выпаривание

ВЫПАРИВАНИЕ

осуществляют для концентрирования растворов, выделения растворенного вещества или получения чистого растворителя. В. подвергают преим. водные растворы нелетучих или малолетучих веществ.

В. происходит благодаря подводу теплоты извне (чаще всего используют водяной пар давлением до 1,2 МПа, который наз. греющим, или первичным) и непрерывному удалению образующегося при кипении раствора пара, наз. вторичным (при отборе на сторону наз. экстра-паром). Движущая сила В. — разность температур греющего пара и кипящего раствора, наз. полезной. Она всегда меньше разности между температурами первичного и вторичного паров, т. к. раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Указанное различие в температурах, наз. физ.-хим. (концентрационной, температурной) депрессией, определяется хим. природой раствора и часто достигает больших значений, возрастая с увеличением концентрации и внеш. давления. Например, в случае В. воды при 760 мм рт. ст. 50%-ный водный раствор NaOH кипит при 142,2 °C ( = 42,2 °C), 75%-ный раствор NaOH — при 192 °C (= = 92,0). Температура кипения раствора повышается также из-за более высокого давления в растворе, чем в паровом пространстве. Одна из главных причин повышения давления — гидростатич. давление раствора, или т. наз. гидростатич. депрессия, которая в среднем составляет= 1–3 °C.

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты (В. а.), работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). При работе под избыточным давлением повышается температура кипения раствора, поэтому возможности данного способа ограничены свойствами раствора и температурой теплоносителя. Разрежение в В. а. создается в результате конденсации вторичного пара в спец. конденсаторах, охлаждаемых водой или исходным раствором, и удаления неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. В. в условиях разрежения позволяет снизить температуру кипения раствора; применяется для концентрирования термочувствит. растворов, напр. лизина, послеспиртовых бард гидролизных производств, а также высококипящих растворов, напр. H₂SO₄.

В зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора В. а. делят на поверхностные (теплота передается от теплоносителя к раствору через стенку) и контактные, в которых происходит непосредственное соприкосновение теплоносителя с раствором.

Поверхностные выпарные аппараты. наиб. распространены В. а. с трубчатыми греющими камерами. В таких аппаратах раствор находится в трубном, а греющий пар — в межтрубном пространстве. Осн. достоинства: интенсивная теплопередача, многократное использование теплоты вторичного пара, высокая степень чистоты целевого продукта, возможность создания аппаратов большой единичной мощности, легкость удаления инкрустирующих отложений с поверхности кипятильных труб. Различают В. а. с многократной циркуляцией раствора (естественной и принудительной) и однократной — т. наз. однопроходные, или пленочные.

Движение раствора в В.а. с естественной циркуляцией (рис. 1,а, б, в) осуществляется благодаря разности плотностей парожидкостной смеси в зоне кипения и раствора вне ее (рис. 1,б) или вследствие увлечения жидкости всплывающими пузырьками пара (аппараты с кипением раствора в трубах камеры). Эти аппараты применяют для маловязких ( до 6–8 мПа∙с) растворов. Осн. характеристики: скорость циркуляции раствора обычно не более 1,0–1,5 м/с, = 15–25 °C, поверхность нагрева до 630 м², коэф. теплопередачи 1,2–1,8 кВт/(м∙К), продолжительность работы между промывкой или мех. очисткой 3–4 сут. Достоинство — отсутствие расхода электроэнергии; недостаток — зависимость интенсивности В. от тепловой нагрузки, которая снижается при загрязнении поверхности нагрева.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения (рис. 1,а, б) над греющей камерой установлена дополнит. подъемная труба (труба вскипания), которая обеспечивает высокую скорость естественной циркуляции. Кипение происходит в трубе (поскольку труба заполнена раствором, давление в греющих трубах выше, чем насыщенного вторичного пара при температуре раствора, на величину массы гидростатич. столба парожидкостной смеси). Эти аппараты предназначены для растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на поверхности нагрева значит. слой накипи (NaCl, Na₂CO₃, CaCO₃ и др.), а также при опреснении морской воды. Для насыщ. растворов хорошо растворимых солей, не выпадающих при концентрировании в осадок и не образующих накипи (напр., NaNO₂, NaNO₃, NH₄NO₃, KCl), применяют В. а., в кипятильных трубах которых раствор не только нагревается, но и кипит (рис. 1, в). Разновидность рассмотренных аппаратов — В. а. с двухходовой греющей камерой (рис. 1, г, д). Они не имеют циркуляционной трубы (ее роль выполняет часть трубного пучка камеры), менее металлоемки, занимают меньшую площадь (поверхность нагрева до 1600 м²). Эти аппараты используют для растворов веществ, растворимость которых возрастает с повышением температуры (напр., щелока в производстве хлора и каустич. соды, содово-поташные растворы в производстве глинозема).

