Однокорпусные выпарные установки

ВЫПАРИВАНИЕ

Общие сведения

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие три температуре выпаривания весьма малым давлением пара, — некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целей.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Получение высококонцентрированных растворов, практически сухих икристаллических продуктов облегчает и удешевляет их перевозку и хранение.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или первичным.

Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.

Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствах концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или д ругими газообразными теплоносителями.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного па

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения раствора несколько возрастает с понижением давления и соответственно увеличивается расход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).

При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентом и раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпаривании под вакуумом можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широко применяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей, а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров.

Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара (см. ниже). Вместе с тем при применении вакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительные затраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.

При выпаривании под давлением выше атмосферного также можно использовать вторичный пар как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания.

Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют э к с т р а-паром. Отбор экстра-пара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточным давлением сопряжено с повышением температуры кипения, раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар не используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым, но наименее экономичным.

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда и выпаривание под вакуумом проводят в одиночных выпарных аппаратах (о д н о к о р-п у с н ы х выпарных установках). Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. При этом давление в последовательно соединенных (по ходу выпариваемого раствора) корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить разность температур между вторичным паром из предыдущего корпуса и раствором, кипящим в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу процесса выпаривания. В этих установках первичным паром обогревается только первый корпус. Следовательно, в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.

Экономия первичного пара (и соответственно топлива) может быть достигнута также в однокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установках вторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового насоса (например, термо компрессора) до давления, соответствующего температуре первичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат для выпаривания раствора.

В химической промышленности применяются в основном непрерывно действующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а также при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций иногда используют выпарные аппараты периодического действия. Концентрация раствора в таком аппарате приближается к заданной лишь в конечный период процесса. Поэтому средний коэффициент теплопередачи здесь может быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, где концентрация раствора ближе к заданной в течение всего процесса выпаривания.

Современные выпарные установки имеют очень большие поверхности нагрева (иногда превышающие 2000 м^2, в каждом корпусе) и являются крупными потребителями тепла.

 

Однокорпусные выпарные установки

 

Как указывалось, однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат (корпус). Рассмотрим принципиальную схему одиночного непрерывно действующего выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора на примере аппарата с внутренней центральной циркуляционной трубой (рис.XI-1

 

 

 

Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной (греющей) камеры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате (см. рис. I Х-1) или камера может быть вынесена и соединена с сепаратором трубами (см. рис. IX-12). 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 4 под нижнюю трубную решетку 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.

Как показано ниже, имеются также конструкции выпарных аппаратов без циркуляционной трубы.

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

Материальный баланс. Согласно рис. IX-1, на выпаривание поступает G _н кг/сек исходного раствора концентрацией b _нвес. % и удаляется G_K кг/сек упаренного раствора концентрацией b_к вес. %. Если в аппарате выпаривается W кг/сек растворителя (воды), то общий материальный баланс аппарата выражается уравнением

 

G _н = G_K + W (IX,1)

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, находящемуся в растворе:

(IX,2)

В уравнения (IX, I) и (IX, 2) входят пять переменных, из которых какие-либо три величины должны быть заданы. Наиболее часто бывают заданы: расход исходного раствора G_H, его концентрация b _ни требуемая конечная концентрация b_к упаренного раствора. Тогда по уравнениям (IX, 1) и (IX, 2) определяют производительность аппарата:

по упаренному раствору

(IX.3)

по выпариваемой воде

W = G_H-G_K = G_H (l – ) (IX,4))

 

Тепловой баланс. Введем обозначения: D — расход греющего пара, I, I _г, i_н, i_к — энтальпии вторичного и греющего пара, исходного и упаренного растворов соответственно; I _п,к = с'Θ — энтальпия парового конденсата, где с' — удельная теплоемкость, Θ — температура конденсата, °С.

Для составления теплового баланса определим приход и расход тепла согласно схеме на рис. IX-1:

 

 

Приход тепла	Расход тепла
С исходным раствором	G н i н	С упаренным раствором	G к i к
С греющим паром	D I г	С вторичным паром	W I
		С паровым конденсатом	Dс ' Θ
		Теплота концентрирования	Q конц
		Потери тепла в окружающую среду	Q п

 

Соответственно уравнение теплового баланса имеет вид:

G _н i _н+ D I _г= G _к i _к + W1+ D_c' Θ + Q _конц + Q _п(IX, 5)

Здесь энтальпия исходного раствора i _н= c_нt_н (c _н и t_н — его удельная теплоемкость и температура); энтальпия упаренного раствора i_к = = c_кt_к (c _к и t_к — его удельная теплоемкость и температура, равная температуре кипения раствора в аппарате).

Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренной влаги, можно записать следующее частное уравнение теплового баланса смешения при постоянной температуре кипения t_к раствора в аппарате:

G _н c_нt_н = G_кc_кt_к + Wc't_к

где c' — удельная теплоемкость воды при температуре t _к, кдж/(гсг-град).

Отсюда

G_кc_к = G _н c_н – Wc' (IX.6)

Поставляя значения i _н, i_к и G _к c _кв уравнение (IX, 5), получим

G _н c _н t _н + DI _г= G _н c _н t _к – Wc't _к + WI + Dc' Θ + Q _конц + Q _п

Из последнего уравнения определим количество тепла, подводимого в единицу времени с теплоносителем (греющим паром), или тепловую нагрузку Q выпарного аппарата:

Q = D (I _г - с'Θ) = G _н c _н (t _к – t_н)+W(I – c't _к ) + Q _конц + Q _п (IX,.7)

 

Первый член правой части уравнения (IX, 7) выражает расход тепла в аппарате на нагревание исходного раствора до температуры кипения, второй член правой части — расход тепла на испарение влаги из материала. Кроме того, тепло затрачивается на концентрирование раствора (если тепловой эффект концентрирования отрицателен), и на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.

Из уравнения (IX, 7) может быть определен расход греющего пара:

(IX,8)

где I _г — с ' Θ = r (величина r — теплота конденсации греющего пара).

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

Так как при концентрировании раствора тепло 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 _п обычно принимают в виде доли от тепловой нагрузки Q аппарата; обычно задаются Q _п = (0,03—0,05) Q. Эту величину потерь тепла в окружающую среду обеспечивают, рассчитывая необходимую толщину тепловой изоляции аппарата.

Из уравнения (IX, 8) можно, пренебрегая величинами Q _конц и Q _п 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

(IX,9)

Это означает, что количество (в кг) расходуемого греющего пара равно количеству (в кг) выпариваемой воды, или приближенно: в однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды надо затратить 1 кг греющего пара. Практически, с учетом потерь тепла, удельный расход греющего пара повышается и составляет 1,1—1,2 кг/кг воды.

Поверхность нагрева. Поверхность нагрева непрерывно действующего выпарного аппарата определяется на основе уравнения теплопередачи (VII, 4):

где Q — тепловая нагрузка аппарата [см. уравнение (IX, 7)1; К — коэффициент теплопередачи, рассчитываемый по общему уравнению (VII, 83); Δ t_пол —движущая сила процесса (полезная разность температур).

В данном случае в уравнении (VII, 83) величина α₁ — коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке, α₂ — коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору. Коэффициент теплопередачи снижается с повышением концентрации и соответственно — вязкости раствора, а также с понижением температуры кипения раствора.

Полезная. разность температур в выпарном аппарате Δ t _пол представляет собой разность температуры конденсации Т °С греющего пара и температуры кипения t _к °C выпариваемого раствора:

Δ t _пол = Т – t _{к (IX,10)}

В аппаратах с циркуляцией раствора, обеспечивающих его достаточно полное перемешивание, Δ t _пол является величиной постоянной

В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией концентрация массы обращающегося в аппарате раствора близка к конечной, поэтому расчетную величину t_к принимают по конечной концентрации раствора.

Температурные потери и температура кипения растворов. В выпарном аппарате возникают температурные потери, общая величина которых складывается из температурной депрессии Δ', гидростатической депрессии Δ" и гидравлической депрессии Δ'".

Температурная депрессия Δ' равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении.

Величина Δ' зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления. Значения Δ', полученные опытным путем, приводятся в справочной и специальной литературе*. Если экспериментальные данные о величинах Δ' для данного раствора отсутствуют, то значения температурной депрессии могут быть приближенно вычислены различными способами, причем должна быть известна либо одна температура кипения данного раствора при некотором давлении (по правилу Бабо), либо две температуры кипения раствора при двух произвольно взятых давлениях (по правилу Дюринга или уравнению Киреева)*.

