АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Методы выпаривания

Общие сведения. Процесс выпаривания применяется в технике для концентрирования растворов твердых нелетучих веществ в жидких лету­чих растворителях. Этот процесс заключается в том, что путем нагревания, а иногда и понижения давления некоторую часть растворителя пере­водят в парообразное состояние и в виде пара удаляют из жидкой смеси.

Процесс выпаривания широко применяется как для частичного раз­деления (концентрирования) растворов, так и для полного выделения твердых веществ из раствора; в последнем случае выпаривание сопро­вождается кристаллизацией.

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное происхо­дит при любой температуре жидкости, при этом различают испаре­ние и кипение.

Под кипением понимают переход жидкости в парообразное состояние при такой температуре, когда упругость паров жидкости равна давлению окружающего пространства, а под испарение м—при температуре, когда упругость паров жидкости ниже давления окружаю­щего пространства.

Механизм процесса парообразования с точки зрения молекулярно - кинетической теории заключается в следующем. Молекулы жидкости, находящиеся вблизи от поверхности нагрева и обладающие в данный момент большой скоростью, вылетают в пространство над жидкостью, освобождаясь от притяжения остальных молекул, и становятся свобод­ными. Каждая испаряющаяся молекула преодолевает силы сцепления жидкости и сопротивление внешнего давления при затрате некоторого количества тепловой энергии, подводимой извне.

Количество тепла, затрачиваемое при данной температуре на испа­рение весовой единицы жидкости, называют скрытой теплотой испарения. С повышением температуры скрытая теплота испаре­ния уменьшается и при критической температуре становится равной нулю.

Весьма распространен процесс испарения с поверхности неподвиж­ной жидкости в покоящийся воздух.

Такое испарение происходит при хранении жидкостей в открытых резервуарах, в поверхностных увлажнителях, водоемах и т. п.; метод определения количества испаряющейся жидкости в единицу времени с единицы поверхности неподвижной жидкости был рассмотрен выше (2—180).

Испарение жидкости при температуре ниже точки кипения на прак­тике применяется редко. К этому методу прибегают только в тех случаях, когда при кипячении жидкости могут возникнуть нежелательные побоч­ные процессы, вредно влияющие на свойства выпариваемого раствора.

Жидкости обычно выпаривают путем нагревания их до температуры кипения и удаления образующихся паров в атмосферу (или конденсации паров в холодильниках-конденсаторах).

Нагревание жидкости при выпаривании можно производить с по­мощью любого теплоносителя, но в большинстве случаев применяют водяной пар. Обычно выпаривают различные водные растворы, удаляя из них воду в парообразном состоянии. Образующийся при выпаривании раствора пар называют вторичным паром.

При выпаривании неводных растворов вторичным паром может быть любой растворитель, в котором было растворено выделяемое твер­дое вещество.

Выпаривание производят при атмосферном давлении, под'вакуумом и под давлением выше атмосферного. Для выпаривания при атмосфер­ном давлении применяют главным образом открытые аппараты, а для выпаривания при давлении, отличном от атмосферного,—закрытые.

Тепло, затрачиваемое на выпаривание, может быть использовано однократно или многократно. В первом случае раствор выпаривают в одном аппарате и выпарную установку в этом случае называют одно - корпусной, а процесс выпаривания в нем—о днокорпусным выпариванием; вторичный пар при этом не используется. Во вто­ром случае тепло образующегося вторичного пара используется для нагре­вания в других выпарных аппаратах той же установки. В этом случае уста­новки, в которых производят выпаривание, называют многокор­пусными, а процесс выпаривания в них—м ногокорпусным выпариванием.

Тепло вторичного пара может быть использовано многократно и в однокорпусных установках путем применения теплового насоса. Кроме того, тепло вторичного пара часто используют в различных нагреватель­ных устройствах вне данной выпарной установки. Вторичный пар, отби­раемый от выпарной установки для нагревания вне данной установки, называют экстр а-п аром. ґ—-—-Однократное выпаривание. Наиболее простым способом удаления ' из растворов сравнительно небольших количеств растворителя является выпаривание в открытых аппаратах, которые обычно представляют со­бой открытые чаши. Выпаривание ведут при атмосферном давлении, и I образующийся из жидкости вторичный пар удаляется в атмосферу. Обо - 1 грев аппарата производят в большинстве случаев дымовыми газами или Ч_водяным паром через рубашки или змеевики.

