Физико-химические и термодинамические основы процессов выпаривания

Техника концентрирования растворов начала свое развитие с перио­дического метода выпаривания. При таком способе получения готового продукта определенный объем или массу слабо концентрированного раствора заливают в теплообменный аппарат, подогревают до темпе­ратуры кипения и выпаривают до конечной концентрации. Температу­ра кипения при этом возрастает по мере увеличения концентрации. Сгущенный раствор удаляют из аппарата; затем аппарат вновь запол­няют раствором, и процесс повторяется. Периодическое выпаривание применяют редко, в основном при необходимости получения малых, но разнообразных по свойствам порций продукта.

На современных крупных предприятиях выпарные процессы ведут преимущественно в многоступенчатых (многокорпусных) установках непрерывного действия с аппаратами поверхностного типа с использо­ванием образующегося над раствором так называемого «вторичного пара» каждой ступени в последующих ступенях с более низким давле­нием или с передачей части вторичного пара (экстрапара) другим тепловым потребителям.

Часто встречаются термины «многокорпусные» и как синоним — «многоступенчатые» выпарные установки. Эти понятия не однозначны. «Ступени» отличаются одна от другой по параметрам раствора в аппа­ратах (давлению, температуре, концентрации раствора) (рис. 4.6,а, б и др.) и могут состоять из одного, двух и более корпусов с одинаковы­ми параметрами, т. е. если одна или несколько ступеней, например первая, выполнены из двух параллельно включенных корпусов (аппа­ратов), то выпарная установка может иметь четыре корпуса, а долж­на называться трехступенчатой. Раствор в таких установках перетека­ ет из ступени в ступень, выпариваясь частично и последовательно в каждой ступени (корпусе) до определенной концентрации.

Для производства веществ с резко выраженными агрессивными свойствами промышленность в последнее время пополнилась выпарны­ми установками нового типа — контактными, работающими по принци­пу непосредственного соприкосновения выпариваемого раствора с про­дуктами сгорания топлива или горячими газами, или погружного го­рения. Корпуса таких аппаратов изготовляют из углеродистой стали, а для избежания коррозии их внутри футеруют кислотоупорными ма­териалами. Внутренние элементы аппарата — вытяжные трубы, сепа­раторы, сливные трубы — изготовляют из коррозионно-стойких мате­риалов.

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 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 расчете 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. Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключаются в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.

Выпаривание проводят при атмосферном давлении, под вакуумом или под давлением, большим атмосферного. Образующийся при выпаривании растворов пар называется 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–насос 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 атмосферного) вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента для различных технологических нужд.

В случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной. Если же в установке имеются два и 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).

Дата добавления: 2014-01-06