различают прямоточные и противоточные выпарные установки, а также установки с параллельной или со смешанной подачей раствора в аппараты. Наибольшее распространение в промышленных условиях получили прямоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор направляют в первый корпус 1, затем частично упаренный раствор самотеком перетекает во второй корпус 2, и т. д.; вторичный пар первого корпуса направляют в качества греющего пара во второй корпус, и т. д.'

Многокорпусная прямоточная выпарная установка:

1−3-корпуса; 4-барометрический конденсатор; 5-вакуум-насос; 6-подогреватель исходного раствора Прямоточная выпарная установка по сравнению с другими обладает некоторыми преимуществами: т.к. перетекание раствора из 1 корпуса во 2 корпус благодаря разности давлений идет самотеком, отпадает необходимость в установке насосов для перекачивания кипящих растворов. Температуры кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор в корпусах (кроме 1-го) поступает перегретым. Теплота, которая выделяется при охлаждении раствора до температуры кипения в последующем корпусе, идет на дополнительное испарение растворителя из этого же раствора. Это явление получило название самоиспарения.

Недостатками прямоточной схемы выпарной установки являются понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора от первого корпуса к последнему. Это приводит к повышению вязкости раствора и, следовательно, к снижению интенсивности теплоотдачи при кипении, уменьшению коэффициента теплопередачи и, как следствие, к увеличению общей поверхности теплопередачи. Однако, несмотря на увеличение необходимой поверхности теплопередачи, достоинства прямоточной схемы имеют превалирующее значение, что определяет их широкое распространение.

Материальный и тепловые балансы многокорпусных установок

Уравнения материальных и тепловых балансов для многокорпусных установок представляют собой системы уравнений, записанных для каждого корпуса в отдельности. Уравнения материального баланса позволяют определить общее количество испаренной воды в установке и концентрацию растворенного компонента по корпусам при условии, что задан закон распределения испаренной воды по корпусам.

Одной из задач расчета многокорпусных выпарных установок является определение потребной поверхности теплопередачи корпусов, для чего необходимо знание полезной разности температур каждого корпуса.

Полезная разность температур в многокорпусной установке

Суммарную полезную разность температур многокорпусной установки находят из уравнения.

где общая разность температур многокорпусной установки, равная разности между температурой греющего пара в первом корпусе и температурой вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в барометрический конденсатор Материальный баланс выпарной установки.

1) — общий баланс аппарата,.

Gн- расход раствора, поданного на выпаривание,.

Gк— расход упаренного раствора,W- расход выпаренного растворителя.

2) Баланс по абсолютно сухому веществу в растворе, где.

Хн— начальная концентрация раствора, Хк — конечная концентрация раствора.

Тепловой баланс выпарной установки

Iн— энтальпия исходного раствора, Iк — энтальпия упаренного раствора,.

Dрасход греющего пара, Скондудельная теплоемкость конденсата,.

Jгэнтальпия греющего пара, t конд — температура конденсата, Jэнтальпия вторичного пара.

Поверхность нагрева Qтепловая нагрузка аппарата.

Конструкции выпарных аппаратов

Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой:

1-нагревательная камера; 2-кипятильные трубки; 3-сепаратор; 4-брызгоотбойник; 5-циркуляционная труба.

Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:

7-нагревательная камера; 2-сепаратор; 5-брызгоотбойник; 4-труба вскипания; 5-циркуляционная труба.

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенными нагревательной камерой (а) и циркуляционной трубой (б):

1-нагревательные камеры; 2-сепараторы; 3-брызгоуловитель; 4-циркуляционные трубы; 5-насосы.