Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ВЫПАРИВАНИЕ

ВЫПАРИВАНИЕ, осуществляют для концентрирования р-ров, выделения растворенного в-ва или получения чистого р-рителя. Выпариванию подвергают преим. водные р-ры нелетучих или малолетучих в-в.

Выпаривание происходит благодаря подводу теплоты извне (чаще всего используют водяной пар давлением до 1,2 МПа, к-рый наз. греющим, или первичным) и непрерывному удалению образующегося при кипении р-ра пара, наз. вторичным (при отборе на сторону наз. экстра-паром). Движущая сила выпаривания - разность т-р греющего пара и кипящего р-ра, наз. полезной1085-22.jpg . Она всегда меньше разности между т-рами первичного и вторичного паров, т.к. р-р кипит при более высокой т-ре, чем чистый р-ритель. Указанное различие в т-рах1085-23.jpg, наз. физ.-хим. (концентрационной, температурной) депрессией, определяется хим. природой р-ра и часто достигает больших значений, возрастая с увеличением концентрации и внеш. давления. Напр., в случае выпаривания воды при 760 мм рт. ст. 50%-ный водный р-р NaOH кипит при 142,2°С (1085-24.jpg = 42,2°С), 75%-ный р-р NaOH-при 192°С (1085-25.jpg= = 92,0). Т-ра кипения р-ра повышается также из-за более высокого давления в р-ре, чем в паровом пространстве. Одна из главных причин повышения давления - гидростатич. давление р-ра, или т. наз. гидростатич. депрессия, к-рая в среднем составляет1085-26.jpg= 1 -3 °С.

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты, работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). При работе под избыточным давлением повышается т-ра кипения р-ра, поэтому возможности данного способа ограничены св-вами р-ра и т-рой теплоносителя. Разрежение в выпарных аппаратах создается в результате конденсации вторичного пара в спец. конденсаторах, охлаждаемых водой или исходным р-ром, и удаления неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. Выпаривание в условиях разрежения позволяет снизить т-ру кипения р-ра; применяется для концентрирования термочувствит. р-ров, напр. лизина, послеспиртовых бард гидролизных произ-в, а также высококипящих р-ров, напр. H2SO4.

В зависимости от способа нагревания концентрируемого р-ра выпарные аппараты делят на поверхностные (теплота передается от теплоносителя к р-ру через стенку) и контактные, в к-рых происходит непосредственное соприкосновение теплоносителя с р-ром.

Поверхностные выпарные аппараты. Наиб. распространены выпарные аппараты с трубчатыми греющими камерами. В таких аппаратах р-р находится в трубном, а греющий пар - в межтрубном пространстве. Осн. достоинства: интенсивная теплопередача, многократное использование теплоты вторичного пара, высокая степень чистоты целевого продукта, возможность создания аппаратов большой единичной мощности, легкость удаления инкрустирующих отложений с поверхности кипятильных труб. Различают выпарные аппараты с многократной циркуляцией р-ра (естественной и принудительной) и однократной - т. наз. однопроходные, или пленочные.

Движение р-ра в выпарных аппаратах с естественной циркуляцией (рис. 1,а, б, в) осуществляется благодаря разности плотностей парожидкостной смеси в зоне кипения и р-ра вне ее (рис. 1,б) или вследствие увлечения жидкости всплывающими пузырьками пара (аппараты с кипением р-ра в трубах камеры). Эти аппараты применяют для маловязких (1085-27.jpg до 6-8 мПа*с) р-ров. Осн. характеристики: скорость циркуляции р-ра обычно не более 1,0-1,5 м/с,1085-28.jpg = 15-25°С, пов-сть нагрева до 630 м2, коэф. теплопередачи 1,2-1,8 кВт/(м*К), продолжительность работы между промывкой или мех. очисткой 3-4 сут. Достоинство - отсутствие расхода электроэнергии; недостаток - зависимость интенсивности выпаривания от тепловой нагрузки, к-рая снижается при загрязнении пов-сти нагрева.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения (рис. 1,а, б)над греющей камерой установлена дополнит. подъемная труба (труба вскипания), к-рая обеспечивает высокую скорость естественной циркуляции. Кипение происходит в трубе (поскольку труба заполнена р-ром, давление в греющих трубах выше, чем насыщенного вторичного пара при т-ре р-ра, на величину массы гидростатич. столба парожидкостной смеси). Эти аппараты предназначены для р-ров плохо растворимых в-в, к-рые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на пов-сти нагрева значит. слой накипи (NaCl, Na2CO3, CaCO3 и др.), а также при опреснении морской воды. Для насыщ. р-ров хорошо растворимых солей, не выпадающих при концентрировании в осадок и не образующих накипи (напр., NaNO2, NaNO3, NH4NO3, КС1), применяют выпарные аппараты, в кипятильных трубах к-рых р-р не только нагревается, но и кипит (рис. 1, в). Разновидность рассмотренных аппаратов - выпарные аппараты с двухходовой греющей камерой (рис. 1, г, д). Они не имеют циркуляционной трубы (ее роль выполняет часть трубного пучка камеры), менее металлоемки, занимают меньшую площадь (пов-сть нагрева до 1600 м2). Эти аппараты используют для р-ров в-в, растворимость к-рых возрастает с повышением т-ры (напр., щелока в произ-ве хлора и каустич. соды, содово-поташные р-ры в произ-ве глинозема).
Поверхностные выпарные аппараты
Поверхностные выпарные аппараты
Поверхностные выпарные аппараты

