1.2.5 Выпарные установки
В промышленности часто возникают задачи выделения необходимых материалов из раствора (например, из водного раствора).
Одним из способов является
выпаривание водных растворов, то есть термическое удаление из раствора
растворителя (воды). Растворитель путем кипения в чистом виде переходит в
водяной пар. Концентрация нелетучего вещества «в» возрастает, а пар выбрасывается в атмосферу или направляется в
конденсатор. Процесс выпаривания характеризуется изменением
теплофизических свойств раствора: возрастает массовая концентрация «в», вязкость и плотность раствора, снижается теплоемкость и
теплопроводность.
В
отличии от испарителей, применяемых на ТЭС, в выпарных установках раствор кипит
при температуре 
, отличной от температуры кипения 
(обычно 
>
). Однако водяной пар под раствором имеет 
=
, так как избыток тепла расходуется на испарение капелек
влаги, уносимых из раствора.
Разность
температур 
=
–
называется физико-химической температурной депрессией.
Величина 
зависит от природы
раствора и концентрации «в», и выбирается
из таблиц, приведенных в соответствующей литературе. Величина температурной
депрессии 
возрастает с
увеличением концентрации вещества «в».
Наличие температурной депрессии ведет к увеличению поверхности нагрева выпарных
установок по сравнению с испарителями.
Классифицировать выпарные
можно по ряду признаков.
1. По принципу действия:
периодические, непрерывные;
2. По числу ступеней
(корпусов): однокорпусные, многокорпусные;
3. По давлению вторичного пара
в последней ступени: атмосферные, под давлением, вакуумные;
4. По
виду источника тепла (роду теплоносителей): с электронагревом, газовым или
паровым обогревом;
5. По
направлению потоков греющего пара и раствора: прямоточные, противоточные,
смешанные;
Наиболее
широкое применение находят вертикальные выпарные установки, в силу их
компактности.
Выпарные
установки с паровым обогревом, в которых пар подается в межтрубное
пространство, а раствор – внутри труб (длиной до 4 м), выполняются трех типов:
·
с естественной циркуляцией раствора (под действием разности
плотности в подъемных и опускных трубах);
·
с принудительной циркуляцией раствора (для вязких
жидкостей);
·
пленочные аппараты.
Конструкция
выпарного устройства с естественной циркуляцией представлена на рисунке 1.80.
Раствор,
из которого надо выпарить требуемое вещество, подается в трубную систему 2,
состоящую из труб, закрепленных в верхней и нижней трубных досках. Раствор
заполняет трубы на 2/3 их высоты. В межтрубное пространство 4, образованное
корпусом 1, трубными досками и трубной системой, подается греющий пар, который
отдает тепло трубам и нагревает раствор.
Раствор нагревается до температуры 
и вода переходит в
пар, образуя в трубной системе парожидкостную смесь. Циркуляция в трубной
системе возникает за счет разности плотностей раствора в циркуляционной
опускной трубе 3 и парожидкостной смеси внутри трубной системы. Вторичный пар
поступает в паровое пространство и очищается от капелек жидкости в
сепарационном устройстве 5.
пар, ВП – вторичный пар, К - конденсат
1 –
корпус, 2 – трубчатая поверхность, 3 – циркуляционная опускная труба,
4 –
паровое (межтрубное) пространство, 5 – сепарационное устройство
Рисунок 1.80 – Выпарная установка с естественной циркуляцией
Скорость
выпаривания определяется скоростью циркуляции 
и кратностью
циркуляции К:
(1.185)
где G,
- количество и
плотность циркулирующего раствора;
d -
диаметр трубок;
п -
число трубок;
W -
паропроизводительность выпарной установки.
При выпаривании
кристаллизирующихся растворов возможно осаждение кристаллов на трубах, поэтому
в процессе эксплуатации возникает необходимость очистки поверхностей нагрева.
Для
выпаривания некристаллизирующихся растворов можно использовать пленочные
выпарные установки (рисунок 1.81).
Кипятильные
трубки 3 заполнены раствором на 1/4÷1/5 их высоты. При нагреве и
достижении 
начинается кипение
раствора с образованием пузырьков пара, которые увлекают раствор вверх. В
паровом объеме происходит разделение смеси на вторичный пар и концентрированный
раствор.
Р – раствор, КР –
концентрированный раствор, ГП – греющий пар,
ВП – вторичный пар, К - конденсат
1 –
корпус, 2 – поверхность нагревателя, 3 – паровой объем,
4 –
сепаратор, 5 – камера раствора
Рисунок 1.81 – Выпарные установки пленочного типа
В
настоящее время используются выпарные установки с погружными горелками и
барботажными устройствами, позволяющими увеличить контактную поверхность
греющей среды.
Широкое
применение находят многокорпусные установки (рисунок 1.82), в которых вторичный
пар из предыдущего выпарного устройства используется в качестве греющей среды в
следующем выпарном устройстве.
Р – раствор, КР –
концентрированный раствор, ГП – греющий пар,
ВП – вторичный пар, К - конденсат
1÷3 – корпуса установки, 4
– насос подачи раствора
Рисунок 1.82 – Многокорпусная выпарная установка с прямоточной
схемой движения теплоносителей
В
многокорпусных выпарных установках расход первичного пара уменьшается
пропорционально числу корпусов п:
(1.186)
где W -
паропроизводительность по вторичному пару;
0.85 -
эмпирический коэффициент, учитывающий тепловые потери.
Оптимальное
число корпусов составляет п=
3÷4.
Расчет
выпарных установок проводится по следующей методике (на примере, выпарных
установок непрерывного действия).
Количество
выпара в каждом корпусе определяется из уравнения материального баланса:
, (1.187)
где G - количество раствора в начале или конце
процесса выпаривания.
Масса
сухого растворенного вещества в процессе выпаривания остается неизменной, если
пренебречь потерями с уносом вторичным паром:
, (1.188)
где в -
концентрация нелетучего вещества до и после процесса выпаривания.
Из
уравнения 1.188 можно определить количество выпара:
. (1.189)
Для
многокорпусной выпарной установки концентрация раствора в каждом корпусе равна:
, (1.190)
где 
- сумма выпара в
предшествующих корпусах.
Полезная
разность температур в выпарной установке снижается из-за наличия температурной
депрессии:
, (1.191)
где 
- разность температур
греющего и вторичного пара последнего корпуса.
Полезная
разность температур разбивается между корпусами (от 6 до 32 °С).
Коэффициент
теплопередачи в выпарной установке определяется по обычной формуле. Основная
трудность заключается в определении 
(находится по
эмпирическим формулам).
Например,
в выпарной установке с искусственной циркуляцией при 
Вт/м²:
, (1.192)
где 
критерий Прандтля
для выпарных установок (в испарительных установках этот критерий определяется с
отношением коэффициента кинематической вязкости к коэффициенту
температуропроводности 
).