Общие сведения, способы выпаривания

Глава 12. Выпаривание

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях путем удаления паров растворителя за счет кипения. Процесс выпаривания применяется для концентрирования растворов высококипящих веществ (растворы щелочей, солей, некоторых минеральных и органических кислот, многоатомных спиртов и др.). Например, при получении каустической соды раствор NаОН упаривается до концентрации 50-60 %, а в сахарном производстве сахарный раствор – до 65%. Процесс выпаривания может сопровождаться кристаллизацией растворенных веществ. Иногда целью выпаривания является получение растворителя в чистом виде (при опреснении морской воды). Раствор, поступающий на выпаривание, называется исходным раствором, а удаляемый концентрированный раствор – упаренным.

Тепло, необходимое для кипения раствора, может подводиться различными способами. Однако наибольшее распространение получил в качестве греющего агента водяной пар, который называют греющим? или первичным. Пар растворителя, который образуется при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным. Вторичный пар может использоваться в качестве греющего пара при многократном выпаривании либо для нужд, не связанных с выпариванием, в последнем случае он называется экстра-паром.

Выпарные установки кроме выпарных аппаратов вкючают и вспомогательное оборудовани (конденсаторы, теплообменники, насосы и др.). Выпарной аппарат состоит из следующих основных частей: греющей камеры, в которой нагревают раствор до требуемой температуры; испарительной (кипятильной) камеры, где происходит испарение (кипение) растворителя; сепаратора, обеспечивающего отделение капелек жидкого раствора от образующихся паров; устройств, обеспечивающих циркуляцию и транспортировку раствора. Части аппарата могут совмещаться и выполнять несколько функций. Так нагревание и испарение часто проводят в одной части аппарата, называемой обычно греющей камерой. Исходный раствор поступает в аппарат, как правило, нагретым до температуры кипения. В противном случае в греющей камере раствор нагревается до температуры кипения и подается в испарительную камеру, где кипит. Образующийся пар растворителя проходит через сепаратор, в котором отделяется от захваченных капель жидкости, и удаляется из аппарата (вторичный пар). Для подачи тепла в греющую камеру обычно используется греющий водяной пар. Разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором называется полезной разностью температур. Температура кипения раствора при выпаривании отличается от температуры вторичного парана величину, называемую температурными потерями.

Способы выпаривания подразделяются в зависимости от различных признаков.

1. В зависимости от давления различают выпаривание подизбыточным давлением, под атмосферным давлением и под вакуумом.

При проведении процесса под избыточным давлением можно использовать образующийся вторичный пар. При этом вторичный пар обладает высокой температурой и годен для использования в другом аппарате в качестве греющего, либо экстра-пара. Однако при выпаривании под высоким давлением повышается температура кипения упариваемого раствора, что применимо только для термически стойких веществ. Кроме того, повышаются затраты, связанные с внутренним высоким давлением в аппарате. Всех указанных недостатков, но также и достоинств лишен аппарат для проведения процесса под атмосферным давлением. Вторичный пар при этом обычно не используется и направляется в атмосферу. Конструктивно такие аппараты наиболее просты, но наименее экономичны.

Создание вакуума в аппарате приводит к понижению температуры проведения процесса. Это дает возможность концентрирования растворов веществ, склонных к термическому разложению, использования в качестве греющих агентов теплоносителей с низкими температурами. Кроме того, увеличивается полезная разность температур, что приводит к уменьшению требуемой поверхности теплообмена. Но при таком способе проведения процесса несколько увеличивается удельная теплота испарения растворителя, следовательно, возрастает расход необходимого тепла. Проведение процесса под вакуумом требует дополнительного оборудования для его создания и поддержания в аппарате.

2. В зависимости от использования вторичного пара различают: простое выпаривание, многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом. При простом выпаривании в однокорпусных установках вторичный пар не используется для выпаривания и удаляется из аппарата. При многократном выпаривании в многокорпусных установках, которые наиболее распространены, вторичный пар из предыдущего аппарата используется в качестве греющего в последующем. При этом давление в последовательно соединенных аппаратах поддерживается таким, чтобы вторичный пар из предыдущего аппарата служил греющим в последующем, т.е. температура вторичного пара из предыдущего корпуса должна быть выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Таким образом, первичным паром обогревается только первый аппарат, а последующие – вторичным паром из предыдущего. С этой целью давление по ходу движения пара снижается от корпуса к корпусу, что уменьшает температуру кипения раствора. Такой подход приводит к значительным снижениям энергетических затрат. Снижение энергетических затрат может быть достигнуто в однокорпусных выпарных установках с применением теплового насоса. В таких установках вторичный пар с помощью теплового насоса (турбокомпрессора или пароструйного инжектора) сжимается до давления, которое соответствует температуре первичного пара и возвращается в аппарат в качестве греющего, смешиваясь с первичным паром.