Рис. 1. Поверхностные выпарные аппараты: а, б, в-с естественной циркуляцией; г, д-с двухходовой греющей камерой; е-с принудительной циркуляцией; ж, з, и - пленочные; 1-греющая камера; 2-сепаратор; 3-брызгоуловитель; 4-труба вскипания; 5-циркуляционная труба; 6-ротор; 7-осевой насос.

Для повышения интенсивности движения р-ра и коэф. теплопередачи применяют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, создаваемой спец. осевым насосом (рис. 1, е). Такие аппараты служат для выпаривания сравнительно вязких (1085-32.jpg до 1 Па*с) продуктов, напр. аммофосных пульп в произ-ве минеральных удобрений. Осн. характеристики: скорость циркуляции р-ра 2,0-2,5 м/с,1085-33.jpg = 7-15 °С, пов-сть нагрева до 1800 м2, коэф. теплопередачи до 3 кВт/(м2*К), продолжительность работы между промывкой или мех. очисткой до 30 сут. Важное достоинство - независимость интенсивности выпаривания р-ра от тепловой нагрузки. Недостатки: необходимость использования насосов, затраты электроэнергии на циркуляцию р-ра.

Пленочные выпарные аппараты применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, напр. в произ-ве дрожжей, ферментов, антибиотиков, фруктовых соков, р-римого кофе. Концентрирова-ние происходит в результате однократного движения тонкого слоя (пленки) р-ра вместе с вторичным паром вдоль труб длиной 6-8 м (пов-сть нагрева до 2200 м2). Различают: аппараты с прямоточным восходящим движением р-ра за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, к-рый движется снизу вверх с достаточно большой скоростью (рис. 1, ж); с нисходящим движением жидкости, свободно стекающей по повети нагрева (рис. 1, з); роторные, в к-рых р-р перемещается ("размазывается") скребками ротора по пов-сти теплообмена (рис. 1, и). В роторных аппаратах концентрируют очень вязкие (1085-34.jpgдо 20 Па*с) термочувствит. в-ва, напр. карбамид, желатину, капролактам, глицерин; в результате получают пасто- или порошкообразные продукты. Достоинства пленочных выпарных аппаратов: отсутствие гидростатич. депрессии, малое гидравлич. сопротивление, высокий коэф. теплопередачи [до 2500 кВт/(м*К)], большая производительность при относительно небольших объемах аппаратов и занимаемых ими площадях, малая продолжительность контакта р-ра с пов-стью теплообмена. Недостатки: чувствительность к неравномерности подачи исходного р-ра, трудоемкость очистки пов-сти нагрева. Важное значение для эффективной работы выпарного аппарата имеет происходящее в его паровом пространстве, или сепараторе, отделение вторичного пара от капель концентрируемого р-ра. Последние загрязняют пар, затрудняя использование его конденсата для питания паровых котлов ТЭЦ, а также служат причиной инкрустации (иногда значительной) пов-сти нагрева и источником безвозвратных потерь концентрируемого р-ра. Степень сепарации вторичного пара зависит от св-в р-ра и интенсивности образования пены (обильное пенообразование повышает унос р-ра паром). Низкое поверхностное натяжение и высокая вязкость р-ра способствуют появлению пены. Присутствие в р-ре взвешенных частиц сообщает пене устойчивость. Для уменьшения пенообразования к р-ру иногда добавляют в-ва, к-рые повышают поверхностное натяжение (напр., растит. масла, высшие спирты, керосин) или удаляют взвешенные в-ва перед выпариванием путем фильтрования р-ра.

