Портнов В.В. Выпаривание. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

но отличается низкими экономическими показателями, так как

в ней также невозможно использовать теплоту раствора.

Таким образом, наиболее целесообразным способом яв-

ляется способ кристаллизации в многоступенчатой вакуум-

кристаллизационной установке.

В этих установках можно при высоких технико-

экономических показателях получить продукт высокого каче-

ства Высокие экономические показатели в многоступенчатых

вакуум-кристаллизационных установках достигаются за счет

использования тепла пара, получающегося в кристаллизато-

рах. Единственным потребителем этого тепла в пределах ваку-

ум-кристаллизационной установки является подогреватель ис-

ходного раствора. Чем больше ступеней в вакуум-

кристаллизационной установке, тем выше при заданной тем-

пературе исходного раствора параметры пара в первой ступе-

ни. Поэтому с увеличением числа ступеней установки увели-

чивается возможная температура нагрева раствора за счет теп-

ла пара, а, следовательно, увеличивается доля используемого

пара.

6.2. КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ

В соответствии с методом кристаллизации аппараты

можно разделить на кристаллизаторы типа выпарных аппара-

тов и кристаллизаторы-охладители, работающие под вакуумом

или при охлаждении раствора с помощью хладоносителей.

В зависимости от требуемой производительности при-

меняют кристаллизаторы периодического и непрерывного

действия.

При небольших расходах раствора на кристаллизацию

применяют кристаллизаторы периодического действия. В них

перемешивание охлаждаемого змеевиками раствора произво-

дится специальными устройствами типа лопастных мешалок.

Рис. 27. Вакуум-кристаллизационный аппарат

В установках непрерывного типа чаще всего использу-

ются вакуум-кристаллизаторы (рис. 27). Он состоит из испари-

теля 1, барометрической трубы 2, сборника 3 и центробежного

насоса 4. Удаление части растворителя производится под ва-

куумом, который создается с помощью пароэжекторных или

водокольцевых вакуум-насосов. Циркуляция раствора обеспе-

чивается центробежным насосом. Насыщенный раствор насо-

сом нагнетается в испаритель, где за счет внезапного расшире-

ния и пониженного давления происходит самовскипание рас-

твора, сопровождающееся выделением паров растворителя и

образованием зародышей кристаллов растворенного вещества.

Затем смесь «маточного» раствора и кристаллов опускается в

сборник, где кристаллы оседают на дно а маточник подается

на дальнейшую упарку (как правило, в следующую ступень

установки).

При пересыщении раствора путем выпаривания части

растворителя возникают две области: лабильная, в которой

происходит образование центров кристаллизации, и метаста-

бильная, где происходит рост кристаллов. Регулируя метаста-

бильное пересыщение изменением скорости перемешивания

раствора, можно создать условия, при которых скорость роста

кристаллов будет наибольшей при данной скорости обра-

зования кристаллов.

Тепловой и конструктивный расчеты кристаллизаторов

периодического действия сводятся к определению площади

поверхности теплообмена холодильников, при которых обес-

печивается требуемый режим кристаллизации. Вакуум-

кристаллизаторы рассчитываются на количество выделивше-

гося в кристаллическом виде вещества при подаче определен-

ного количества исходного раствора с начальными температу-

рой и концентрацией и последующего изменения расхода,

температуры и концентрации вследствие снижения давления

на определенную величину.

7. УСТАНОВКИ АДИАБАТНОГО ИСПАРЕНИЯ

Для концентрирования растворов могут использоваться

установки адиабатного испарения, или, как их еще называют,

установки мгновенного испарения - УМИ. В этих установках

концентрирование раствора осуществляется путем испарения

перегретой жидкости, подаваемой в камеру, давление в кото-

рой ниже давления насыщения, соответствующего температу-

ре поступающей в камеру жидкости. Название «мгновенное

испарение» неточно характеризует процесс в этих установках,

так как испарение перегретой жидкости протекает быстро, но с

конечной скоростью.

Схема одноступенчатой УМИ представлена на рис. 28.

Исходная жидкость насосом прокачивается через конденса-

тор-регенератор 2, где предварительно нагревается образую-

щимися при испарении парами. Далее раствор подается в го-

ловной подогреватель 3, из которого направляется в камеру

испарения 4. Образующийся в камере пар проходит через се-

паратор 8 и направляется в конденсатор 2. Из камеры испаре-

ния раствор подается частично на рециркуляцию, а частично -

на последующую стадию технологического процесса. Дистил-

лят, стекающий в поддон 6, насосом 7 направляется потреби-

телю.

УМИ могут быть прямоточными (без рециркуляции) и

рециркуляционными (рис. 28). В прямоточных УМИ степень

концентрирования раствора невысока, потому они использу-

ются достаточно редко.

В установках мгновенного испарения процесс вскипа-

ния перегретой жидкости осуществляется в камерах испаре-

ния. В конденсаторах и головном подогревателе производится

нагрев жидкости без испарения. Вследствие этого накипеобра-

зование уменьшается, однако не исчезает полностью. Для

снижения накипеобразования в УМИ используются методы,

указанные в [7]. Широко используется также метод кислотной

обработки воды.

Камеры адиабатного испарения наиболее простой кон-

струкции представляют собой вертикальные или горизонталь-

ные цилиндры. Конденсаторами служат парожидкостные теп-

лообменники. Раствор перетекает из камеры в камеру через

гидрозатворы или дросселирующие устройства. Дистиллят же

из теплообменника в теплообменник перетекает под действием

разности давлений. Установки такого типа громоздки и метал-

лоемки, несмотря на простоту конструкции. Широкое распро-

странение при создании УМИ получили компактные коробча-

тые конструкции.

