Однокорпусное (однократное) выпаривание

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.

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.

Рис. 3.2. Многокорпусная выпарная установка прямоточного типа

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.

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).

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

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.

Процесс однократного выпаривания проводят в одном аппарате
в непрерывном режиме (рис. 3.1). Схема массовых и тепловых потоков приведена на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема массовых и тепловых потоков ВА

Материальный баланс по общему количеству продуктов

. (89)

Здесь - расход исходного и упаренного растворов, ; - выход вторичного пара, .

Материальный баланс по нелетучему продукту

, (90)

где x_н,, x_к - концентрация растворенного продукта в исходном и упаренном растворе на 1 кг продукта.

В этих уравнениях искомые величины:

(91)

По двум исходным уравнениям три величины найти невозможно, поэтому одной из величин, например, задаемся.

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса

. (92)

Здесь - расход греющего пара, ; - удельная энтальпия, ; - потери теплоты в окружающую среду, . Индексы н – начальное, к – конечное,
вп – вторичный пар, п – потери, г - греющий пар, гк – конденсат греющего пара.

Вводя упрощающие допущения в уравнение (92), приведем его к виду более удобному для пользования. Запишем тепловой баланс смешения, рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренной влаги при постоянной температуре кипения, сделав допущение о постоянстве с_н в интервале температур Т_н и Т_к

, (93)

где с_в – удельная теплоемкость воды при температуре Т_к; – теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от х_н до х_к. Теплота концентрирования равна теплоте разбавления с обратным знаком

Тогда получим

. (94)

Здесь – количество теплоты, выделяющееся в выпарном аппарате при конденсации пара; - теплота на нагревание исходного сырья от до ; - теплота на испарение растворителя при . При небольшой степени концентрирования и хорошей изоляции выражение мало и им можно пренебречь. Если предположить, что T_н = T_к, т.е. раствор поступает в аппарат при температуре кипения, то

,

отсюда

, (95)

где r_п - теплота парообразования растворителя; r_к - теплота конденсации греющего пара.

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водяной пар, а упаривают водный раствор, то . Это означает, что на испарение 1 кг растворителя затрачивается 1 кг греющего пара. Реально, ,
т.е. пара необходимо больше в 1,05-1,15 раз.

Дата добавления: 2014-03-21; просмотров: 644; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!