Выпаривание при повышенной температуре

Выпаривание – это концентрация раствора какого-либо нелетучего твердого вещества. Этот процесс происходит при обязательном условии кипения жидкости, когда растворитель начинает частично испаряться.

Выпаривание используют для того, чтобы иметь возможность провести дистилляцию (выделить растворенные вещества), кристаллизацию (нелетучие вещества выделяются в твердом состоянии) или концентрацию растворов нелетучих веществ.

Ярким примером выпаривания, когда из раствора выделяется чистый растворитель, является приведение к пресному состоянию морской воды. В этом случае получившийся водяной пар конденсируют и такую воду впоследствии применяют для разных целей.

Для того чтобы выпариваемые растворы нагревались до кипения, пользуются следующими способами:

• нагрев с помощью водяного пара;
• носители тепла с высокой температурой;
• электрический тип обогрева.

Водяной пар является самым популярным вариантом за счет своих высоких характеристик удельной теплоты конденсации и коэффициента теплоотдачи.

Выпаривание обычно осуществляют в специальном выпаривающем оборудовании, которое имеет свои виды по принципу действия.

Выпарные аппараты делятся на:

1. Непрерывно действующие
   В этом случае в аппарат непрерывно подают раствор, получают нужную концентрацию, а упаренный раствор также непрерывно из него выводят.
2. Периодические
   Периодическое выпаривание проводят с целью получения концентраций высокой степени при условии малой производительности оборудования. При этом в аппарат подают раствор, затем выпаривают его до нужного состояния концентрации, обязательно сливают и опять загружают новую дозу того же раствора.

В области химической промышленности чаще используются выпарные установки непрерывного действия, имеющие большую производительность из-за внушительной нагревающейся поверхности. Ее объем в одном аппарате может достигать до 2500 м2.

Однако в химической технологии не меньшей востребованностью пользуются и выпаривающие агрегаты поверхностного варианта, в частности, вертикальные трубчатые, отличающиеся непрерывным действием парового обогрева.

Выпарное оборудование также делят на несколько видов по принципу движения в них кипящей жидкости:

• приборы со свободной циркуляцией;
• приборы с естественной циркуляцией;
• приборы с принудительной циркуляцией;
• выпарные аппараты пленочного типа (к ним же относят оборудование роторного типа).

Аппарат с естественной циркуляцией, который имеет трубу вскипания и вынесенную нагревающую камеру. В данном приборе раствор циркулирует из-за разницы показателей плотности в отдельных местах аппарата. Раствор, подвергаемый выпариванию, нагревается, поднимаясь по трубам, и вскипает по мере своего подъема. Образовавшуюся смесь пара и жидкости определяют в специальный разделитель (сепаратор), где и проводят отделение паровой и жидкой фаз друг от друга.

При этом высота пространства, где образуется пар, обязательно должна удовлетворять условиям прохождения полной сепарации капель жидкости из пара, которые потом выбрасываются через кипятильные трубы. Далее вторичный пар снова пропускают через сепаратор и освобождают брызгоотделитель от капель, а сам раствор по циркуляционной трубе возвращается в нагревающую камеру.

В подобных аппаратах легче всего проходит очищение поверхности от разного рода отложений, потому что за счет открытой верхней крышки нагревающей камеры упрощается доступ к трубам.

Условия для особо активной циркуляции раствора создаются за счет того, что сама циркуляционная труба практически не нагревается, а плотность раствора в выносной циркуляционной трубе намного больше, чем в прочих циркуляционных трубах, которые размещены в нагревающих камерах. Это не дает образовываться на поверхности отложениям и обеспечивает относительно большую скорость циркуляции раствора.

Чтобы более детально понять, как происходит процесс выпаривания, имеет смысл рассмотреть, как устроены выпарные аппараты:

Все варианты конструкций выпарного оборудования, которое находит применение в промышленности, классифицируют:

• по виду нагревательной поверхности (змеевики, трубчатки или паровые рубашки);
• по виду теплоносителя (носители тепла с высокой температурой, электроток, водяной пар и т.д.);
• по расположению нагревательной поверхности (приборы, имеющие вертикальную, горизонтальную или и вовсе наклонную нагревательную камеру);
• в зависимости характера движения теплоносителя внутри или снаружи труб нагревательной камеры.

