Однокорпусные выпарные установки

Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывнодействующего выпарного аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой (рис. 1).

Аппарат состоит из теплообменного устройства – нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате, или камера может быть вынесена и соединена с сепаратором трубами. Камера обогревается обычно водяным насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры.

Поднимаясь по трубам 3, выпариваемый раствор нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе 2. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе 2 под нижнюю трубную решетку одиночной (однокорпусной) греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора в трубе 4 и парожидкостной эмульсии в трубах 3 жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор удаляется через штуцер в днище аппарата.

Если выпаривание производится под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом (на рис. 1 не показаны). Упаренный раствор удаляется из конического днища аппарата.

Материальный баланс. Согласно рис. 1 на выпаривание поступает G_н, кг/с, исходного раствора концентрацией х_н, %, и удаляется G_к, кг/с, упаренного раствора концентрацией х_к, %. Если в аппарате выпаривается W, кг/с, растворителя (воды), то общий материальный баланс аппарата выражается уравнением

. (2)

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, находящемуся в растворе,

. (3)

В уравнения (2) и (3) входят пять переменных, из которых какие-либо три величины должны быть заданы. Наиболее часто бывают заданы расход исходного раствора G_н, его концентрация х_н и требуемая конечная концентрация х_к упаренного раствора.

Тогда по уравнениям (2) и (3) определяют производительность аппарата:

по упаренному раствору

(4)

по выпариваемой воде

(5)

Тепловой баланс. Уравнение теплового баланса имеет вид

, (6)

где G_н – расход исходного раствора, кг/с; D – расход греющего пара; G_к – расход упаренного раствора, кг/с; I, I_г, i_н, i_к – энтальпии вторичного и греющего пара, исходного и упаренного растворов соответственно; = c'q – энтальпия парового конденсата, где с' – удельная теплоемкость конденсата, q – температура конденсата, °С; i_н = c_н t_н – энтальпия исходного раствора (с_н и t_н – его удельная теплоемкость и температура); i_к = c_к t_к – энтальпия упаренного раствора (с_к и t_к – его удельная теплоемкость и температура, равная температуре кипения раствора в аппарате); – теплота, затрачиваемая на концентрирование раствора, кДж/с; – потери теплоты в окружающую среду, кДж/с.

Подставляя значения i_н, i_к, i^’ и G_к с_к в уравнение (6), получим

. (7)

Из уравнения (7) определим массовую долю теплоты, подводимую в единицу времени греющим паром (тепловую нагрузку Q выпарного аппарата),

. (8)

Первый член правой части уравнения выражает расход теплоты в аппарате на нагревание исходного раствора до температуры кипения, второй член правой части – расход теплоты на испарение влаги из материала, третий – затраты теплоты на концентрирование раствора (если тепловой эффект концентрирования отрицателен), и четвертый – на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду.

Из уравнения (8) определяется расход греющего пара:

, (9)

где (величина r – теплота конденсации греющего пара).

Входящая в уравнение (8) теплота концентрирования Q_конц выражает тепловой эффект концентрирования раствора. Она равна разности интегральных теплот растворение исходного (разбавленного) и концентрированного растворов, взятой с обратным знаком.

Так как при концентрировании раствора теплота может поглощаться или выделяться, то Q_конц может входить не только в расходную, но и в приходную часть теплового баланса. Теплота концентрирования учитывается в тепловом балансе выпарного аппарата, если ее величина значительна и ею пренебречь нельзя.

Величину Q_n обычно принимают в виде доли от тепловой нагрузки Q аппарата; обычно задаются Q_n = (0,03…0,05) Q. Эту величину потерь тепла в окружающую среду обеспечивают, рассчитывая необходимую толщину тепловой изоляции аппарата.

Из уравнения (9) можно, пренебрегая величинами Q_конц и Q_n, определить теоретический расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды). Если принять, что исходный раствор поступает в аппарат предварительно нагретым до температуры кипения, т. е. t_н = t_к, то

. (10)

Это означает, что масса, кг, расходуемого греющего пара равна массе доли, кг, выпариваемой воды, т.е в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды надо затратить 1 кг греющего пара. Практически с учетом потерь теплоты удельный расход греющего пара повышается и составляет 1,1…1,2 кг /кг воды.