Унос может происходить также в результате попадания капель выпариваемого р-ра в паровое пространство и их мех. захвата вторичным паром. Для предотвращения этого скорость пара в сепараторе должна быть сравнительно невелика (2-4 м/с), а высота парового пространства - достаточно большой (1,6-3,0 м), чтобы увлеченные паром капли жидкости успевали оседать под действием силы тяжести. Для улучшения сепарации пара применяют спец. ловушки, или брызгоуловители. Они действуют аналогично инерционным пылеуловителям или циклонам для очистки газов: брызги отделяются от пара вследствие резкого изменения скорости и направления его движения либо под действием центробежной силы.

Одно из условий нормальной работы выпарного аппарата - непрерывный отвод конденсата первичного пара. Накопление конденсата в греющей камере приводит к потере части активной повети нагрева и, следовательно, к снижению производительности аппарата. Для удаления конденсата без пропуска несконденсировавшегося (пролетного) пара применяют т. наз. конденсатоотводчики. наиб. распространены поплавковые устройства, действие к-рых основано на различии плотностей пара и конденсата. При поступлении пара конденсат вытесняется из поплавка, открытого сверху или снизу; последний всплывает и при помощи штока закрывает пропускное отверстие.

Интенсивность работы выпарных аппаратов, особенно при переработке р-ров в-в, к-рые образуют отложения на пов-сти нагрева, в значит. степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэф. теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию р-ра, м. б. причиной коррозии в сварных швах. Снижение коэф. теплопередачи компенсируют увеличением1086-1.jpg . Это достигается повышением давления греющего пара при постоянном давлении в аппарате или уменьшением, давления в аппарате при постоянных т-ре и давлении первичного пара. Для сохранения неизменной производительности выпарного аппарата (при условии постоянства состава выпариваемого р-ра и давления) т-ра греющего пара должна возрастать пропорционально продолжительности работы аппаратов. Последняя определяется кол-вом отложений на пов-сти нагрева. Накипь удаляют путем периодич. промывки или мех. очистки выпарного аппарата.

Контактные выпарные аппараты. Для химически агрессивных р-ров, особенно при высоких т-рах, напр. H2SO4, СаС12, Na2SO4*10H2O (мирабилит), применяют аппараты с т. наз. погружным горением (рис. 2) - цилиндрич. емкости из углеродистой стали, футерованные кислотоупорной плиткой или гуммированные. В них топочные газы, используемые как теплоноситель, образуются в результате сжигания топлива (напр., прир. газа) в горелках, к-рые погружены в концентрируемый р-р. Эти газы барботируют через р-р и удаляются вместе с вторичным паром. Важное достоинство таких выпарных аппаратов - отсутствие пов-сти теплообмена, что обеспечивает сравнительно простое решение вопросов коррозионной стойкости материалов, из к-рых изготовлены аппараты. Недостатки: большой расход топлива, невозможность использования вторичного пара в кач-ве теплоносителя (удаляется в смеси с газами), загрязнение атмосферы топочными газами и продуктами уноса р-ра паром.
Выпарной аппарат с погружным горением

Рис. 2. Выпарной аппарат с погружным горением: 1 -горелка; 2-корпус.

Для получения небольших масс продукта (неск. г или кг) в лаб. условиях обычно применяют стеклянные колбы, снабженные внутр. или внеш. конденсаторами.

Выпарные установки. Одноступенчатые установки м. б. непрерывного и периодич. действия. Последние отличаются более высокими коэф. теплопередачи, но сложнее в обслуживании, поскольку их нельзя полностью автоматизировать. В одиночных аппаратах выпаривают сравнительно небольшие кол-ва р-ров, напр. в произ-вах особо чистой NaCl, а также Na2S, томатных паст, сгущенного молока. Образующийся вторичный пар для выпаривания не используют. Упомянутый недостаток устранен в аппаратах с тепловым насосом. В них вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором, повышая т. обр. его т-ру до т-ры греющего пара. В первом случае используется практически полностью вторичный пар, расходуется только электроэнергия, однако возрастают стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Во втором случае вследствие добавления в систему первичного пара часть вторичного пара удаляется из цикла. Аппараты с тепловым насосом целесообразно применять для р-ров, характеризующихся небольшими температурными депрессиями, при разрежениях в паровом пространстве 0,02-0,08 МПа и малых степенях сжатия вторичного пара (не более 2).