Однако более важным признаком для классификации всех выпарных аппаратов, считают кратность и вид циркуляции раствора, поскольку именно эти показатели лучше всего характеризуют интенсивность их работы.

В связи с этим выпарное оборудование делят на подвиды:

• выпарные аппараты со свободной (неорганизованной), естественной направленной и принудительной циркуляциями;
• прямоточные аппараты, где раствор выпаривается всего за один свой проход через аппарат, минуя циркуляцию раствора, и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора;
• в зависимости от того, как организован процесс выпаривания, выделяют аппараты с периодическим и непрерывным действием.

Самыми распространенными, считаются конструкции следующего оборудования:

Аппараты, имеющие центральную циркуляционную трубу и внутреннюю нагревательную камеру.

В нижнем отсеке вертикального корпуса агрегата есть специальная нагревательная камера. Она включает в себя циркуляционную трубу внушительного диаметра, которую устанавливают по оси камеры, и две трубные решетки, в которых закрепляют часто развальцованные кипятильные трубы примерной длинной 3-4 м. В пространство между нагревательной камерой и трубой подают горячий пар.

Раствор попадает в аппарат над решеткой верхней трубы и опускается вниз по циркуляционной трубе, а потом идет вверх по кипятильным трубам и вскипает на расстоянии от их нижних краев. Вот почему почти по всей длине труб смесь жидкости и пара идет вверх, наращивая содержание пара по мере движения.

Далее вторичный пар подается в сепарационное поле, где брызгоуловитель меняет направление потока пара, и от него, за счет действия сил инерции, отделяется унесенная влага. Затем вторичный пар удаляют через специальный штуцер вверху прибора, а упаренный раствор поступает в коническое дно аппарата, где его убирают через нижний штуцер как конечный или промежуточный результат.

Циркуляция раствора в подобном агрегате идет из-за разности его плотности в циркуляционной трубе и смеси жидкости и пара в кипятильных трубах. Необходимая разность плотностей объясняется тем, что поверхность обмена теплом каждой из кипятильных труб в соотношении с единицей объема упаренного раствора, намного превышает аналог циркуляционной трубы. Это происходит за счет того, что поверхность трубы имеет линейную зависимость от диаметра, а объем в ней жидкости прямо пропорционален квадрату диаметра. Вот и получается, что образование пара в кипятильных трубах должно проходить намного интенсивней, чем в циркуляционных аналогах, а вот плотность раствора в них становится ниже, чем в этом виде трубы.

Как результат происходит естественная циркуляция, которая улучшает передачу тепла и не дает накипи образовываться на поверхности при теплообмене.

В приборах такой конфигурации циркуляционная труба нагревается паром, как и кипятильная, а это уменьшает разность смеси жидкости и пара и плотностей раствора, что может привести к нежелательному образованию пара в циркуляционной трубе. Существенным недостатком таких аппаратов также является и жесткое крепление труб, которое не дает увеличить разность корпуса прибора и тепловых удлинений труб.

Агрегаты с выносной нагревательной камерой

При условии расположения нагревательной камеры не внутри, а вне корпуса прибора, появляется возможность увеличения интенсивности процесса выпаривания за счет повышения длины кипятильных труб, а также посредством увеличения разницы плотностей смеси жидкости и пара и жидкости в циркуляционном контуре.

Аппарат, имеющий выносную нагревательную камеру, содержит кипятильные трубы длиной до 7 м. Его работа при естественной интенсивной циркуляции объясняется тем, что сама циркуляционная труба не подвергается нагреву, а опускной и подъемный отсеки циркуляционного контура отличаются достаточно приличной высотой.

Выносную нагревательную камеру можно быстро отделить от корпуса прибора, это помогает облегчить ее ремонт и ускорить процесс ее чистки. Ремонт и проверку нагревательной камеры с легкостью проводят с помощью присоединения к корпусу двух нагревательных камер, не совершая при этом полную остановку агрегата (в этом случае лишь чуть-чуть временно снижается его производительность).

