Тема 2. Процеси випаровування та їх апаратна реалізація

1. Фізико-хімічні основи процесу випаровування

Випаровуванням називається процес концентрування розчинів нелетких речовин, що полягає в частковому видаленні розчинника шляхом випаровування при кипінні.

Випарні установки широко застосовуються для концентрування розчинів у хімічній, харчовій та інших галузях промисловості для термічного опріснення солоних вод, постачання підприємств гріючою парою (за рахунок відбору вторинної пари), забезпечення котельних установок і інших технологічних промислових споживачів гарячими конденсаційними водами.

Існує три методи випаровування розчинів:

1) пароутворення на поверхні теплообміну;

2) адіабатне випаровування, при якому концентрування розчину здійснюється шляхом випаровування перегрітої рідини, що подається в робочу камеру, тиск, який є нижчим від тиску насичення, що відповідає температурі рідини, яка надходить у камеру;

3) випаровування під час контакту з теплоносієм, тобто без зіткнення розчину з поверхнею нагрівання.

В хімічній промисловості широко застосовуються випарні установки поверхневого типу, які за технологічними ознаками поділяють на декілька груп:

1. За числом ступенів розрізняють одноступінчаті і багатоступінчаті установки; при цьому на одному ступені можуть бути один, два і більше паралельно включених апаратів випарної установки.

2. За тиском вторинної пари в останньому корпусі (ступені) визначають:

а) випарні установки з дуже глибоким вакуумом в останньому корпусі (ступені) – до 90% – і конденсатом для підтримки цього вакууму;

б) випарні установки з підвищеним тиском в останньому корпусі (ступені);

в) випарні установки з погіршеним вакуумом.

3. За способом підведення первинної теплоти виділяють:

а) випарні установки з одним джерелом первинної теплоти;

б) випарні установки з двома джерелами теплоти;

в) випарні установки з тепловими насосами.

4. За технологією обробки розчину розрізняють:

а) одностадійні випарні устноавки, в яких розчин при випаровуванні не відводиться для інших проміжних операцій обробки;

б) дво- і більше стадійні випарні установки, в яких розчин після одного з проміжних ступенів може бути спрямований для додаткової обробки (осадження, центрифугування тощо), а потім знову надходить на довипаровування в наступний ступінь (корпус).

5. За відносним рухом гріючої пари і розчину, що випаровується, виділяють:

а) прямоточні випарні установки; б) протитечійні випарні установки; в) випарні установки з паралельним живленням корпусів; г) випарні установки з відпусканням частини вторинних парів (екстра парів) сторонім споживачам; д) випарні установки зі змішаним живленням корпусів.

Випарні апарати, що входять у випарні установки поверхневого типу, класифікуються в такий спосіб:

1. За принципом функціонування їх поділяють на апарати періодичної та безперервної дії.

2. За первинним теплоносієм – на апарати з паровим, газовим (продукти згорання, гаряче повітря тощо), рідинним (вода, олія тощо) теплоносієм, а також з електричним обігрівом. В промисловій практиці найчастіше застосовують обігрів парою, що забезпечує високий коефіцієнт тепловіддачі поряд зі зручністю регулювання процесу.

3. За поєднанням стадій нагрівання і пароутворення – на апарати, в яких ці стадії поєднані, апарати з винесеною зоною пароутворення і апарати з винесеною поверхнею нагрівання.

4. За рухливістю поверхні нагрівання – на апарати з нерухомою і рухомою поверхнями нагрівання. Рухливість поверхні нагрівання забезпечується її „обертанням” або „вібрацією”.

5. За способом організації руху робочого розчину – на апарати з природною і примусовою циркуляцією, а також одноразові і багаторазові апарати.

6. За розташуванням зони випаровування – на апарати, в яких випаровування розчину здійснюється або всередині труб, або в об’ємі апарату. При цьому рідина може знаходитися зовні поверхні нагрівання або ж всередині її.

7. За ступенем заповнення перерізу труб – на апарати з заповненим і незаповненим перерізом. До останніх відносяться апарати зі вставками і плівкові апарати. Плівкові випарні апарати знаходять в даний час все більше застосування завдяки тому, що володіють високою інтенсивністю теплообміну при малих температурних напорах. За способом руху плівки такі апарати діляться на апарати з нисхідною і висхідною плівками, а також апарати з плівкою, що рухаються під дією відцентрованих сил.

8. За напрямом руху пари і рідини – на апарати, в яких рідина рухається згори донизу або знизу догори.

9. За орієнтацією поверхні нагрівання – на апарати, в яких поверхні нагрівання розташовуються вертикально, горизонтально або похило.

Випарний аппарат повинен задовольняти певні технологічні і загальноконструктивні вимоги та мати оптимальні технологічні і техніко-економічні показники.

До технологічних вимог відносять можливість дотримання необхідного режиму (температура, тиск, час перебування розчину в апараті), отриманя напівпродукту або продукту необхідної якості і необхідної концентарції, чутливість до змін навантажень тощо.

До загальноконструктивних вимог відносяться: простота і компактність апарата, надійність у роботі, технологічність виготовлення, монтаж і ремонт, зручності очищення, можливість зосередження великої поверхні в одиниці виміру.

До оптимальних технічних і техніко-економічних показників відносяться: висока інтенсивність тепловіддачі (високе значення коєфіцієнта теплопередачі), мала вага, невисока вартість одного квадратного метра поверхні нагрівання, невисока вартість експлуатації.

Між окремими факторами, що впливають на вибір конструкції апарата, можуть виникати протиріччя. Так, наприклад, вимога про досягнення високих коефіцієнтів теплопередачі в апаратах з багаторазовою циркуляцією пов’язана зі збільшенням швидкості циркуляції, але це досягається або підвищенням параметрів гріючої пари або застосуванням примусової циркуляції. В обох випадках вартість енергії, яка витрачається на випаровування, збільшується. В таких випадках необхідні порівняльні техніко-економічні розрахунки.