Расход греющего пара в одиночных выпарных аппаратах весьма велик (1,20-1,25 кг на 1 кг выпариваемой воды). Для его уменьшения в пром-сти широко применяют многоступенчатые установки (преим. непрерывного действия), состоящие из ряда последовательно соединенных одиночных аппаратов. В этих установках, работающих при постепенно понижающемся давлении (в последней ступени 8-12 кПа), первичным паром обогревается только первая ступень, а каждая последующая - вторичным паром предыдущей. Число ступеней определяется полезной разностью т-р, физ.-хим. свойствами р-ров и типом выпарного аппарата. В установках, включающих аппараты с естественной циркуляцией и восходящим движением пленки р-ра, к-рые эффективно работают только при значительной полезной разности т-р, число ступеней обычно не превышает 3-5. При использовании выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией и со стекающей пленкой р-ра, работа к-рых не зависит от температурного напора, число ступеней достигает 10 и более. Оптимальное число ступеней находится с учетом миним. стоимости единицы массы выпаренной воды.

В зависимости от направления относит. движения р-ра и пара многоступенчатые установки делятся на прямоточные, противоточные, смешанного типа и с параллельным питанием ступеней. В наиб. простой по аппаратурному оформлению прямоточной установке р-р подается в первый аппарат и, перемещаясь последовательно через остальные под действием перепада давлений между ступенями, удаляется из последней. Достоинства этих установок: возможность переработки термолабильных р-ров (напр., электролитич. щелоков, алюминатных и содово-поташных р-ров в произ-ве кальциниров. соды), пониженный износ аппаратуры, небольшие потери теплоты с выпаренным р-ром. Недостаток: переток р-ра по мере его концентрирования в аппарат, находящийся под меньшим давлением; при этом снижается т-ра кипения р-ра, но возрастает его вязкость, что приводит к уменьшению коэф. теплопередачи.

В противоточной установке выпариваемый р-р (напр., MgCl2 или т. наз. оборотный рассол в произ-ве калийных солей) подается в последнюю ступень и удаляется из первой. При этом увеличение концентрации р-ра сопровождается повышением т-ры, вследствие чего коэф. теплопередачи по ступеням выше, чем при прямотоке. Недостатки такой установки: применение насосов между ступенями для подачи р-ра из аппарата, работающего при меньшем давлении, в аппарат, находящийся под более высоким давлением; необходимость автоматич. регулирования уровня р-ра в каждом выпарном аппарате.
Выпарная установка мгновенного вскипания

Рис. 3. Выпарная установка мгновенного вскипания: 1-подогреватель; 2 - испаритель; 3-конденсатор; 4-вакум-насос; 5, 6, 7-сборники соответственно конденсата, исходного и конечного р-ров.

В ряде случаев в последнем по ходу р-ра аппарате требуется поддерживать высокое давление вторичного пара, что ограничивает число ступеней выпаривания и, следовательно, кратность использования пара. Для ее увеличения применяют установки со смешанным направлением движения пара и р-ра. Последний поступает в какой-либо из промежуточных выпарных аппаратов и проходит через одну группу ступеней прямотоком, а через другую - противотоком, что дает возможность выделять одновременно неск. кристаллич. в-в [СаСО3, CaSO4, Mg(OH)2]. Эти установки сочетают достоинства и недостатки прямо- и противоточных установок.

В установке с параллельным питанием р-р подают одновременно в каждую ступень, а сконцентрированный р-р последовательно отбирают из всех ступеней. Эти установки служат гл. обр. для выпаривания р-ров, состав к-рых мало изменяется в ходе процесса, а также для насыщ. кристаллизующихся р-ров (напр., рассолов в произ-ве пищевой NaCl). В каждой ступени р-р выпаривается при постоянной концентрации с выделением соли в результате испарения части р-рителя. Вторичный пар, получаемый в предыдущей ступени, обогревает последующую. Достоинство параллельного питания: наиб. простая система коммуникаций для подачи исходного и отбора конечного р-ров. Недостаток: сравнительно низкие коэф. теплопередачи по ступеням, поскольку в каждой из них находится р-р с макс. конечной концентрацией растворенного в-ва.