_{Рис. 1. Поверхностные выпарные аппараты: а, б, в — с естественной циркуляцией; г, д — с двухходовой греющей камерой; е — с принудительной циркуляцией; ж, з, и — пленочные; 1 — греющая камера; 2 — сепаратор; 3 — брызгоуловитель; 4 — труба вскипания; 5 — циркуляционная труба; 6 — ротор; 7 — осевой насос.}

Для повышения интенсивности движения раствора и коэф. теплопередачи применяют В.а. с принудительной циркуляцией, создаваемой спец. осевым насосом (рис. 1, е). Такие аппараты служат для В. сравнительно вязких ( до 1 Па∙с) продуктов, напр. аммофосных пульп в производстве минеральных удобрений. Осн. характеристики: скорость циркуляции раствора 2,0–2,5 м/с, = 7–15 °C, поверхность нагрева до 1800 м², коэф. теплопередачи до 3 кВт/(м^2*К), продолжительность работы между промывкой или мех. очисткой до 30 сут. Важное достоинство — независимость интенсивности В. раствора от тепловой нагрузки. Недостатки: необходимость использования насосов, затраты электроэнергии на циркуляцию раствора.

Пленочные В.а. применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, напр. в производстве дрожжей, ферментов, антибиотиков, фруктовых соков, растворимого кофе. Концентрирование происходит в результате однократного движения тонкого слоя (пленки) раствора вместе с вторичным паром вдоль труб длиной 6–8 м (поверхность нагрева до 2200 м²). Различают: аппараты с прямоточным восходящим движением раствора за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, который движется снизу вверх с достаточно большой скоростью (рис. 1, ж); с нисходящим движением жидкости, свободно стекающей по повети нагрева (рис. 1, з); роторные, в которых раствор перемещается ("размазывается") скребками ротора по поверхности теплообмена (рис. 1, и). В роторных аппаратах концентрируют очень вязкие (до 20 Па∙с) термочувствит. вещества, напр. карбамид, желатину, капролактам, глицерин; в результате получают пасто- или порошкообразные продукты. Достоинства пленочных В.а.: отсутствие гидростатич. депрессии, малое гидравлич. сопротивление, высокий коэф. теплопередачи [до 2500 кВт/(м∙К)], большая производительность при относительно небольших объемах аппаратов и занимаемых ими площадях, малая продолжительность контакта раствора с поверхностью теплообмена. Недостатки: чувствительность к неравномерности подачи исходного раствора, трудоемкость очистки поверхности нагрева. Важное значение для эффективной работы В. а. имеет происходящее в его паровом пространстве, или сепараторе, отделение вторичного пара от капель концентрируемого раствора. Последние загрязняют пар, затрудняя использование его конденсата для питания паровых котлов ТЭЦ, а также служат причиной инкрустации (иногда значительной) поверхности нагрева и источником безвозвратных потерь концентрируемого раствора. Степень сепарации вторичного пара зависит от свойств раствора и интенсивности образования пены (обильное пенообразование повышает унос раствора паром). Низкое поверхностное натяжение и высокая вязкость раствора способствуют появлению пены. Присутствие в растворе взвешенных частиц сообщает пене устойчивость. Для уменьшения пенообразования к раствору иногда добавляют вещества, которые повышают поверхностное натяжение (напр., растит. масла, высшие спирты, керосин) или удаляют взвешенные вещества перед В. путем фильтрования раствора.

Унос может происходить также в результате попадания капель выпариваемого раствора в паровое пространство и их мех. захвата вторичным паром. Для предотвращения этого скорость пара в сепараторе должна быть сравнительно невелика (2–4 м/с), а высота парового пространства — достаточно большой (1,6–3,0 м), чтобы увлеченные паром капли жидкости успевали оседать под действием силы тяжести. Для улучшения сепарации пара применяют спец. ловушки, или брызгоуловители. Они действуют аналогично инерционным пылеуловителям или циклонам для очистки газов: брызги отделяются от пара вследствие резкого изменения скорости и направления его движения либо под действием центробежной силы.

Одно из условий нормальной работы В. а. — непрерывный отвод конденсата первичного пара. Накопление конденсата в греющей камере приводит к потере части активной повети нагрева и, следовательно, к снижению производительности аппарата. Для удаления конденсата без пропуска несконденсировавшегося (пролетного) пара применяют т. наз. конденсатоотводчики. Наиб. распространены поплавковые устройства, действие которых основано на различии плотностей пара и конденсата. При поступлении пара конденсат вытесняется из поплавка, открытого сверху или снизу; последний всплывает и при помощи штока закрывает пропускное отверстие.

Интенсивность работы В.а., особенно при переработке растворов веществ, которые образуют отложения на поверхности нагрева, в значит. степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэф. теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию раствора, м. б. причиной коррозии в сварных швах. Снижение коэф. теплопередачи компенсируют увеличением. Это достигается повышением давления греющего пара при постоянном давлении в аппарате или уменьшением, давления в аппарате при постоянных температуре и давлении первичного пара. Для сохранения неизменной производительности В. а. (при условии постоянства состава выпариваемого раствора и давления) температура греющего пара должна возрастать пропорционально продолжительности работы аппаратов. Последняя определяется количеством отложений на поверхности нагрева. Накипь удаляют путем периодич. промывки или мех. очистки В. а.

Контактные выпарные аппараты. Для химически агрессивных растворов, особенно при высоких температурах, напр. H₂SO₄, CaCl₂, Na₂SO₄*10H₂O (мирабилит), применяют аппараты с т. наз. погружным горением (рис. 2) — цилиндрич. емкости из углеродистой стали, футерованные кислотоупорной плиткой или гуммированные. В них топочные газы, используемые как теплоноситель, образуются в результате сжигания топлива (напр., прир. газа) в горелках, которые погружены в концентрируемый раствор. Эти газы барботируют через раствор и удаляются вместе с вторичным паром. Важное достоинство таких В. а. — отсутствие поверхности теплообмена, что обеспечивает сравнительно простое решение вопросов коррозионной стойкости материалов, из которых изготовлены аппараты. Недостатки: большой расход топлива, невозможность использования вторичного пара в качестве теплоносителя (удаляется в смеси с газами), загрязнение атмосферы топочными газами и продуктами уноса раствора паром.

_{Рис. 2. Выпарной аппарат с погружным горением: 1 — горелка; 2 — корпус.}

Для получения небольших масс продукта (неск. г или кг) в лаб. условиях обычно применяют стеклянные колбы, снабженные внутр. или внеш. конденсаторами.

Выпарные установки. Одноступенчатые установки м. б. непрерывного и периодич. действия. Последние отличаются более высокими коэф. теплопередачи, но сложнее в обслуживании, поскольку их нельзя полностью автоматизировать. В одиночных аппаратах выпаривают сравнительно небольшие количества растворов, напр. в производствах особо чистой NaCl, а также Na₂S, томатных паст, сгущенного молока. Образующийся вторичный пар для В. не используют. Упомянутый недостаток устранен в аппаратах с тепловым насосом. В них вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором, повышая т. обр. его температуру до температуры греющего пара. В первом случае используется практически полностью вторичный пар, расходуется только электроэнергия, однако возрастают стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Во втором случае вследствие добавления в систему первичного пара часть вторичного пара удаляется из цикла. Аппараты с тепловым насосом целесообразно применять для растворов, характеризующихся небольшими температурными депрессиями, при разрежениях в паровом пространстве 0,02–0,08 МПа и малых степенях сжатия вторичного пара (не более 2).