Наиболее распространены закрытые выпарные аппараты, приме - . нение которых, помимо улучшения санитарно-гигиенических условий работы, дает возможность использовать тепло вторичного пара. Кон­струкции таких аппаратов описаны ниже.

Количество воды, выпариваемой из раствора в однокорпусном вы­парном аппарате, определяется из уравнения материального баланса.

Обозначим:

S—количество раствора, поступающего на выпаривание, в кгс; Вн и Вк—начальная и конечная концентрация раствора в процентах твердого растворенного вещества;

W—количество выпариваемой воды в кгс.

Тогда по материальному балансу

SBH _ (S — W)BK 100 — 100

0ТКУЛа w = s(l-p-) (2-206)

При выпаривании в однокорпусной выпарной установке расходуется тепло:

А) для нагревания раствора до температуры его кипения;

Б) на испарение;

В) в окружающую среду.

Для составления теплового баланса простого выпаривания при­мем следующие обозначения:

С—теплоемкость раствора в ккал! кгс-°С', t0 и tx—начальная и конечная температура раствора в °С; D—расход греющего пара в кгс; Т—температура греющего пара в С°; >.—теплосодержание греющего пара в ккал/кгс; 6—температура конденсата в °С;

І—теплосодержание вторичного пара в ккал! кгс;

Qn—потери тепла в окружающую среду в ккал.

Если пренебречь теплотой изменения концентрации (дегидратацией) раствора, то уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:

Q = D\ + Sct0 = Wi + (Sc — W) tx+DЈ> + Qn

Приход тепла расход тепла

Откуда расход греющего пара

D Кгс (2__207)

Для установления экономичности выпаривания при атмосферном давлении опре­делим на конкретном примере удельный расход греющего пара, т. е. расход пара, отне­сенный к 1 кгс выпариваемой воды, причем для упрощения примем теплосодержание вторичного пара І Равныод теплосодержанию насыщенного пара при температуре Tx И температуру поступающего на выпаривание раствора равной его температуре кипения, т. е. T0—Tx, а потери тепла в окружающую среду равными нулю, т. е. Qn—0.

При этих условиях расход греющего пара определяется из уравнения

Пусть требуется выпарить 1 кгс воды из раствора, кипящего при 100° и нагревае­мого паром с температурой 132,9° (пар давлением 3 ата).

По условию

Tx = 100°С; І = 639,4 ккал/кгс ~K = 651,6 ккал/кгс; 6 = 132,9° удельный расход пара равен

D і — tx 639,4— 100 w — х — 6 651,6 — 132,9 ~ 1 >04 кгс/кгс

Таким образом, теоретически на испарение 1 кгс воды расходуется приблизительно 1 кгс греющего пара. Практически (с учетом тепловых потерь) на испарение 1 кгс воды в случае выпаривания при атмосферном давлении расходуется приблизительно 1,1 кгс греющего пара.

Количество тепла, проходящего через поверхность нагрева выпар­ного аппарата, определяют по уравнению

Q = (L — 6)D (2—208)

Зная это количество тепла, можно рассчитать поверхность нагрева выпарного аппарата как обычного теплообменника.

Иногда выпаривание ведут под давлением; образующийся при этом вторичный пар может быть использован в различных нагревательных
устройствах, причем давление в выпарном аппарате должно соответ­ствовать давлению теплоносителя в устройствах, использующих тепло вторичного пара.

Во многих случаях для понижения температуры кипения раствора выпаривание ведут под вакуумом. При выпаривании под вакуумом не­целесообразно отсасывать из аппарата вакуум-насосом весь вторичный пар, так как на это расходуется много энергии. Процесс обычно ведут по схеме рис. 285. Вторичный пар поступает в конденсатор смешения или в поверхностный конденсатор (как показано на рисунке). В конденса­торе поддерживается давление, соответствующее температуре конден­сации. Так как конденсирующий­ся пар всегда содержит некоторое количество воздуха и других не­конденсирующихся газов, их уда­ляют из конденсатора с помощью вакуум-насоса.

По сравнению с выпарива­нием при атмосферном давлении выпаривание растворов под ва­куумом имеет ряд преимуществ, несмотря на то, что расход грею­щего пара на 1 кгс выпариваемой жидкости при вакууме несколько больше, чем при атмосферном давлении.

Увеличение удельного рас­хода пара при разрежении объяс­няется тем, что с понижением температуры парообразования скрытая теплота парообразования увеличивается.

Для определения теоретического расхода пара при выпаривании под вакуумом рассмотрим конкретный пример.

Допустим, что обогрев ведут водяным паром с температурой 132,9° и теплосодер­жанием А=651,6 ккал/кгс и что раствор при разрежении, достигнутом в вакуум-аппарате, кипит при температуре 60°.

По исходным величинам

Tx = 60°С; І = 622,5 ккал/кгс-, 0 = 132,9° находим удельный расход пара

D І — 622,5 — 60

И/

Т. е. он больше, чем при атмосферном давлении (см. стр. 406).

Выпаривание в вакууме имеет следующие преимущества.

В разреженном пространстве все жидкости кипят при более низких температурах, чем при атмосферном давлении. Это дает возможность уменьшить величину поверхности теплообмена в вакуум-выпарном аппа­рате, так как при пониженной температуре кипения достигается значи­тельно большая разность температур между греющим паром и кипящим раствором. При выпаривании в вакууме можно использовать пар низ­кого давления, что очень важно, когда имеется отработанный (мятый) пар.

Выпаривание в вакууме позволяет концентрировать растворы, кипящие при высоких температурах; кипячение таких растворов при атмосферном давлении может иногда вызвать нежелательные побочные
процессы (окисление, осмоление, осахаривание и т. п.), и нагревание должно проводиться высокотемпературными теплоносителями.

Вследствие пониженной температуры кипения растворов потери тепла в окружающую среду, а следовательно, и расход греющего пара, идущего на компенсацию этих потерь, будут в вакуум-выпарных аппара­тах значительно меньше, чем в выпарных аппаратах, работающих под атмосферным давлением.

Многократное выпаривание. В некоторых химических производствах выпаривают большие количества воды, что сопряжено с большим рас­ходом греющего пара.

Выше указывалось, что для выпаривания при атмосферном давле­нии или в вакууме на 1 кгс удаляемой из раствора воды расходуется не менее 1 кгс греющего пара, и в этом отношении выпаривание в вакууме по сравнению с выпариванием при атмосферном давлении никаких преимуществ не имеет.

Однако применение выпаривания в вакууме позволило осуществить так называемое многократное выпаривание, при котором значи­тельно снижается расход греющего пара на 1 кгс удаляемой воды.

Принцип многократного выпаривания заключается в следующем. Пар, выделяющийся при кипении жидкости в одном выпарном аппарате, обогреваемом свежим паром, используют для нагрева и выпаривания раствора в другом аппарате, в котором вследствие пониженного давле­ния раствор кипит при более низкои температуре, чем в первом. При совместной работе двух аппаратов свежий пар, вводимый в нагреватель­ную камеру только первого выпарного аппарата, дает возможность выпарить приблизительно двойное количество воды, т. е. расход пара на единицу выпариваемой воды понижается в два раза по сравнению с вы­париванием в одном аппарате. Вместо двух аппаратов можно взять три, четыре и более, тогда расход греющего пара теоретически должен сократиться в три, четыре и более раза, т. е. расход пара будет умень­шаться пропорционально увеличению числа совместно работающих аппа­ратов.

В установках из нескольких выпарных аппаратов с многократным использованием греющего пара (многокорпусных) каждый аппа­рат установки—к о р п у с имеет свой порядковый номер. Первым кор­пусом называют аппарат, в котором жидкость кипит при более высокой температуре, т. е. тот, в который вводят свежий греюший пар.

Современные многокорпусные выпарные установки, служащие для выпаривания больших количеств жидкости (рис. 286), состоят из не­скольких корпусов (в данном случае їрех); каждый из корпусов пред­ставляет собой закрытый цилиндрический--аппарат, в котором имеется нагревательная камера 12, паровое пространство 13 и брызгоулови - тель 14. х

Раствор, предназначенный для выпаривания, поступает в аппарат через штуцер 15. В нагревательную камеру через штуцер 16 вводится греющий пар.

Здесь пар, конденсируясь, отдает через стенки труб свою скрытую теплоту раствору, циркулирующему в трубах; при этом раствор заки­пает и образует вторичный пар более низкого давления, чем греющий (первичный) пар. Конденсат, получающийся при конденсации первич­ного пара, вместе с частично несконденсировавшимся в нагревательной камере паром уходит в конденсационный горшок 17, из которого уда­ляется в сборник конденсата или в канализацию. Частично упаренный в первом корпусе раствор направляется на дальнейшее концентрирова­ние во второй корпус через штуцер 18.

Устройство всех последующих корпусов аналогично устройству первого.

Из парового пространства первого корпуса вторичный пар через брызгоуловитель поступает в нагревательную камеру второго корпуса, где он является уже греющим, первичным паром, за счет скрытой теп­лоты которого во втором корпусе образуется некоторое количество вто­ричного пара еще более низкого давления. Конденсат поступает из нагре­вательной камеры в конденсационный горшок второго корпуса, а вто­ричный пар из парового пространства этого корпуса—на обогрев в нагре­вательную камеру третьего корпуса и т. д. Число корпусов достигает иногда десяти и более; наиболее распространены трех - и четырехкорпус - ные установки.

Вторичный пар последнего корпуса, так же как и в однокорпусном вакуум-выпарном аппарате, поступает в конденсатор, в котором конден­сируется холодной водой.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является некоторая разность между температурой грею­щего пара и температурой кипения раствора или, что то же самое, разность давлений первичного и вторичного пара по корпусам. Давление вторичного пара в каждом корпусе должно быть боль­ше давления вторичного пара в последующем корпусе. Поэтому давление по корпусам выпарной установки уменьшается от первого к последнему; обычно первый корпус работает под некоторым избыточным давлением, а последний—под вакуумом.

Греющие камеры корпусов работают как холодильники-конденса­торы. Для предупреждения скапливания неконденсирующихся газов в камерах предусматривается отвод газов, для чего верх камер при­соединяется к конденсатору последнего корпуса.

Во многих случаях первый корпус обогревается отработанным (мятым) паром паровых двигателей. Когда отработанного пара не хва­тает, в нагревательную камеру первого корпуса подводят, кроме мятого пара, также и свежий при снижении его давления до величины давления мятого пара.

Комбинированный обогрев выпарной установки свежим и отрабо­танным паром ведут следующим образом.

Перед первым корпусом устанавливают добавочный, так называе­мый н о л ь-к о р п у с, обогреваемый исключительно свежим паром. Раствор, поступающий на выпаривание, направляется предварительно в ноль-корпус, где давление вторичного пара поддерживается равным давлению отработанного пара, который может быть смешан со вторич­ным паром ноль-корпуса и по об­щему трубопроводу направлен на обогрев первого корпуса.

При таком способе обогрева свежим и мятым паром поль­ці корпус заменяет собой редукци-

1

Онныи вентиль; кроме того, в ноль - корпусе при понижении давления свежего пара раствор нагревает­ся и отчасти упаривается, вслед­ствие чего повышается эффек­тивность действия выпарной уста­новки.

Для отбора экстра-пара тру­бопроводы, отводящие вторичный пар, имеют ответвления, по которым часть вторичного пара из данного корпуса отводится и используется в других теплообменных устройствах (рис. 287).

Наиболее целесообразно было бы использовать в качестве экстра­пара вторичный пар последнего корпуса. Этот пар является как бы отработанным паром по отношению к выпарной установке в целом. Однако в большинстве случаев вторичный пар последнего кор­пуса имеет незначительное давле­ние и использование его в каче­стве экстра-пара не всегда воз­можно.

В зависимости от способа подачи начального раствора в вы­парную установку работа ее мо­жет происходить:

1. По принципу прямого или параллельного тока раствора и пара (см. рис. 286); начальный раствор поступает в первый кор­пус и затем естественным током перетекает последовательно через все корпуса. Поэтому концентра­ция раствора повышается в на­правлении от первого корпуса к последнему, т. е. соответственно на­правлению протекания пара.

2. По принципу противотока (рис. 288) начальный раствор по­дается в последний корпус и при помощи насосов последовательно пере­дается через все корпуса по направлению к первому. В этом случае концентрация раствора увеличивается в направлении, обратном напра­влению движения пара, и, следовательно, наивысшая концентрация рас­твора будет в первом корпусе.

3. По принципу параллельного питания каждого корпуса началь­ным раствором (рис. 289), когда концентрация раствора во всех корпу­сах одна и та же.

В промышленности применяют главным образом выпарные уста­новки, работающие по принципу прямого тока. Параллельное питание каждого корпуса установки начальным раствором используют для выпа­ривания кристаллизующихся растворов, которые трудно перепускать через все корпуса.

При противотоке возрастание концентрации раствора совпадает с повышением его температуры кипения и температуры греющего пара, что обусловливает понижение вязкости раствора и повышение коэффи­циентов теплопередачи во всех корпусах установки.

Однако противоток при выпаривании применяют сравнительно редко, так как для его осуществления необходимо устанавливать между корпусами насосы по передаче

Раствора из последующего кор - Раствор х—"

Пуса с меньшим давлением в предыдущий корпус с большим давлением.

Противоток греющего па­ра и раствора в выпарных ус­тановках применяют главным образом для выпаривания рас­творов, вязкость которых резко повышается с возрастанием концентрации.

Противоточное выпарива­ние неприменимо для раство­ров, нестойких в условиях по­вышенной температуры.

Выпаривание в аппаратах с тепловым насосом. В много­корпусных выпарных установ­ках первоначальные затраты на оборудование, связанные с ус­тановкой каждого дополнительного корпуса, окупаются экономией грею­щего пара только при некотором увеличении числа корпусов. Практи­чески в большинстве случаев максимальная экономия достигается уже в четырехкорпусной установке.

Кроме того, многокорпусные выпарные установки часто не могут быть применены потому, что в первых корпусах под действием высокой температуры может разлагаться раствор.

Эффективным способом выпаривания, дающим экономию греющего пара, является выпаривание с применением теплового насос а— устройства, повышающего температурный уровень теплоты, выделяю­щейся в каком-либо процессе. Выпаривание с тепловым насосом позво­ляет вести процесс при низкой температуре кипения, что предотвращает вредное влияние его на свойства выпариваемого раствора; первоначаль­ные затраты на оборудование такой выпарной установки невелики.

Принцип выпаривания с тепловым насосом состоит в том, что путем адиабатического сжатия вторичного пара в компрессоре повышают тем­пературу насыщения пара и используют его для обогрева аппарата, в котором этот вторичный пар образовался.

Между температурой греющего пара и температурой кипения рас­твора в многокорпусных установках поддерживается разность всего в несколько градусов. Сжимая адиабатически вторичный пар в компрес­соре, можно легко повысить его температуру на несколько градусов и довести температуру насыщения пара до величины, необходимой для
получения разности температур и передачи кипящему раствору тепла в нагревательной камере.

Как уже указывалось, в выпарном аппарате испаряется количество воды, приблизительно равное количеству расходуемого первичного пара; следовательно, применяя сжатие вторичного пара, можно теоретически обойтись одним этим паром, без добавления свежего.

На рис. 290 изображена схема выпарной установки с тепловым на­сосом. По устройству выпарной аппарат не отличается от обычных выпар­ных аппаратов многокорпусных установок. Вторичный пар, образующийся в паровом пространстве выпарного аппарата 1, засасывается по трубопро­воду 2 турбокомпрессором 3\ в турбокомпрессоре пар сжимается и его темпе­ратура повышается до величины, необходимой для обогрева ап­парата. После турбокомпрес­сора пар по трубопроводу 4 направляется в нагревательную камеру 5, где он конденси­руется, отдавая тепло кипящему раствору. Конденсат из нагре­вательной камеры отводится через конденсационный горшок 6, а скапливающийся воздух откачивается из камеры воз­душным насосом по трубопро­воду 7.

Перед пуском аппарата рас­твор должен быть подогрет свежим паром, который вводят в камеру до начала кипения жидкости в аппарате. Затем прекращают подачу греющего пара и ведут выпаривание за счет теплоты сжимаемого в компрессоре вторичного пара.

Сжатие вторичных паров стремятся провести адиабатически, 'в про­тивоположность сжатию газов в компрессорах, которое желательно приблизить к изотермическому процессу. При адиабатическом сжатии вся затрачиваемая в компрессоре работа переходит в теплоту, и одно­временно с повышением температуры паров повышается их тепло­содержание. Для проведения выпаривания только за счет механической энергии без добавочных затрат свежего пара необходимо, чтобы тепло, сообщенное пару во время сжатия, полностью компенсировало потери тепла аппаратом в окружающую среду.

Экономия греющего пара на выпарной установке с тепловым насо­сом практически несколько выше, чем в четырехкорпусных установках, и зависит прежде всего от необходимости повышения давления и температуры паров в компрессоре. Чем меньше это повышение, тем большая достигается экономия греющего пара. Величина поверхности нагрева, а следователь­но, и первоначальные затраты, наоборот, тем ниже, чем больше будет по­вышаться давление и температура пара в компрессоре.

Область применения установок выпаривания с тепловым насосом ограниченна.

Для многих растворов, которые необходимо концентрировать путем выпаривания, наблюдается значительное повышение температуры кипения по сравнению с чистой водой. Если, например, раствор под атмосферным давлением кипит при 110°, то повышение его температуры кипения, или
температурная депрессия, составляет 110—100=10°. Температура вто­ричного пара, образующегося при выпаривании такого раствора при ат­мосферном давлении, будет 100°, т. е. на 10° ниже температуры кипения раствора.

Для создания разности температур в нагревательной камере всего лишь в 10° температуру вторичного пара пришлось бы путем сжатия в компрессоре повышать уже не на 10, а на 20°, что потребовало бы большого расхода энергии.

Поэтому выпаривание с тепловым насосом не имеет преимуществ при работе с растворами, повышение температуры кипения которых значитель­но, т. е. когда температурная депрессия (см. стр. 421) велика. Практически применение этого способа стано­вится нецелесообразным для выпаривания жидкостей, температурная депрессия которых выше 10°, между тем в химической промышленности в большинстве случаев приходится выпаривать концентрированные растворы, обладающие температурными депрессиями, значительно превосходящими 10°. Поэтому наиболь­шее распространение этот способ выпаривания полу­чил в пищевой промышленности для концентрирова­ния молока и фруктовых соков.

Тепловой насос широко применяют в тех случаях, когда недопустимо выпаривание при повышенных тем­пературах кипения и, следовательно, невозможно проведение процесса в многокорпусной выпарной установке.

Тепловой насос неприменим в тех случаях, ко­гда вторичный пар нельзя использовать для нагрева­ния (и в качестве источника движущей силы) вслед­ствие низкой его температуры или присутствия в нем летучих кислот.

Как уже указывалось, экономичность способа вы­паривания с тепловым насосом в значительной мере зависит от расхода энергии, необходимой для сжатия вторичного пара в компрессоре. Выбор наиболее рацио­нального типа компрессора (поршневой, турбоком­прессор или пароструйный) должен проводиться в каждом отдельном случае.

Сжатый в турбокомпрессоре или в пароструйном компрессоре пар находится в перегретом состоянии. Пар, поступающий на обогрев выпарного аппарата из котельной, так­же* может быть перегретым. Как известно, нагревание перегретым паром, ввиду малых коэффициентов теплопередачи, нецелесообразно, и чтобы избежать значительного увеличения поверхности нагрева аппарата, необходимо 'перевести перегретый пар в сухое насыщенное состояние.

Перегретый пар превращают в насыщенный, вводя его в непосредствен­ное соприкосновение с холодной водой в аппаратах, называемых п а - ровыми умформерами. В паровом умформере с непосред­ственным впрыскиванием распыленной воды (рис. 291) перегретый пар подводится сверху через штуцер /, проходит винтовую насадку 2 и по­лучает завихренное движение.

Навстречу движущемуся пару из форсунок 3 впрыскивается холод­ная вода, которая перемешивается с перегретым паром и, испаряясь за счет теплоты перегрева, переводит пар в насыщенное состояние.

Полученный насыщенный пар отводится через штуцер 4 в нижней части аппарата, а неиспарившаяся вода стекает через патрубок 5, соеди­ненный с конденсационным горшком.