Лекции по "Теплотехнике"

     Лекція 13.

     Випарювання. Призначення і  технічні методи.

     Однокорпусні  випарні установки 

       Випарювання

       Загальні поняття  та визначення 

     Випарюванням  називається концентрування розчинів практично нелетючих чи малолетючих  речовин у рідких летючих розчинниках.

     Випарюванню піддають розчини твердих речовин (водяні розчини лугів, солей і  ін.), а також висококиплячі рідини що володіють при температурі  випарювання дуже малим тиском пари, - деякі мінеральні й органічні  кислоти, багатоатомні спирти й ін. Випарювання застосовується також іноді для виділення розчинника в чистому виді: при опрісненні морської води випарюванням утворену водяну пару конденсують і воду використовують  для питних чи технічних цілей.

      Одержання  висококонцентрованих розчинів, практично  сухих і кристалічних продуктів полегшує й зменшує вартість їх перевезення і збереження.

     Тепло при випарюванні розчину можна  підводити будь-якими теплоносіями, застосовуваними при нагріванні. Найчастіше використовують водяну пару, яку називають гріючою чи первинною.

     Первинною може бути або пара, одержувана з  парогенераторів, або відпрацьована  пара проміжного добору парових турбін.

     Пара, що утворюється при випарюванні  киплячого розчину, називається  вторинною.

     Процеси випарювання проводять під вакуумом, при підвищеному й атмосферному тисках.

     Вибір тиску пов'язаний із властивостями  розчину, що випарюється, і можливістю використання тепла вторинної пари.

     Випарювання під вакуумом має деякі переваги перед випарюванням при 

     атмосферному  тиску, незважаючи на те що теплота  випару розчину трохи зростає зі зниженням тиску і відповідно збільшується витрата пари при випарюванні 1 кг розчинника.

     При випарюванні під вакуумом стає можливим проводити процес при більш низьких  температурах, що важливо у випадку  концентрування розчинів речовин, схильних до розкладання при підвищених температурах. Крім того, при розрідженні збільшується корисна різниця температур між гріючим агентом і розчином, що дозволяє зменшити поверхню нагрівання апарата. У випадку однакової корисної різниці температур при випарюванні під вакуумом можна використовувати гріючий агент більш низьких робочих параметрів (температура, тиск).

     Тому  випарювання під вакуумом широко застосовується  для концентрування висококиплячих розчинів, а також  для концентрування розчинів з використанням теплоносія (пари) невисоких параметрів.

     Застосування  вакууму дає можливість використовувати  як гріючий агент, крім первинної  пари, вторинну пару самої випарної установки, що знижує витрату гріючої  пари.

     Однак застосування вакууму підвищує як вартість самої установки так і збільшує експлуатаційні витрати.

     При випарюванні під тиском вище атмосферного можна використовувати вторинну пару як для випарювання, так і  для інших потреб виробництва, не зв'язаних з випарюванням.

      Вторинна  пара, що відбирається на сторону, називається екстрапарою. Добір екстрапари при випарюванні під надлишковим тиском дозволяє краще використовувати тепло, чим при випарюванні під вакуумом. Однак випарювання під надлишковим тиском пов'язано з підвищенням температури кипіння розчину. Тому даний спосіб застосовується лише при випарюванні термічно стійких речовин.

     При випарюванні під атмосферним  тиском вторинна пара не використовується і звичайно видаляється в атмосферу. Такий спосіб випарювання найбільш простий, але і найменш ефективний.

     Випарювання під атмосферним тиском, а іноді  і випарювання під вакуумом проводять  в однакових апаратах (однокорпусних  випарних установках).

     Однак найбільш поширені багатокорпусні випарні  установки, що складаються з декількох  випарних апаратів, чи корпусів, у яких вторинна пара кожного попереднього корпуса направляється як гріюча в наступний корпус. При цьому тиск у послідовно з'єднаних (по ходу розчину, що випарюється,) корпусах знижується таким чином, щоб забезпечити різницю між вторинною парою з попереднього корпуса і розчином, що кипить у даному корпусі, тобто створити необхідну рушійну силу процесу випарювання. У цих установках первинною парою обігрівається тільки перший корпус. Тому в багатокорпусних випарних установках досягається значна економія первинної пари в порівнянні з однокорпусними установками тієї ж продуктивності.

     Економія  первинної пари (і відповідно палива) може бути досягнута так само і  однокорпусних випарних установках з тепловим насосом. У них вторинна пара на виході з апарата стискається за допомогою теплового насоса (наприклад термокомпресора) до тиску, що відповідає температурі первинної пари, після чого він знову повертається в апарат для випарювання розчину.

     У хімічній промисловості застосовуються в  основному беззупинно діючі випарні установки. Лише у виробництві малого масштабу і при випарюванні розчинів до високих кінцевих концентрацій іноді використовують випарні апарати періодичної дії. 

     Однокорпусні  випарні установки 

     

     Рисунок 1. Схема однокорпусного випарного апарата

     1 –  гріюча камера;

     2 –  сепаратор;

     3 –  кип’ятильні труби;

     4 –  циркуляційна труба. 