Рис. 28. Одноступенчатая адиабатная выпарная установ-

ка с рециркуляцией раствора

Схемы УМИ весьма разнообразны. Их можно класси-

фицировать по следующим признакам. По числу ступеней ис-

парения они делятся на одноступенчатые и многоступенчатые;

по числу контуров циркуляции - на одноконтурные и много-

контурные; по числу каскадов испарения - на однокаскадные

и многокаскадные; по типу головного подогревателя - с по-

верхностным подогревателем и с контактным.

В установках адиабатного испарения по мере движения

раствора в трубах конденсаторов и головного подогревателя

температура его растет. Если раствор содержит компоненты с

отрицательной растворимостью (например, сульфат кальция),

то с ростом температуры растворимость соли существенно

уменьшается, и она может кристаллизоваться, особенно при

работе УМИ в режимах предельного концентрирования. При

этом в одноконтурных и двухконтурных установках зачастую

не удается предотвратить отложения на поверхностях нагрева.

С ростом температуры подогрева раствора степень концентри-

рования в УМИ уменьшается; ее можно существенно повысить

при использовании специальных многоконтурных схем. На

рис. 29 представлена схема современной многоконтурной

УМИ, в каждом контуре которой устанавливается определен-

ная концентрация. В контурах, работающих при высоких тем-

Рис. 29. Многоступенчатая адиабатная выпарная уста-

новка

пературах, концентрация меньше, чем в тех, что работают при

низких температурах. При этом создаются условия для суще-

ственного повышения степени концентрирования растворов

Удельный расход тепла на производство 1 кг дистилля-

та составляет для современных УМИ 240 - 280 кДж/кг. Проек-

тируются промышленные УМИ, в которых удельный расход

тепла составит до 100 кДж/кг.

Степень концентрирования раствора в УМИ ограниче-

на. Повышение ее интенсифицирует процесс отложения солей

на поверхностях нагрева конденсаторов и головного подогре-

вателя. Применение методов, предотвращающих отложения,

не обеспечивает существенного повышения степени концен-

трирования в этих установках. Для уменьшения отложений и

повышения степени концентрирования в УМИ предусматри-

вают следующие мероприятия: повышение скорости движения

раствора в трубах; замену головного подогревателя поверхно-

стного типа контактным; применение многоконтурных схем.

С повышением скорости раствора в трубах отложения

солей на поверхностях нагрева уменьшаются, теплопередача

интенсифицируется, однако возрастает расход электроэнергии.

Оптимальное значение скорости рассчитывают в процессе

технико-экономической оптимизации установки.

Подробно об установках адиабатного испарения, а так

же о методах их расчета в [3, 4]

8. ОБЛАСТИ ПРИМЕНИМОСТИ РАЗЛИЧНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК

В целях рационального использования теплоэнергети-

ческих ресурсов при концентрировании жидкостей важно

знать области применения различных конструкций выпарных

аппаратов и установок, в которых процесс выпаривания рас-

творов становится эффективным и экономичным.

При удалении паровой фазы концентрация раствора бу-

дет непрерывно увеличиваться. Изменение содержания воды в

растворе

по отношению к массовой концентрации раствора

можно представить в виде зависимости

 

y f x

В процессе выпаривания раствора содержание воды

уменьшается и, в конечном результате, достигается соотноше-

ние

СУХ

y 100 ,



(47)

где

В СУХ

G , G

- масса растворителя (воды) и растворенно-

го (сухого) вещества, кг.

Масса воды в остатке упаренного раствора

В КОН СУХ

G G G ,

(48)

где

КОН

- масса продукта (концентрата), кг.

Подставляя выражение (48) в (47), получаем

КОН

СУХ

y 1.



(49)

Для любого раствора при концентрации

, %, содер-

жание растворенного вещества определяют по формуле

СУХ КОН

G 0.01G x

. Если из этой формулы выразить

подставить в (49), то получится

100 100 x

y 1 .



  

(50)

Уравнение (04) показывает, что каждой концентрации

соответствует определенное значение

при условии, что

выпаривание ведется без уноса раствора с паровой фазой. По-

этому, задаваясь концентрацией растворенного вещества в ко-

нечном растворе, можно графически получить кривую (рис.

30), характеризующую зависимость

 

y f x

Известно, что выпаривание раствора в одном аппарате

от концентрации 3 % до полного насыщения экономически не-

целесообразно. Практика показала, что этот процесс при сла-

бых растворах (

<3 %) необходимо выполнять в аппаратах

мгновенного испарения, которые принято называть опресни-

тельными установками.

Для выпаривания растворов с начальной концентрацией

5-10 % применяют многокорпусные выпарные установки по-

верхностного типа. Число корпусов вычисляют, исходя из ми-

нимальных затрат на сооружение и эксплуатацию выпарных

установок.

При разработке технологической схемы выпарной уста-

новки придерживаются принципа непрерывности процесса в

каждом корпусе, который выражается соотношением

НАЧ



(51)

где

НАЧ

W, G

- расход выпаренной воды из раствора и ис-

ходного раствора, поступающего на выпаривание, кг/с.

Величина



всегда меньше единицы, поэтому его

можно представить в виде тангенса угла, определяющего сту-

пени выпаривания раствора на кривой для каждого значения

концентрации

(см. рис. 30). Бели принять

0.6

, то пря-

Рис. 30. Области применимости различных типов выпар-

ных установок