Расход греющего пара в одиночных В. а. весьма велик (1,20–1,25 кг на 1 кг выпариваемой воды). Для его уменьшения в промышленности широко применяют многоступенчатые установки (преим. непрерывного действия), состоящие из ряда последовательно соединенных одиночных аппаратов. В этих установках, работающих при постепенно понижающемся давлении (в последней ступени 8–12 кПа), первичным паром обогревается только первая ступень, а каждая последующая — вторичным паром предыдущей. Число ступеней определяется полезной разностью температур, физ.-хим. свойствами растворов и типом В.а. В установках, включающих аппараты с естественной циркуляцией и восходящим движением пленки раствора, которые эффективно работают только при значительной полезной разности температур, число ступеней обычно не превышает 3–5. При использовании В.а. с принудительной циркуляцией и со стекающей пленкой раствора, работа которых не зависит от температурного напора, число ступеней достигает 10 и более. Оптимальное число ступеней находится с учетом миним. стоимости единицы массы выпаренной воды.

В зависимости от направления относит. движения раствора и пара многоступенчатые установки делятся на прямоточные, противоточные, смешанного типа и с параллельным питанием ступеней. В наиб. простой по аппаратурному оформлению прямоточной установке раствор подается в первый аппарат и, перемещаясь последовательно через остальные под действием перепада давлений между ступенями, удаляется из последней. Достоинства этих установок: возможность переработки термолабильных растворов (напр., электролитич. щелоков, алюминатных и содово-поташных растворов в производстве кальциниров. соды), пониженный износ аппаратуры, небольшие потери теплоты с выпаренным раствором. Недостаток: переток раствора по мере его концентрирования в аппарат, находящийся под меньшим давлением; при этом снижается температура кипения раствора, но возрастает его вязкость, что приводит к уменьшению коэф. теплопередачи.

В противоточной установке выпариваемый раствор (напр., MgCl₂ или т. наз. оборотный рассол в производстве калийных солей) подается в последнюю ступень и удаляется из первой. При этом увеличение концентрации раствора сопровождается повышением температуры, вследствие чего коэф. теплопередачи по ступеням выше, чем при прямотоке. Недостатки такой установки: применение насосов между ступенями для подачи раствора из аппарата, работающего при меньшем давлении, в аппарат, находящийся под более высоким давлением; необходимость автоматич. регулирования уровня раствора в каждом В. а.

_{Рис. 3. Выпарная установка мгновенного вскипания: 1 — подогреватель; 2 — испаритель; 3 — конденсатор; 4 — вакум-насос; 5, 6, 7 — сборники соответственно конденсата, исходного и конечного растворов.}

В ряде случаев в последнем по ходу раствора аппарате требуется поддерживать высокое давление вторичного пара, что ограничивает число ступеней В. и, следовательно, кратность использования пара. Для ее увеличения применяют установки со смешанным направлением движения пара и раствора. Последний поступает в какой-либо из промежуточных В. а. и проходит через одну группу ступеней прямотоком, а через другую — противотоком, что дает возможность выделять одновременно неск. кристаллич. веществ [CaCO₃, CaSO₄, Mg(OH)₂]. Эти установки сочетают достоинства и недостатки прямо- и противоточных установок.

В установке с параллельным питанием раствор подают одновременно в каждую ступень, а сконцентрированный раствор последовательно отбирают из всех ступеней. Эти установки служат гл. обр. для В. растворов, состав которых мало изменяется в ходе процесса, а также для насыщ. кристаллизующихся растворов (напр., рассолов в производстве пищевой NaCl). В каждой ступени раствор выпаривается при постоянной концентрации с выделением соли в результате испарения части растворителя. Вторичный пар, получаемый в предыдущей ступени, обогревает последующую. Достоинство параллельного питания: наиб. простая система коммуникаций для подачи исходного и отбора конечного растворов. Недостаток: сравнительно низкие коэф. теплопередачи по ступеням, поскольку в каждой из них находится раствор с макс. конечной концентрацией растворенного вещества.

Спец. разновидность многоступенчатых выпарных установок — установки мгновенного вскипания, или с адиабатич. испарителями (рис. 3). Исходный раствор с помощью насоса последовательно движется через систему подогревателей, каждый из которых обогревается вторичным паром своего испарителя. Пройдя систему подогревателей, перегретый раствор вскипает в системе последовательно соединенных испарителей. Давление в них поддерживается таким, чтобы температура вторичного пара превышала температуру нагреваемого раствора в соответствующем подогревателе. Вторичный пар из последнего испарителя поступает на конденсацию, а сконцентрированный раствор — в сборники. Число ступеней испарения может достигать 30 и более, что обусловливает их работу при малых температурных напорах (2-3 °C). Конструкция и размеры испарителей полностью исключают перегрев раствора. Установки мгновенного вскипания применяют для растворов с малойпри невысокой степени их концентрирования, напр. при опреснении морской воды. Достоинства: отсутствие контакта выпариваемого раствора с поверхностью нагрева, что очень важно при В. кристаллизующихся растворов; простота изготовления; миним. число насосов для циркуляции раствора; компоновка из стандартных теплообменников и емкостей. Осн. недостаток: ограниченная степень концентрирования раствора за один проход (0,15–0,20).

Расчет процесса. Для расчета должны быть известны рабочие параметры: контролируемые — расход и концентрация исходного раствора, давления греющего и вторичного паров, температура кипения раствора; регулируемые — давления паров, уровень раствора в В. а., концентрация конечного раствора. Эти данные определяют на спец. пилотных установках, оснащенных одиночными В. а. Неизвестные параметры далее вычисляют на основе уравнений материального и теплового балансов, а также уравнения теплопередачи. Применительно к типичному процессу концентрирования раствора с выделением соли для одноступенчатой выпарной установки в общем виде имеем:

где C_исх-количество (расход) исходного раствора, G_к — количество сконцентрированного раствора, W_{в –} количество выпаренной воды, G_c-количество выделенной соли, W_кр,-количество кристаллизац. воды.

Тепловая нагрузка на одиночный В. а. в общем виде составляет:

где r_вп и r_кр-теплоты образования вторичного пара и кристаллизации соли, с_исх и t_исх-концентрация и температура исходного раствора, t_кип — температура кипения парожидкостной смеси, и — теплоты концентрирования в исходном и конечном растворах.

Поверхность нагрева аппарата и расход греющего пара соотв. составляют:

где К-коэф. теплопередачи, t_г.п и t_в.п — температуры греющего и вторичного паров, А_п = 1,02–1,05-коэф., учитывающий потери теплоты в окружающую среду, r_г.п. — теплота образования греющего пара.

При расчете многоступенчатой установки количество воды, выпариваемой в любой i-той ступени, составляет:

где D₁ — расход греющего пара, подаваемого в 1-ю ступень, X_i и Y_i — параметры, учитывающие физ.-хим. свойства раствора, а также направление относительного движения питания и пара.

Тепловая нагрузка на i-тую ступень и поверхность нагрева этой ступени соотв. составляют:

Общую и полезную разность температур определяют из уравнений:

где n_к-число ступеней, -потери температурного напора между ними.

Совершенствование техники выпаривания. Реализуются три осн. направления: 1) интенсификация теплообмена — применение развитых поверхностей нагрева, напр. в виде набора стальных пластин, тонкостенных (1,2–1,5 мм) и ребристых труб, а также труб со спец. турбулизаторами в форме внутр. кольцевых выступов или проволочных спиральных вставок; 2) снижение накипеобразования — использование, напр., затравочных кристаллов, способствующих массовой кристаллизации в объеме раствора, или антиадгезионных полимерных покрытий; 3) экономия энергозатрат — применение, напр., экстра-пара и конденсата для нагревания исходного раствора либо его предварительное концентрирование с помощью мембранного разделения.

^{Лит.: Таубман Е.И., Выпаривание, М., 1982; Перцев Л. П., Ковалев Е. М, Фокин В.С, Трубчатые выпарные аппараты для кристаллизирующихся растворов, М., 1982.}

_{Л. П. Перцев, Е. М. Ковалев, В. С. Фокин}