Спец. разновидность многоступенчатых выпарных установок - установки мгновенного вскипания, или с адиабатич. испарителями (рис. 3). Исходный р-р с помощью насоса последовательно движется через систему подогревателей, каждый из к-рых обогревается вторичным паром своего испарителя. Пройдя систему подогревателей, перегретый р-р вскипает в системе последовательно соединенных испарителей. Давление в них поддерживается таким, чтобы т-ра вторичного пара превышала т-ру нагреваемого р-ра в соответствующем подогревателе. Вторичный пар из последнего испарителя поступает на конденсацию, а сконцентрированный р-р - в сборники. Число ступеней испарения может достигать 30 и более, что обусловливает их работу при малых температурных напорах (2-3 °С). Конструкция и размеры испарителей полностью исключают перегрев р-ра. Установки мгновенного вскипания применяют для р-ров с малой1086-4.jpgпри невысокой степени их концентрирования, напр. при опреснении морской воды. Достоинства: отсутствие контакта выпариваемого р-ра с пов-стью нагрева, что очень важно при выпаривании кристаллизующихся р-ров; простота изготовления; миним. число насосов для циркуляции р-ра; компоновка из стандартных теплообменников и емкостей. Осн. недостаток: ограниченная степень концентрирования р-ра за один проход (0,15-0,20).

Расчет процесса. Для расчета должны быть известны рабочие параметры: контролируемые - расход и концентрация исходного р-ра, давления греющего и вторичного паров, т-ра кипения р-ра; регулируемые - давления паров, уровень р-ра в выпарном аппарате, концентрация конечного р-ра. Эти данные определяют на спец. пилотных установках, оснащенных одиночными выпарными аппаратами. Неизвестные параметры далее вычисляют на основе ур-ний материального и теплового балансов, а также ур-ния теплопередачи. Применительно к типичному процессу концентрирования р-ра с выделением соли для одноступенчатой выпарной установки в общем виде имеем:
1086-5.jpg

где Сисх-кол-во (расход) исходного р-ра, Gк - кол-во сконцентрированного р-ра, Wв - кол-во выпаренной воды, Gc-кол-во выделенной соли, Wкр,-кол-во кристаллизац. воды.

Тепловая нагрузка на одиночный выпарной аппарат в общем виде составляет:
1086-6.jpg

где rвп и rкр-теплоты образования вторичного пара и кристаллизации соли, сисх и tисх-концентрация и т-ра исходного р-ра, tкип - т-ра кипения парожидкостной смеси,1086-7.jpg и1086-8.jpg -теплоты концентрирования в исходном и конечном р-рах.

Пов-сть нагрева аппарата и расход греющего пара соотв. составляют:
1086-9.jpg

где К-коэф. теплопередачи, tг.п и tв.п - т-ры греющего и вторичного паров, Ап = 1,02-1,05-коэф., учитывающий потери теплоты в окружающую среду, rг.п. - теплота образования греющего пара.

При расчете многоступенчатой установки кол-во воды, выпариваемой в любой i-той ступени, составляет:
1086-10.jpg

где D1 - расход греющего пара, подаваемого в 1-ю ступень, Xi и Yi - параметры, учитывающие физ.-хим. св-ва р-ра, а также направление относительного движения питания и пара.

Тепловая нагрузка на i-тую ступень и пов-сть нагрева этой ступени соотв. составляют:
1086-11.jpg

Общую и полезную разность температур определяют из уравнений:
1086-12.jpg

где nк-число ступеней,1086-13.jpg-потери температурного напора между ними.

Совершенствование техники выпаривания. Реализуются три осн. направления: 1) интенсификация теплообмена -применение развитых пов-стей нагрева, напр. в виде набора стальных пластин, тонкостенных (1,2-1,5 мм) и ребристых труб, а также труб со спец. турбулизаторами в форме внутр. кольцевых выступов или проволочных спиральных вставок; 2) снижение накипеобразования - использование, напр., затравочных кристаллов, способствующих массовой кристаллизации в объеме р-ра, или антиадгезионных полимерных покрытий; 3) экономия энергозатрат - применение, напр., экстра-пара и конденсата для нагревания исходного р-ра либо его предварительное концентрирование с помощью мембранного разделения.


===
Исп. литература для статьи «ВЫПАРИВАНИЕ»: Таубман Е.И., Выпаривание, М., 1982; Перцев Л. П., Ковалев Е. М, Фокин В.С, Трубчатые выпарные аппараты для кристаллизирующихся растворов, М., 1982. Л.П. Перцев. Е.М. Ковалев, B.C. Фокин.

Страница «ВЫПАРИВАНИЕ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.


     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн