ГЛАВА 14 ВЫПАРИВАНИЕ

При кипении растворов нелетучих веществ (например, растворов солей, щелочей, органических веществ с очень низким давлением паров при температуре кипения и т. п.) в пары переходит практиче­ски только растворитель. По мере его испарения и удаления в виде паров концентрация раствора повышается. Процесс концентрирова­ния растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении, называется выпариванием.

Испарение при температурах ниже температуры кипения данно­го раствора происходит с его поверхности, в то время как при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего раство­ра, что значительно интенсифицирует процесс удаления раствори­теля из раствора.

Обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в применяемых для выпаривания аппаратах вещество должно оста­ваться в текучем состоянии. В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора. При дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т. е. выделение из него твердого вещества.

Процесс выпаривания широко применяется для повышения кон­центрации разбавленных растворов, выделения из них растворен­ных веществ путем кристаллизации, а иногда-для выделения раст­ворителя (например, при получении питьевой или технической воды в выпарных опреснительных установках).

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и рас-

чете процесса выпаривания эту разность температур между тепло­носителем и кипящим раствором принято называть полезной раз­ностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппара­тах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным, хотя, конечно, для этой цели могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоно­сители.

Таким образом, выпаривание является типичным процессом переноса теплоты от более нагретого теплоносителя-греющего пара-к кипящему раствору. Оба этих процесса-конденсация на­сыщенного пара и кипение жидкостей-рассмотрены ранее (см. разд. 11.7 и 11.8). Основные отличия процесса выпаривания, вслед­ствие которых выпаривание в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключается в особенностях его аппара­турного оформления и методе расчета выпарных установок.

В отличие от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис. 14-1): греющей камеры, или кипятильника, 2 (как правило, в виде пучка труб) и сепаратора 1, предназначенного для улавливания капель раствора из пара, обра­зующегося при кипении раствора. Для более полного улавливания в сепараторе устанавливают различные по конструкции брызгоуловители.

Поверхность кипятильных труб, так же как и при расчетах теплообменников, определяют по уравнению (11.73):

Однако для процесса выпаривания расчет входящих в это урав­нение величин существенно усложняется. Например, при определе­нии полезной разности температур часто затруднитель­но определить температуру t _К кипения раствора, которая зависит от концентрации раствора, давления над ним, высоты кипятильных труб; не всегда просто определить и температуру Т греющего пара, поскольку его давление обычно не задается.

Для снижения скорости отложения загрязнений (накипи) на стенках труб в выпарных аппаратах создают условия для интенсив­ной циркуляции раствора (при этом скорость движения раствора в трубах составляет 1-3 м/с). Естественно, циркуляцию раствора также следует учитывать при расчете выпарных аппаратов.

Из схемы одной из конструкций выпарного аппарата с внутренней цикруляционной трубой, представленной на рис. 14-1, видно, что исходный разбавленный раствор поступает в нижнюю часть сепаратора 1 и затем попадает в кипятильные трубы. Первичный пар направляют в межтрубное пространство греющей камеры где он конденсируется, отдавая теплоту конденсации через стенки кипятильных труб к кипя­щему раствору.

Выпарной аппарат указанного типа работает по принципу направленной естест­венной циркуляции, которая вызывается различием плотностей кипящего раствора в циркуляционной трубе 3 и в кипятильных трубах греют 1 ей камеры 2. Разность плотностей обусловливается различием удельного теплового потока, приходящегося на единицу объема раствора: в кипятильных трубах он выше, чем в циркуляционной трубе. Поэтому интенсивность кипения, а следовательно, и парообразование в них тоже выше; образующаяся здесь парожидкостная смесь имеет меньшую плотность, чем в циркуляционной трубе. Это приводит к направленной циркуляции кипящего раствора, который по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубам поднимается вверх. Парожидкостная смесь попадает затем в сепаратор, в котором пар отделяется от раствора, и его выводят из аппарата. Упаренный раствор выходит из штуцера в днище аппарата. Таким образом, в аппаратах с естественной циркуляцией раствора создается организованный циркуляционный контур по схеме: кипятильные (подъемные) трубы -> паровое пространство -> цир­куляционная (опускная) труба -> подъемные трубы, и т.д.

Выпаривание проводят при атмосферном давлении, под ваку­умом или под давлением, большим атмосферного. Отметим, что образующийся при выпаривании растворов пар, называют вторич­ным, или соковым.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравне­нию с атмосферной выпаркой: снижается температура кипения раствора, что дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата; несколько снижа­ются потери теплоты в окружающую среду (так как снижается температура стенки аппарата); появляется возможность использо­вания теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам выпарива­ния под вакуумом относятся удорожание установки (так как требу­ется дополнительное оборудование-конденсатор, вакуум-нассс и др.), а также несколько больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раст­вором происходит увеличение теплоты испарения растворителя).

