В промышленной технологии в основном применяется первый метод выпаривания. Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними.
Разность температур между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур.
В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах применяется насыщенный водяной пар (греющий или первичный).
Выпаривание – типичный теплообменный процесс – перенос теплоты за счет конденсации насыщенного водяного пара к кипящему раствору.
В отличие от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов: греющей камеры или кипятильника и сепаратора (рис. 3.1). Сепаратор предназначен для улавливания капель раствора из пара, который образуется при кипении. Этот пар называется вторичным или соковым. Температура вторичного пара всегда меньше температуры кипения раствора. Для поддержания постоянного вакуума в конденсаторе необходимо отсасывать парогазовую смесь вакуум-насосом.
В зависимости от давления вторичного пара различают выпаривание при ратм, ризб, рвак. В случае выпаривания при рвак снижается температура кипения раствора, при pизб – вторичный пар используется в технологических целях. Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя.
Например, для насыщенного водного раствора NaCl (26 %) Tкип = 110 °С, для воды Tкип = 100 °С. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называется экстра паром.
Классификация и конструкция выпарных установок
В случае, если в выпарной установке имеется лишь один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной (рис. 3.1). Если же в выпарной установке имеется 2 или более выпарных аппаратов, то такую установку называют многокорпусной (многократной, многоступенчатой). В этом случае, вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что экономно. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса, образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и т.д. Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и до высоких концентраций раствора. Выпарные установки в основном работают в непрерывном режиме.
Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.
Прямоточные выпарные установки распространены наиболее широко. Их преимущество – для подачи раствора на следующий корпус не требуется насоса, поскольку перетекание раствора из корпуса в корпус, благодаря разности давлений, идет самотеком. Температура кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор в корпуса (кроме первого) поступает перегретым. Теплота, которая выделяется при охлаждении раствора до кипения в последующем корпусе, идет на дополнительное испарение из этого же раствора.
вт. пар
вт. пар
вт. пар
исх. раствор
перв.пар
греющийпар
к вакуум- насосу
вода
упаренный раствор
исход. раствор
К
К
К
К
вода
Рис. 3.2. Многокорпусная выпарная установка прямоточного типа
В прямоточной схеме (рис. 3.2) выпарной установки происходит понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора от первого корпуса к последнему. Это приводит к повышению вязкости раствора и, следовательно, к уменьшению коэффициента теплопередачи и увеличению общей поверхности теплообмена.
В противоточных выпарных установках греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях (рис. 3.3). Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора нужны насосы.
вода
вт. пар
вт. пар
вт. пар
к вакуум-насосу
вода
исх.р-р
греющийпар
упар.р-р
насос
насос
насос
К
К
К
Рис. 3.3. Противоточная многокорпусная выпарная установка
В качестве греющего теплоносителя в выпарных установках используется насыщенный водяной пар с давлением р = 0,5–1,0 МПа и температурой 140–180 °С.
Конструкции выпарных аппаратов(ВА) многообразны: с паровой «рубашкой», змеевиковый, с горизонтальной греющей камерой, вертикальной греющей камерой (наиболее распространенные), пленочные, роторные и барботажные ВА (рис. 3.4).
исх. р-р
исх. р-р
гр. пар
К
упар. р-р
вт. пар
исх. р-р
гр. пар
К
упар. р-р
вт. пар
б
гр. пар
упар .р-р
вт. пар
насос
К
упар. р-р
вт. пар
насос
К
гр. пар
К
упар. р-р
вт. пар
гр. пар
К
вт. пар
упар.р-р
исх. р-р
в
г
д
е
а
исх. р-р
исх. р-р
Рис. 3.4. Схемы выпарных аппаратов: а, б – с естественной циркуляцией раствора;
в, г – принудительной циркуляцией; д, е – пленочные аппараты с восходящей
и нисходящей пленкой раствора соответственно
пар
капли
кольцевая
снарядно-кольцевая
снарядная
пузырьково-снарядная
пузырьковаяжидкость
жидкость
Хорошая циркуляция раствора в аппаратуре способствует интенсификации теплообмена, предотвращает быстрое отложение накипи на стенках кипятильных труб.
ВА с естественной циркуляцией движение раствора вызвано различием плотностей парожидкостной смеси в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. В этих аппаратах скорости циркуляции небольшие, поэтому реализуются небольшие значения коэффициентов теплопередачи. Скорость циркуляции раствора в ВА с вынесенной трубой больше, чем в аппаратах центральной циркуляцией. Более высокие скорости циркуляции достигаются в ВА с принудительной циркуляцией (для парожидкостной смеси w = 2 2,5 м/с), поэтому эти аппараты могут работать и при небольших значениях полезных разностях температур. Пленочные ВА используются для разделения нетермостойких растворов.
В пленочном выпарном аппарате с восходящей пленкой жидкости исходный раствор поступает в трубы снизу и заполняет одну четверть трубы. Происходит кипение раствора, образующийся пар увлекает раствор в виде кольцевой пленки. Кольцевая пленка при кипении испаряется (рис. 3.5).
Для снижения температуры кипения растворов процесс, как правило, проводится под вакуумом.
Рис. 3 5. Структура двухфазных потоков при кипении раствора
в вертикальной трубе
Роторные ВА применяются для выпаривания высоковязких пастообразных продуктов.
Барботажные ВА используются для выпаривания агрессивных жидкостей. Барботаж осуществляется дымовыми газами с помощью погружных горелок.
2,5 м/с), поэтому эти аппараты могут работать и при небольших значениях полезных разностях температур. Пленочные ВА используются для разделения нетермостойких растворов.
