4. Робота випарної установки

Для розгляду технологічного процесу випаровування розглянемо технологічну схему, яка зображена на рисунку 34.

Початковий розчин подається по трубах граючої камери 1, де нагрівається до температури кипіння з утворенням парорідинної суміші, яка далі поступає у випарний апарат (сепаратор) 2.

В сепараторі 2 парорідинна суміш розділяється на пару розчинника і концентрований розчин.

Пари розчинника проходять через бризговловлювач 3 і виводяться з процесу з верху випарного апарату у вигляді парового потоку Gп.

Виділена бризговловлювачем рідка фаза з пари розчинника повертається в гріючу камеру 1 по циркуляційній трубі 4.

Сконцентрований розчин у вигляді потоку Gк виводиться знизу апарату.

Показник ефективності процесу – концентрація концентро-ваного розчину с_К.

Мета управління – забезпечення с_К = с_К^ЗД (на максимально можливому для даної установки значенні).

Отже, для управління даним технологічним процесом можна виділити такі характеристики:

Схема випарної установки природної циркуляції

з винесеною гріючою камерою

Рис. 34. Принципова схема випарної установки:

1 – гріюча камера; 2 – випарний апарат; 3 – бризговловлювач; 4 – циркуляційна труба

Таблиця 13

№ з/п	Назва параметру	Одиниця вимірю- вання	Номіналь-не зна-чення	Допус-тимі відхи- лення
1.	Абсолютний тиск всередині сепаратора випарного апарата	ат	0,6	±1
2.	Температура вторин-ної пари в сепараторі	0С	90	±2
3.	Тиск в середньому шарі випарюваного розчину	Па	7,595 . 104	±1
4.	Температура кипіння на середині кип’ятильних труб	0С	92	±2
5.	Тиск гріючої пари	ат	2,2256	±1
6.	Витрата теплоти на нагрівання	Вт	4,658 . 104	±3
7.	Витрата теплоти на випаровування	Вт	7,611 106	±3
8.	Витрата теплоти на підігрів початкового розчину	Вт	9,628 . 105	±1
9.	Витрата граючої пари	кг/с	0,45996	±1

5. Апаратна реалізація процесів випаровування

Процеси випаровування проводять під вакуумом, при підвищеному та атмосферному тисках. Вибір тиску залежить від властивостей розчину і можливості використання тепла вторинної пари. Якщо випаровування відбувається під вакуумом, то процес можна проводити за нижчих температур, що дуже важливо при концентруванні розчинів таких речовин, що здатні розкладатися за

п

146

ідвищених температур. Випаровування під вакуумом широко використовують для концентрування висококип’ячих розчинів, а також для концентрування розчинів з використанням теплоносія

невисоких параметрів. При цьому можна використати і вторинну пару самої випарної установки.

При випаровуванні під атмосферним тиском вторинна пара не використовується. Цей спосіб є найбільш простим, проте економічно не вигідним. При випаровуванні під тиском також можна використати вторинну пару як для випаровування, так і для інших потреб, не пов’язаних з процесом випаровування.

Випаровування під атмосферним тиском, а також випаровування під вакуумом здійснюють в однокорпусних випарних апаратах. Однак найбільш поширеними в промисловості є багатокорпусні випарні установки. Вони складаються з кількох випарних апаратів або корпусів, в яких вторинна пара кожного попереднього корпусу (циклу) направляється як нагрівач у наступний корпус. В цих установках первинною парою обігрівається тільки перший корпус. Таким чином, в багатокорпусних установках досягається значна економія первинної пари.

Сучасні випарні установки мають великі поверхні нагрівання, які досягають іноді 2000 м² в кожному корпусі і потребують багато тепла.

Схему багатокорпусної вакуум-випарної установки, яка працює за принципом прямоточного руху нагрівної пари і розчину, наведено на рис. 35.

Установка складається з трьох корпусів. Вихідний розчин, який попередньо нагрітий в підігрівачі 4 до температури кипіння, надходить у корпус 1, що обігрівається свіжою (первинною) парою).

Вторинна пара з цього корпусу направляється (як нагрівна) в корпус 2, де внаслідок зниженого тиску розчин кипить при меншій температурі, ніж у корпусі 1. Завдяки зменшеному тиску в корпусі 2 розчин, випарений у корпусі 1, переміщується самопливом в корпус 2 і тут нагрівається до температури кипіння (в корпусі 2). За рахунок тепла, що вивільнюється, додатково утворюється певна кількість вторинної пари. Таке явище, що відбувається у всіх корпусах, крім першого, називається самовипарюванням розчину. Аналогічно випарений розчин з корпусу 2 перетікає самопливом в корпус 3, який нагрівається вторинною парою, що надходить з корпусу 2. Вторинна пара з останнього корпусу відводиться в барометричний конденсатор 5, який через ловушку 6 сполучений з

Рис. 35. Багатокорпусна прямоточна вакуумна випарна установка

вакуум-насосом 7. В конденсаторі 5 (внаслідок конденсації пари) створюється необхідне розрідження. Витрата нагрівної пари на випаровування 1 кг води в багатокорпусних випарних установках наближено обернено пропорційна кількості корпусів.

Будова випарних апаратів. Конструкції випарних апаратів, які застосовуються в промисловості, залежать від поверхні нагрівання та її розміщення в просторі, від роду теплоносія, руху теплоносія і, особливо, вод типу і кратності циркуляції розчину.

Випарні апарати поділяють на прямоточні, в яких випаровування відбувається за один цикл руху розчину через апарат, та апарати з багаторазовою циркуляцією розчину. Крім того, розрізняють періодичні і безперервнодіючі апарати.

Найпростіші апарати з вільною циркуляцією розчину – це періодичнодіючі відкриті випарні чаші з паровими сорочками або закриті котли з сорочками, які працюють під вакуумом. Їх застосовують на невеликих виробництвах при випаровуванні агресивних розчинів, з яких випадає тверда фаза. Поверхня нагріву і, відповідно, навантаження цих апаратів є незначними.

Апарати з винесеною нагрівальною камерою. Розміщення нагрівальної камери поза корпусом апарата дає можливість підвищити інтенсивність випаровування не тільки внаслідок збільшення різниці густини рідини і парорідинної суміші, а й завдяки збільшенню довжини кип’ятильних труб. Апарат з винесеною нагрівальною камерою має кип’ятильні труби до 7 м завдовжки. Він працює за більш інтенсивної звичайної циркуляції. Винесена нагрівальна камера легко відокремлюється від корпусу, що значно полегшує і прискорює очищення та ремонт. Це дає змогу випаровувати в таких апаратах концентровані розчини, незважаючи на швидке забруднення поверхні теплообміну. Апарати такого типу дуже поширені в промисловості.

Апарати з винесеною зоною кипіння за основними показниками роботи є ще кращими. В них (рис. 36) розчин надхо-дить знизу в нагрівальну камеру 1 і, піднімаючись догори трубами завдожки 4-7 м, нагрівається, проте (внаслідок наявності гідростатичного тиску) в них не закипає.

149

Рис. 36. Випарний апарат з винесеною зоною кипіння

При виході з труб перегрітий розчин надходить у розширену догори трубу кипіння 2, яка встановлена в нижній частині сепаратора 3. Внаслідок значно нижчого гідростатичного тиску в цій трубі розчин закипає, пароутворення відбувається за межами поверхні нагрівання. Ці апарати мають велику швидкість циркуляції і пов’язані з цим велику продуктивність та інтенсивність теплообміну. Тому їх ефективно використовують для випаровування розчинів речовин, що кристалізуються.

Прямоточні (плівкові) апарати принципово відрізняються від апаратів зі звичайною циркуляцією тим, що випаровування в них відбувається при однократному проходженні розчину трубами нагрівальної камери без його циркуляції. Розчин випаровується, рухаючись у вигляді тонкої пліки внутрішньою поверхнею туб. У центральній частині труб вздовж їх осі рухається вторинна пара. Це різко знижує температурні витрати, які зумовлені гідростатичною депресією. Розрізняють прямоточні випарні апарати з плівкою, що піднімається, і апарати з плівкою, що опускається. Плівкові апарати застосовують переважно для випаровування слабов’язких розчинів, в тому числі й таких, що піняться або є чутливими до високих температур.

Роторні (механічні) прямоточні апарати використовують для випаровування термічно нестійких, в’язких і пастоподібних розчинів (рис. 37). Всередині циліндричного корпусу 1, що має парові сорочки 2, обертається ротор 3, який складається з вертикального валу і розміщених на ньому скребків 4. Розчин, що надходить в апарат згори, захоплюється скребками, які швидко обертаються. Під дією відцентрових сил він відкидається на стінки апарату, якими і переміщується у вигляді плівки.

Плівка поступово випаровується, а на стінках апарата залишається тонкий шар порошку або пасти, який знімається зазначеними скребками. Твердий або пастоподібний продукт видаляється через секторний затвор. У роторних апаратах досягається досить інтенсивний теплообмін, проте вони складні і неекономічні при експлуатації.

Барботажні випарні апарати застосовуються для випаровування агресивних і висококип’ячих розчинів, таких як сульфатна, хлоридна і фосфатна кислоти, розчини мірабіліту, магній хлориду тощо. При цьому випаровування здійснюється внаслідок безпосереднього контакту розчину з нагрітими інертними газами: топкові гази, нагріте повітря.

Барботажні випарні апарати – це апарати з металічним кожухом, який футерований зсередини корозійностійкими матеріалами, такими як діабаз, кераміка, кислотривка або шамотна цегла та ін. Барботажні труби виготовляються з термосиліду, графіту та інших матеріалів.

Рис. 37.Роторний прямоточний апарат

Ще ефективніше випаровування досягається у випарних апаратах з зануреними пальниками, що мають вогнетривку насадку. За принципом випаровування вони є аналогічними до барботажних випарних апаратів. У барботажних випарних апаратах коефіцієнти теплопередачі є значно вищими, порівняно з установками, в яких випаровування здійснюється через стінку.