Начальный раствор подают под нижнюю решетку трубы нагревательной камеры, где он поднимается по кипятильным трубам и выпаривается, но иногда раствор подают сразу в циркуляционную трубу. Вторичный пар и жидкость разделяют в сепараторе, жидкость спускается по циркуляционной трубе, которая не подвергается обогреванию и перемешивается с начальным раствором, затем весь круг циркуляции происходит заново. Вторичный пар проходит через брызгоуловитель, и его убирают через верхнюю часть сепаратора, а упаренный раствор забирают через нижний штуцер как конечный или промежуточный результат.

Скорость циркуляции в оборудовании с выносной нагревательной камерой, порой, достигает до 1.5 м/с, поскольку это позволяет выпаривать кристаллизующиеся и концентрированные растворы, нисколько не боясь, что поверхность теплообмена быстро загрязнится.

Из-за своей гибкой универсальности, хорошей передаче тепла и удобству в использовании, хорошей теплопередачи именно такие приборы заслуженно получили широкое применение и большую популярность.

В некоторых видах конфигурации приборов с выносной нагревательной камерой нет циркуляционной трубы, и тогда они становятся аналогами прямоточных аппаратов с удаленной циркуляционной трубой. В таких условиях процесс выпаривания протекает за один прогон раствора сквозь нагревательную камеру. Однако с помощью выпарных аппаратов прямоточного вида не получится выпаривать кристаллизирующиеся растворы.

Приборы с выносными циркуляционными трубами

При использовании выпарных аппаратов с естественной циркуляцией раствора, ее можно усилить, если в опускном отсеке циркуляционного контура, сам раствор охлаждать. За счет таких манипуляций существенно увеличивается показатель скорости естественной циркуляции в данных аппаратах. Если циркуляционные трубы располагаются вне корпуса аппарата, то можно уменьшить диаметр нагревательной камеры в соотношении с камерой самого прибора, а также более компактно разместить циркуляционные трубы по периметру нагревательной камеры.

Конфигурации подобных аппаратов более сложны, однако в них можно получить более интенсивную передачу тепла и уменьшить расход металла на нагревательной поверхности, что намного целесообразнее, к примеру, в сравнении с приборами, в которых используется центральная циркуляционная труба или подвесная нагревательная камера.

Вертикальные агрегаты для выпаривания с естественно-направленной циркуляцией

С помощью приборов этого варианта, процесс выпаривания происходит при естественной и многократной циркуляции раствора. Эти аппараты имеют ряд преимуществ перед аппаратами других конфигураций, а потому и получили широкое применение в промышленности.

Главным плюсом подобного оборудования для выпаривания считается улучшение процента отдачи тепла в соотношении с раствором при его многократной циркуляции в замкнутом контуре, что сильно снижает отложение накипи на трубах. За счет того, что такие аппараты компактны, они занимают совсем мало производственного места и тем самым более удобны для проверки или ремонта. Развитие конфигурации подобных приборов происходит в области усиления естественной циркуляции, а это становится возможным с помощью увеличения разницы веса между смесью пара и жидкости в подъемном отсеке контура и столбов жидкости в опускной трубе.

Такую разницу достигают с помощью следующих мер:

• увеличение высоты подъемных (кипятильных) труб и интенсивности образования в них пара с целью понизить плотность смеси жидкости и пара, которая образуется из кипящего раствора;
• повышение качества естественного способа охлаждения циркуляционной трубы с целью повышения плотности опускающейся в ней жидкости;
• поддержание нужного уровня жидкости в опускной трубе с целью уравновесить столб смеси жидкости и пара при определенной скорости движения этой смеси в подъемных трубах.

Выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения

В аппаратах с естественной циркуляцией раствор движется со скоростью 0.2-1.5 м/с и, по этой причине становится невозможным предотвратить отложение на поверхности, где происходит теплообмен, твердых осадков. Именно поэтому аппарат приходится иногда останавливать для его очистки, а это значит, что снижается производительность прибора и растет стоимость использования.

В процессе выпаривания кристаллизирующихся растворов, загрязнение поверхности, на которой происходит теплообмен, можно значительно уменьшить, если повысить скорость циркуляции раствора и вынести зону его кипения за нагревательную камеру.