При выпаривании под повышенным давлением (выше атмосфер­

ного) вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента для различных технологических нужд.

В случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат (см. рис. 14-1), такую установку называют однокорпусной. Если же в установке имеются два или более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпус­ной. В этом случае вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что приводит к существенной экономии свежего греющего пара. Вто­ричный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называют экстра-паром. 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.

При больших производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого раствора в час и выше), что характерно для промышленности, выпаривание проводят по непрерывному принци­пу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, т. е. в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения. Поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопереда­чи (так, с повышением концентрации раствора увеличивается его вязкость и, следовательно, снижается коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору).

Периодическое выпаривание проводят при малых производи­тельностях и необходимости упаривания раствора до существенно высоких концентраций.

14.1.ОДНОКОРПУСНОЕ (ОДНОКРАТНОЕ) ВЫПАРИВАНИЕ

Процесс однократного выпаривания проводят в одном аппарате (см. рис. 14-1). Материальный баланс выпарного аппарата для непрерывного процесса записывают при допущении, что отсутству­ет унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими из кипящего раствора во вторичный пар. Для этих условий материаль­ный баланс по общему количеству продуктов представляют в сле­дующем виде:

(14.1)

по нелетучему продукту-

(14.2)

где , . расходы соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с; х _н и х_ж - концентрации соответственно растворенного продукта в исходном и упаренном растворе, кг продукта на 1 кг раствора; W - выход вторичного пара, кг/с.

Из уравнений (14.1) и (14.2) подлежат определению расходы

упаренного раствора и выход растворителя (вторичного пара):

(14.3) (14.4)

а также конечная концентрация упаренного раствора:

(14.5)

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравне­ния теплового баланса, записанного в следующем виде:

(14.6)

где D -расход греющего пара, кг/с; , - энтальпии соответственно греющего и вторичного паров, Дж'кг; , , энтальпии соответственно исходного и упаренного растворов и конденсата греющего пара, Дж/кг; - потери теплоты в окружающую среду, Дж/с.

Вводя упрощающие допущения, уравнение (14.6) приводят к ви­ду, более удобному для пользования. Запишем тепловой баланс смешения упаренного раствора и испаренной воды при температуре кипения , сделав допущение о постоянстве в интервале темпера­тур от до , в виде

(14.6а)

где с_н, , с_в теплоемкости соответственно исходного и упаренного растворов и растворителя, Дж/кг; теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от х_н до , Дж/с.

Теплота концентрирования численно равна теплоте растворения, но с обратным знаком.

Выразим энтальпии растворов и пара в уравнении (14.6) следую­щим образом: , где r-теплота парообразования при соответствующем давлении. Тогда с учетом (14.6а) уравнение

(14.6) можно представить в виде равенства

(14.7)

где - теплоемкость конденсата греющего пара; -температура конденсации.

Левая часть равенства (14.7) показывает количество теплоты, выделяющейся в выпарном аппарате при конденсации D, кг/с греющего пара. Правая часть показывает, на что эта теплота расходуется: первый член-расход теплоты на нагревание исходного раствора от начальной температуры до температуры кипения, второй-расход теплоты на испарение растворителя из раствора при температуре кипения, далее-расход теплоты на компенсацио теп­лоты концентрирования и потерь теплоты в окружающую среду.

При сравнительно небольшой степени концентрирования рас­твора и высоком качестве тепловой изоляции величинами Q _кон и Q _п можно пренебречь, учитывая значительное количество теплоты, выделяющейся при конденсации греющего пара. Если же предпо­ложить, что раствор поступает на выпаривание при температуре кипения в аппарате, т.е. t_н = t_К, то

(14.8)

или

(14.8а)

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водя­ной пар, а упаривают водный раствор, то приблизительно r«r _г. Это означает, что на испарение 1 кг растворителя затрачивается примерно 1 кг греющего пара, т.е. D/W 1. В действительности r > r_т, а если учесть потерю теплоты на компенсацию Q_кон и Q_п, реальное значение D/W 1,05 - 1,15.

Уравнение (14.7) в расчетной практике используют для определе­ния расхода греющего первичного пара D и расхода теплоты для проведения процесса Q. Последняя величина позволяет определить потребную поверхность теплопередачи в выпарном аппарате

. Коэффициент теплопередачи К находят по уравнению (11.72), определение полезной разности температур сводится к нахождению температуры кипения раствора t_к.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: