В настоящее время наибольшее распространение получили вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом, схема устройств которых представлена на рис. 10.1.
Рисунок 10.1 –Схема устройства выпарного аппарата: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба
|
В первоначальный момент аппарат заполнен холодным раствором до уровня, указанного на рис. 10.1. При подаче пара в греющую камеру 1 раствор, находящийся в трубках, начинает нагреваться. Поскольку плотность раствора с увеличением температуры уменьшается, возникает разность плотностей у раствора, который находится в трубках греющей камеры и циркуляционной трубе. Под действием этой разности плотностей раствор начинает двигаться по контуру: греющая камера 1 ® сепаратор 2 ® циркуляционная труба 3 в направлении, указанном стрелками. При движении увеличивается коэффициент теплоотдачи со стороны раствора, соответственно, увеличивается его температура, что приводит к дальнейшему возрастанию скорости потока, и так до начала кипения раствора. Начиная с момента вскипания раствора, скорость циркуляции резко возрастает, так как в трубках греющей камеры образуется паро -растворная эмульсия, плотность которой значительно меньше плотности раствора. Однако при увеличении скорости циркуляции возрастают гидравлические сопротивления, и в итоге при скорости движения порядка 1 ¸ 1,5 м/с наступает динамическое равновесие и скорость циркуляции стабилизируется.
Отделение пара от брызг раствора происходит в сепараторе выпарного аппарата 2. Очищенный вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора, а выпаренный раствор удаляется через штуцер в нижней части аппарата. Для поддержания постоянного уровня раствора в аппарат постоянно подают исходный раствор.
Однокорпусные выпарные установки
Однокорпусная выпарная установка включает лишь один выпарной аппарат, в который поступает греющий пар и исходный раствор; в результате выпаривания получается концентрированный раствор и вторичный пар. В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.
Выпарные аппараты непрерывного действия
Выпарным аппаратам напрерывного действия всегда отдается предпочтение, особенно для больших производительностей. В аппаратах этого типа наблюдается установившийся во времени процесс; греющий пар и исходный раствор поступают непрерывно; при этом удаляется постоянное количество концентрированного раствора, непрерывно отводится конденсат греющего пара и вторичный пар.
Материальный баланс
Материальный баланс выпарного аппарата может быть представлен следующими уравнениями:
; (10.3)
; (10.4)
, (10.5)
где 
– расход исходного и упаренного раствора, кг/с; 
– концентрация исходно и упаренного раствора, масс. доли; 
– расход выпаренной воды.
При выпаривании водных растворов с выделением кристаллизующихся веществ:
, (10.6)
где 
– начальная и конечная концентрация выделяемой соли соответственно масс. доли.
Количество выделившейся соли определяют по уравнению
. (10.7)
При выпаривании насыщенных бинарных солевых растворов с выделением твердой фазы уравнения материального баланса имеют вид:
; (10.8)
, (10.9)
где 
– концентрация соли при температуре насыщения, масс. доли; 
– соотношение количеств твердой фазы и жидкой в выводимой суспензии.
Тепловой баланс
Тепловой баланс выпарного аппарата составляем на основании схемы его устройства (рис. 10.1):
| Приход тепла: | Расход тепла: | ||
| с исходным раствором, |  ;
| с упаренным раствором, |  ;
|
| с греющим паром, |  .
| с вторичным паром, |  ;
|
| с конденсатом, |  ;
| ||
| теплота концентрирования, |  ;
| ||
| потери тепла, |  .
|
Приравниваем приход и расход тепла:
, (10.10)
где – производительность по исходному и упаренному раствору соответственно, кг/с; 
– удельная теплоемкость исходного и упаренного раствора соответственно, Дж/(кг×К); 
– температура исходного раствора и температура кипения раствора, соответственно, °С; 
– расход греющего пара и конденсата греющего пара, кг/с; 
– энтальпия греющего пара, Дж/кг; 
– энтальпия конденсата греющего пара, Дж/кг; – расход вторичного пара, кг/с; 
– энтальпия вторичного пара, Дж/кг; 
– температура насыщения греющего пара, °С; 
– теплота концентрирования раствора; – потери теплоты в окружающее пространство, Вт.
Исходный раствор можно представить как смесь упаренного раствора и воды. Тогда тепловой баланс смешения при постоянной температуре кипения раствора имеет вид:
= + 
, (10.11)
где 
– удельная теплоемкость воды при температуре кипения, Дж/(кг×К).
Из уравнения 10.11
= 
– 
. (10.12)
Подставив значение в уравнение (10.10), получим
+ = – + + 
+ . (10.13)
После элементарных преобразований тепловая нагрузка выпарного аппарата определяется из уравнения
(10.14)
Расход греющего пара определяют из уравнения 10.14
, (10.15)
или
, (10.16)
где 
– удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.
Первый член в числителе уравнений (10.15) и (10.16) выражает расход тепла на нагрев исходного раствора до температуры кипения, второй член – расход тепла на испарение воды из раствора.
В обобщенном виде уравнение (10.16):
. (10.17)
Входящая в эти уравнения теплота концентрирования отражает тепловой эффект концентрирования раствора. Она равна разности интегральных теплот растворения исходного и концентрированного растворов, взятой с обратным знаком (см. раздел 10.2.). Так как при концентрировании тепло может поглощаться или выделяться, то теплота концентрирования входит в уравнения тепловых балансов со знаком плюс или минус. Для многих минеральных солей величина теплоты концентрирования незначительна, и ею можно пренебречь.
Потери тепла в окружающее пространство обычно задают в виде доли от тепловой нагрузки аппарата в размере 
.
В случае подачи в выпарной аппарат влажного греющего пара уравнение (10.16) принимает следующий вид:
, (10.18)
где 
– влажность греющего пара, масс. доли.
Из уравнения (10.17) можно определить теоретический расход греющего пара на испарение 1 кг воды. Если принять, что =0 и = 0, а раствор поступает на выпаривание нагретым до температуры кипения, т. е. 
= 0, то
. (10.19)
Из выражения (10.19) следует, что в одиночном выпарном аппарате на выпаривание 1кг воды приближенно расходуется 1кг греющего пара. На практике, с учетом потерь теплоты и других составляющих, удельный расход греющего пара больше и составляет 1,1 – 1,25 кг/кг воды. При испарении других растворителей удельный расход греющего пара изменяется соответственно изменению удельной теплоты испарения конкретного растворителя.