     Розглянемо  принципову схему одиночного (однокорпусного) беззупинно діючого апарата з  природною циркуляцією розчину  на прикладі апарата з внутрішньою центральною циркуляційною трубою (рис.1).

     Апарат  складається з теплообмінного пристрою - нагрівальної (гріючої) камери 1 і сепаратора 2. Камера обігрівається звичайно водяною  парою, що надходить в її міжтрубний простір. Конденсат відводять знизу  камери.

     Піднімаючись  по трубах 3, розчин що випарюється нагрівається і кипить з утворенням вторинної  пари. Відділення пари від рідини проходить  в сепараторі 2. Звільнена від  бризів і крапель вторинна пара видаляється  з верхньої частини сепаратора. Частина  рідини опускається по циркуляційній трубі 4 під нижні трубні ґрати нагріваючої камери. У наслідок різниці густини розчину в трубі 4 і парорідинної емульсії в трубах 3 рідина циркулює по замкнутому контуру. Упарений розчин видаляється через штуцер у днище апарата.  

     Матеріальний  баланс 

     Відповідно  до малюнка, на випарювання надходить  (кг/сек) вихідного розчину концентрацією в_н (вагові. %) і відділяється (кг/сек) упареного розчину концентрацією в_к (вагов. %). Якщо в апараті випарюється W (кг/сек) розчинника (води), то загальний матеріальний баланс виражається рівнянням

.           (1)

     Матеріальний  баланс по абсолютно сухій речовині, що знаходиться в розчині:

.          (2)

     У рівняння (1) і (2) входять 5 змінних, з яких три  величини повинні бути задані. Найбільш часто бувають задані: витрата  вихідної речовини G_н, його концентрація в_н і необхідна кінцева концентрація в_к упареного розчину. Тоді, виходячи з рівнянь (1) і (2) визначають продуктивність апарата по упареному розчині:

.          (3)

     По  воді, що випарюється:

;

.         (4) 

     Тепловий  баланс 

     Приймемо  наступні позначення:

D - витрата гріючої  пари;

 - ентальпія вторинної і гріючої пари, вихідного й упареного розчинів відповідно;

 - ентальпія парового конденсату, де - питома теплоємність, - температура конденсату.

     Для складання теплового балансу  визначимо прихід і витрати тепла

     Прихід  тепла

     з вихідною парою   

     з гріючою  парою   

     Витрата тепла 

     з упареним розчином   

     з вторинною  парою     

     з паровим  конденсатом   

     Теплота концентрування   

     Втрати  тепла в навколишнє середовище   

     Відповідно  рівняння теплового балансу буде мати вигляд:

.      (5)

     У рівнянні: энтальпія вихідного розчину 

 ,           (6)

де  і - його питома теплоємність і температура;

энтальпія упареного  розчину

,           (7)

де  і - його питома теплоємність і температура, рівна температурі кипіння розчину в апараті.

     Розглядаючи вихідний розчин як суміш упареного  розчину і випаруваної вологи, можна записати наступне рівняння теплового  балансу змішання при постійній  температурі кипіння t_к розчину в апараті:

,       (8)

де  - питома теплоємність води при температурі t_к.

     Звідси

.          (9)

     Підставляючи  значення i_н, i_к, G_кc_к у рівняння (7), одержимо

 (10)

  (11)

     З цього  рівняння визначимо кількість тепла, яке підводиться в одиницю часу з теплоносіями (гріючою парою) чи теплове навантаження Q випарного апарата.

     Отже, перший член правої частини рівняння (11), виражає витрату тепла в  апараті на нагрівання вихідного  розчину до температури кипіння, другий член правої частини - витрату тепла на випар вологи з матеріалу. Крім того, тепло витрачається на концентрування розчину (якщо тепловий ефект концентрування негативний), і на компенсацію втрат тепла в навколишнє середовище.

     З рівняння (11) може бути визначена витрата гріючої пари:

,    (12)

де  (величина r - теплота конденсації гріючої пари).

     Вхідна  в рівняння (12), теплота концентрування виражає тепловий ефект концентрування розчину. Вона дорівнює різниці інтегрованих теплот розчинення вихідного (розведеного) і концентрованого розчинів, узятої зі зворотним знаком.

     Оскільки  при концентруванні розчину тепло  може поглинатися, то може входити не тільки у витратну, але й у прибуткову частину теплового балансу. Теплота концентрування враховується в тепловому балансі випарного апарата, якщо її величина значна, і нею зневажати не можна.

     Величину  звичайно приймають у виді частки від теплового навантаження Q апарата; звичайно задаються =(0.03..0.05) Q. Цю величину втрат тепла в навколишнє середовище забезпечують, розраховуючи необхідну товщину теплової ізоляції апарата.

     З рівняння (12) можна, зневажаючи   і , визначити теоретичну витрату пари на випарювання 1 кг розчинника (води). Якщо прийняти, що вихідний розчин надходить в апарат попередньо нагрітим до температури кипіння, тобто

,      (13)

     Це  означає, що кількість (у кг) гріючої  пари, що витрачається дорівнює кількості (у кг) води, що випарюється, чи приблизно: в однокорпусному апараті на випарювання 1 кг води треба затратити 1 кг гріючої пари.