Рассмотрим в качестве примера расчет Δ' с помощью эмпирического правила Бабо, согласно которому относительное понижение давления пара (р ₁— р ₂ )/р ₁или р ₂/ р ₁ над разбавленным раствором данной концентрации есть величина постоянная, не зависящая от температуры кипения раствора, т. е.

(IX, 11)

где р ₁ и р ₂ —давление пара соответственно растворителя и раствора.

Зная температуру кипения t₂ раствора при некотором произвольно взятом давлении р ₂, находят (по таблицам насыщенного водяного пара) давление пара чистого растворителя (воды) р ₂ при той же температуре и рассчитывают константу К, пользуясь зависимостью (IX, 11). По тому же уравнению определяют для заданного давления р ₂' над раствором (в выпарном аппарате) давление пара р ₁'чистого растворителя ч и находят по таблицам соответствующую ему температуру t ₂', которая и будет температурой кипения раствора при заданном давлении. Так как температура чистого растворителя при этом давлении известна, то температурная депрессия составляет

Δ' = t ₂' – t ₁' (IX, 12)

Для концентрированных растворов к величине Δ', рассчитанной по правилу Бабо, следует вводить поправки*, предложенные В. Н. Стабниковым, величина которых зависит от отношения p ₂/ p ₁ и давления р ₂. Поправка прибавляется к величине Δ', полученной по правилу Бабо, если теплота растворения положительна, и вычитается, если эта теплота отрицательна.

________________________

*См., например: Справочник химика, т.Y, Изд. «Химия», 1966

 

Опытные значения температурной депрессии обычно приводятся при атмосферном давлении. Величину Δ' при любом давлении можно получить, пользуясь уравнением И.А.Тищенко:

 

Δ' = 1,62·10^-2 (IX, 13)

где Δ'_атм — температурная депрессия при атмосферном давлении, °С; Т, r — температура кипения чистого растворителя (в °К) и его теплота испарения (в кдж/кг) при данном давлении.

Уравнение (IX, 13) применимо только к разбавленным растворам.

Депрессия Δ" обусловлена тем, что некоторая часть высоты кипятильных труб выпарного аппарата заполнена жидкостью, над которой находится паро-жидкостная эмульсия; содержание пара в ней резко возрастает по направлению к верхней кромке труб.

Назовем условно все содержимое кипятильных труб жидкостью. Вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах температура кипения нижерасположенных слоев жидкости -в них будет больше, чем температура кипения вышерасположенных. Повышение температуры кипения раствора, связанное с указанным гидростатическим эффектом, называется гидростатической депрессией.

Гидростатическая депрессия наиболее существенна при работе аппарата под вакуумом.

Величина гидростатической депрессии не может быть точно рассчитана ввиду того, что жидкость в трубах находится в Движении, причем Δ" зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности паро-жидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб.

В первом приближении расчет Δ" возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильной трубы. Для этого находят давление р в данном сечении, равное сумме давлений вторичного пара Δ р _вт.п и гидростатического давления Δ р _ср столба жидкости на середине высоты Н трубы:•

где ρ — средняя плотность жидкости, заполняющей трубку.

Допуская, что величина ρ равна половине плотности чистого раствора (без присутствия пузырьков пара), т. е. = ρ_ж/2, получают

 

(IX.14)

По давлению р с помощью таблиц насыщенного водяного пара находят температуру воды t_в, соответствующую данному давлению. Разность между температурой t_в и температурой вторичного пара T' определяет величину гидростатической депрессии:•

 

Δ" = t _в – T' (IX, 15)

В связи с неточностью такого расчета, которым не учитывается движение (циркуляция) раствора, величины Δ"обычно принимают по практическим данным.

Для вертикальных аппаратов с циркуляцией выпариваемjго раствора величина Δ" может быть принята в пределах 1—3 °С.

Гидравлическая депрессия обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями), которые должен преодолеть вторичный пар при его движении главным образом через сепарационные устройства и паропроводы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры насыщения.

Повышение температуры кипения раствора, обусловленное гидравлической депрессией, обычно колеблется в пределах 0,5—1,5°С. В среднем величина Δ" ' для единичного аппарата может быть принята равной 1°С. При расчете многокорпусных установок гидравлическую депрессию учитывают, принимая во внимание снижение давления вторичного пара только в паропроводах между корпусами.

Температура кипения раствора с учетом температурных потерь, обусловленных температурной Δ' и гидростатической Δ" депрессиями, составляет

 

t _к = T' + Δ' + Δ" (IX, 16)

где T' — температура вторичного пара