2. 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. 1).

Рис. 1. Схема устройства одиночного (однокорпусного) выпарного аппарата:

1 – нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – кипятильные трубы; 4 – циркуляционная труба.

Аппарат состоит из теплообменного устройства – нагревательной (греющей) ка­меры 1 и сепаратора 2. Камера и сепаратор могут быть объединены в одном аппарате (см. рис. 1) или камера может быть вы­несена и соединена с сепаратором трубами (см. рис. 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 2 под нижнюю трубную решетку греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора в трубе 2 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. 1 не показаны). Упаренный раствор удаляется из конического днища аппарата.

1. Материальный баланс

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

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, находящемуся в растворе:

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

по упаренному раствору

по выпариваемой воде

2. 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. 1:

Приход тепла Расход тепла

С исходным раствором . . . G_нi_н С упаренным раствором…… G_кi_к

С греющим паром........ DI_г С вторичным паром ………... WI

С паровым конденсатом…… Dc'θ

Теплота концентрирования... Q_конц

Потери тепла в окружающую среду Q_п

Соответственно уравнение теплового баланса имеет вид:

Здесь энтальпия исходного раствора i_н = c_нt_н (с_н и t_н – его удельная теплоемкость и температура); энтальпия упаренного раствора i_к = c_кt_к (с_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:

где с′ – удельная теплоемкость воды при температуре t_к, кДж/(кг·град).

Отсюда

Подставляя значения i_н, i_к и G_кc_к в уравнение (5), получим

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

Первый член правой части уравнения (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 (7) может быть определен расход греющего пара:

где I_Г – с′θ = r (величина r – теплота конденсации греющего пара).

Входящая в уравнение (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 (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

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.