Циркуляционной трубой

1 – нагревательная камера; 2 – сепаратор;3 – брызгоотбойник; 4 – каплеуловитель; 5 – штуцер для подачи исходного раствора; 6 – штуцер для вывода упаренного раствора; 7 – штуцер для ввода греющего пара; 8, 9 – штуцера для отвода конденсата и вторичного пара соответственно

Из кипятильных труб пар выбрасывается с большой скоростью и ударяется о брызгоотбойник. Большие капли возвращаются вниз, мелкие улавливаются каплеуловителем и возвращаются в раствор.

Достоинством однокорпусного выпарного аппарата является простота конструкции, а недостатком – большие энергозатраты, поскольку пар выбрасывается в атмосферу.

Материальный и тепловой баланс выпарного аппарата

Материальный и тепловой баланс для непрерывного процесса записывают при допущении, что отсутствует унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими из кипящего раствора во вторичный пар. Для этих условий материальный баланс по общему количеству продуктов представляют в следующем виде:

, (10.1)

по нелетучему продукту

, (10.2)

где G_н, G_к – расходы соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с;х_н и х_к – концентрации соответственно растворенного продукта в исходном и упаренном растворе, кг продукта на 1 кг раствора;W – выход вторичного пара, кг/с.

Из уравнений (10.1) и (10.2) можно определить расход упаренного раствора и выход растворителя (вторичного пара):

, (10.3)

, (10.4)

а также конечную концентрацию упаренного раствора:

. (10.5)

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса, записанного в следующем виде:

, (10.6)

где D – расход греющего пара, кг/с;I_г, I_в.п. – энтальпии соответственно греющего и вторичного паров, Дж/кг;I_н, I_к, I_г.к. – энтальпии соответственно исходного и упаренного растворов и конденсата греющего пара, Дж/кг;Q_п – расходы теплоты в окружающую среду, Дж/с.

В упрощенном виде запишем тепловой баланс смешения упаренного раствора и испаренной воды при температуре кипения t_кип., сделав допущение о постоянстве теплоемкости раствора в интервале температур от t_н до t_к, в виде:

, (10.7)

где С_н, С_к, С_в – теплоемкости соответственно исходного, упаренного растворов и растворителя, Дж/кг;Q_конд. – теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от Х_н до Х_к, Дж/с.

Теплота концентрирования численно равна теплоте растворения, но с обратным знаком.

Многократное выпаривание

В случае многократного выпаривания вторичный пар используется в качестве греющего в последующем аппарате. В зависимости от взаимного направления пара и раствора установки бывают: прямоточные, противоточные и комбинированные.

Прямоток

Принципиальная схема прямоточной трехкорпусной выпарной установки изображена на рис. 10.3.

Достоинства прямотока: упаренный раствор от корпуса к корпусу перемещается самотеком вследствие разного давления.

Во втором и третьем корпусах выпаривание происходит за счет перегрева поступающего раствора (самоиспарение). Поскольку давление в последующем корпусе меньше, следовательно, температура кипения раствора в нем ниже, и в процессе охлаждения происходит дополнительное испарение растворителя.

Недостатком является то, что происходит понижение температуры кипения и повышение концентрации, это, в свою очередь, способствует увеличению вязкости раствора и снижению теплоотдачи при кипении, а следовательно, и снижению коэффициента теплопередачи. В результате увеличивается общая поверхность теплопередачи.

Рис. 10.3. Трехкорпусная прямоточная выпарная установка

T_к1>T_к2>T_к3 – температуры кипения растворов по корпусам;

Р₁> Р₂> Р₃ – абсолютные давления в аппарате по корпусам;

в₃>в₂>в₁ – концентрации упариваемого раствора по корпусам

Противоток

Принципиальная схема противоточной двухкорпусной выпарной установки изображена на рис.10.4.

Достоинство  более концентрированный раствор выпаривается при более высоком давлении и, соответственно, температуре, это, в свою очередь позволяет уменьшить поверхность нагрева.

Недостаток  отсутствие естественной циркуляции раствора, следовательно, возникает необходимость включения в схему насосов для перекачивания концентрированного раствора из корпуса в корпус.

Недостатки прямоточных схем менее существенны, чем противоточных, поэтому первые получили большее распространение в промышленности.

Рис.10.4. Двухкорпусная противоточная выпарная установка

Однократное выпаривание проводится в установке, показан­ной на рис. 10.5. Такие установки применяются в малотоннаж­ных производствах. Однократное выпаривание может проводиться непрерывно или периодически. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не используется, а конденси­руется в конденсаторе.

Основными аппаратами установки являются выпарной аппа­рат, подогреватель, барометрический конденсатор и насосы.

Выпарной аппарат состоит из верхней части — сепаратора и нижней — греющей камеры, которая представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В трубчатом пространстве находит­ся кипящий раствор, а в межтрубчатое подается греющий пар. В сепараторе с отбойниками происходит отделение капелек от вторичного пара, которые затем конденсируются. Конденсат вместе с охлаждающей водой удаляется через барометрическую трубу в колодец. Концентрированный раствор с заданной концентрацией х_кнепрерывно откачивается из нижней части выпар­ного аппарата в хранилище готового продукта.

Рис. 10.5. Установка однократного выпаривания непрерывного действия:

1, 8 — насосы; 2 — расходомер; 3 — теплообменник; 4 — выпарной аппарат; 5 — барометрический конденсатор; 6 — ловушка; 7 — барометрическая труба