В приборе, где зона кипения вынесена, выпариваемый раствор проходит в нагревательную камеру снизу и когда поднимается по трубам вверх, он не закипает, за счет гидростатического давления. Выходя из кипятильных труб, он попадает в трубу вскипания в нижней части разделителя над нагревательной камерой. Из-за пониженного давления в данной трубе раствор вскипает и получается, что весь процесс образования пара протекает вне пределов нагрева.

Далее циркулирующий раствор спускается по наружной трубе, не подверженной нагреву, а упаренный раствор отводится из специального кармана в нижнем отсеке сепаратора. Вторичный пар проходит отбойник, брызгоуловитель и, его удаляют с поверхности аппарата. Затем исходный раствор поступает в нижний отсек аппарата под решетку трубы нагревательной камеры, или в саму циркуляционную трубу сверху.

Кипящий раствор в этом случае не имеет точек соприкосновения с поверхностью, где происходит теплообмен, что снижает отложение накипи, а из-за широкой поверхности испарения, которая получается за счет объема кипящего раствора и некоторого самостоятельного испарения капель, уносимых с вторичным паром, намного снижается брызгоунос.

Из-за большого перепада температур между раствором и нагревающим паром, а также небольшого снижения напора в области кипения, скорость циркуляции в таких аппаратах развивается до 1.8-2 м/с. Подобный рост скорости увеличивает производительность и интенсивность теплообмена, что отражают коэффициенты теплопередачи. В таком оборудовании они имеют величину дот 3000 вт/.

Приборы для выпаривания с вынесенной зоной кипения эффективно применяют при выпаривании кристаллизующихся растворов с умеренной вязкостью.

Где применяют выпарные аппараты:

Конфигурация выпарного аппарата должна соответствовать установленным требованиям и иметь:

• простоту устройства;
• надёжность в использовании;
• высокую производительность и активность теплопередачи при возможно меньших объемах прибора и расходе металла на его производство;
• легкость очистки поверхности теплообмена;
• удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Выбор материала выпарного прибора и его конфигурации также определяется в каждом индивидуальном случае химическими и физическими свойствами самого выпариваемого раствора:

• кристаллизуемость;
• температурная депрессия;
• термическая стойкость;
• химическая агрессивность;
• вязкость и др.

Высокие показатели коэффициентов теплопередачи и производительности получают за счет повышения скорости циркуляции раствора, но в качестве побочного эффекта увеличивается расход энергии на процесс выпаривания и снижается необходимая разность температур, поскольку при постоянном режиме температуры нагревающего пара с одновременным ростом гидравлического сопротивления, растет и температура кипения раствора. И эти противоречия должны обязательно учитываться при экономическом и техническом сравнении при выборе типа аппарата.

При проведении выпаривания растворов с маленькой вязкостью (~8*10-3 Па) без кристаллизации, используются выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией вертикального типа.

Лучшими из них себя зарекомендовали приборы с выносными циркуляционными трубами, которые не обогревают, и такого же типа нагревательной камерой.

Выпаривание растворов без получения кристаллов с большой вязкостью (до ~0.1 Па), обычно проводят в оборудовании с принудительной циркуляцией и чуть реже – в роторных аппаратах прямоточного типа или варианте аналогичных приборов с падающей плёнкой.

В роторных аппаратах прямоточного типа образуются более благоприятные обстоятельства для выпаривания растворов, которые имеют особую чувствительность к высоким температурам.

Приборы для выпаривания с принудительной циркуляцией чаще всего применяются для выпаривания вязких растворов или получения кристаллов. Такие растворы имеют достаточную эффективность выпаривания и в приборах с вынесенной зоной кипения, которые работают в условиях естественной циркуляции. Подобные аппараты при получении кристаллов из кристаллизирующихся растворов, могут составить достойную конкуренцию выпарному оборудованию с циркуляцией принудительного типа.

Если же растворы сильно пенятся, имеет смысл использовать приборы для выпаривания с поднимающейся пленкой.

Кожухотрубчатые теплообменники
Пластинчатые теплообменники
Теплообменное оборудование
Кожухотрубные теплообменники Mag grimma