Випарювання водно-сольових розчинів при різних температурах. Випарні установки
Випарюваннямназивається концентрування розчинів практично нелетких або малолетких речовин у рідких летких розчинниках шляхом видалення парів розчинника за рахунок кипіння. Процес випарювання застосовується для концентрування розчинів висококиплячих речовин (розчини лугів, солей, деяких мінеральних та органічних кислот, багатоатомних спиртів та ін.). Наприклад, при отриманні каустичної соди розчин NaOH упарюється до концентрації 50-60%, а в цукровому виробництві цукровий розчин - до 65%. Процес випарювання може супроводжуватися кристалізацією розчинених речовин. Іноді метою випарювання є одержання розчинника у чистому вигляді (при опрісненні морської води). Розчин, що надходить на випарювання, називається вихіднимрозчином, а концентрований розчин, що видаляється - випареним.
Тепло, необхідне кипіння розчину, може підводитися різними способами. Однак найбільшого поширення набув як гріючий агент водяна пара, яку називають гріючимабо первинним. Пара розчинника, який утворюється при випаровуванні киплячого розчину, називають вторинним. Вторинна пара може використовуватися як гріюча пара при багаторазовому випарюванні або для потреб, не пов'язаних з випарюванням, в останньому випадку вона називається екстра-паром.
Випарні установки, крім випарних апаратів, включають і допоміжне обладнання (конденсатори, теплообмінники, насоси та ін.). Випарний апарат складається з наступних основних частин: гріючої камери, В якій нагрівають розчин до необхідної температури; випарною (кип'ятільною) камери, де відбувається випаровування (кипіння) розчинника; сепаратора, Що забезпечує відділення крапель рідкого розчину від утворюються парів; пристроїв, що забезпечують циркуляцію та транспортування розчину. Частини апарата можуть поєднуватися та виконувати кілька функцій. Так нагрівання і випаровування часто проводять в одній частині апарату, що називається камерою, що зазвичай гріє. Вихідний розчин надходить в апарат, як правило, нагрітим до температури кипіння. В іншому випадку в камері, що гріє, розчин нагрівається до температури кипіння і подається в випарну камеру, де кипить. Пара розчинника, що утворюється, проходить через сепаратор, в якому відокремлюється від захоплених крапель рідини, і видаляється з апарату (вторинний пар). Для подачі тепла в камеру, що гріє, зазвичай використовується водяна пара, що гріє. Різниця температур між нагріваючим агентом і киплячим розчином називається корисний різницею температур. Температура кипіння розчину при випаровуванні відрізняється від температури вторинного парану величину, яка називається температурними втратами.
Способи випарювання поділяються залежно від різних ознак.
1. Залежно від тиску розрізняють випарювання під надлишковим тиском,під атмосферним тискомі під вакуумом.
При проведенні процесу під надлишковим тиском можна використовувати вторинну пару, що утворюється. При цьому вторинний пар має високу температуру і придатний для використання в іншому апараті як гріючий, або екстра-пара. Однак при випарюванні під високим тиском підвищується температура кипіння розчину, що застосовується, що застосовується тільки для термічно стійких речовин. Крім того, підвищуються витрати, пов'язані із внутрішнім високим тиском в апараті. Всіх зазначених недоліків, але також і переваг позбавлений апарат для проведення процесу під атмосферним тиском. Вторинна пара при цьому зазвичай не використовується і спрямовується в атмосферу. Конструктивно такі апарати найпростіші, але найменш економічні.
Створення вакууму в апараті призводить до зниження температури проведення процесу. Це дає можливість концентрування розчинів речовин, схильних до термічного розкладання, використання як гріючих агентів теплоносіїв з низькими температурами. Крім того, збільшується корисна різниця температур, що призводить до зменшення необхідної поверхні теплообміну. Але за такого способу проведення процесу дещо збільшується питома теплота випаровування розчинника, отже, зростає витрата необхідного тепла. Проведення процесу під вакуумом потребує додаткового обладнання для його створення та підтримки в апараті.
2. Залежно від використання вторинної пари розрізняють: просте випарювання, багаторазове випарюванняі випарювання з тепловим насосом. При простому випарюванні в однокорпусних установках вторинна пара не використовується для випарювання і видаляється з апарату. При багаторазовому випарюванні в багатокорпусних установках, які найбільш поширені, вторинна пара з попереднього апарату використовується як гріючий в подальшому. При цьому тиск у послідовно з'єднаних апаратах підтримується таким, щоб вторинна пара з попереднього апарату служила гріючим у наступному, тобто. температура вторинної пари з попереднього корпусу повинна бути вищою за температуру кипіння розчину в наступному корпусі. Таким чином, первинною парою обігрівається тільки перший апарат, а наступні – вторинною парою з попередньої. З цією метою тиск по ходу руху пари знижується від корпусу до корпусу, що зменшує температуру кипіння розчину. Такий підхід призводить до значних знижень енергетичних витрат. Зниження енергетичних витрат може бути досягнуто в однокорпусних установках випарних із застосуванням теплового насоса. У таких установках вторинна пара за допомогою теплового насоса (турбокомпресора або пароструминного інжектора) стискається до тиску, який відповідає температурі первинної пари і повертається в апарат як гріючий, змішуючись з первинною парою.
Випарювання, здійснюють для розчинів, виділення розчиненої речовини або отримання чистого розчинника Випарювання піддають переважно водні розчини нелетких або малолетких речовин.
Випарювання відбувається завдяки підведенню теплоти ззовні (найчастіше використовують водяний до 1,2 МПа, який називають гріючим, або первинним) і безперервному видаленню пари, що утворюється при розчині, називають вторинним (при відборі на бік називають екстра-паром). Рухаюча сила випарювання - різниця температур пари, що гріє, і киплячого розчину, називають корисною. Вона завжди менше різниці між температурами первинної та вторинної пари, так як розчин кипить при вищій температурі, ніж чистий розчинник. Зазначене відмінність у температурах, називають фізико-хімічною (концентраційною, температурною) депресією, визначається хімічною природою розчину і часто досягає великих значень, зростаючи зі збільшенням концентрації та зовнішнього тиску. Наприклад, у разі випарювання при 760 мм рт. ст. 50%-ний водний розчин NaOH кипить при 142,2°С (= 42,2°С), 75%-ний розчин NaOH-при 192°С (= = 92,0). Температура кипіння розчину підвищується також через більш високий тиск у розчині, ніж у паровому просторі. Одна з головних причин підвищення тиску - гідростатичний тиск розчину або так звана гідростатична депресія, яка в середньому становить =1 -3 °С.
Для проведення процесу застосовують випарні апарати (випарні апарати), що працюють під атмосферним та надлишковим (до 0,6 МПа) або розрідженням (до 0,008 МПа). Працюючи під надлишковим підвищується температура кипіння розчину, тому можливості даного способу обмежені властивостями розчину і температурою теплоносія. Розрідження у випаровуванні а. створюється в результаті вторинної пари в спеціальних конденсаторах, що охолоджуються водою або вихідним розчином, і видалення неконденсуються за допомогою вакуум-насоса. Випарювання за умов розрідження дозволяє знизити температуру кипіння розчину; застосовується для термочутливих розчинів, наприклад. післяспиртових бард гідролізних виробництв, а також висококиплячих розчинів, наприклад, H 2 SO 4 .
Залежно від способу нагрівання концентрованого розчину випарювання ділять на поверхневі (теплота передається від теплоносія до розчину через стінку) та контактні, в яких відбувається безпосередній дотик теплоносія з розчином.
Поверхневі випарні апарати.Найбільш поширені випарні апарати з трубчастими камерами, що гріють. У таких апаратах розчин знаходиться у трубному, а гріючий – у міжтрубному просторі. Основні переваги: інтенсивна теплопередача, багаторазове використання теплоти вторинної пари, високий рівень чистоти цільового продукту, можливість створення апаратів великої одиничної потужності, легкість видалення відкладень, що інкрустують, з поверхні кип'ятільних труб. Розрізняють випарні апарати з багаторазовою циркуляцією розчину (природною та примусовою) та одноразовою - так звані однопрохідні, або плівкові.
Рух розчину у випарних апаратах з природною циркуляцією (рис. 1,а, б, в) здійснюється завдяки різниці щільностей парорідинної суміші в зоні кипіння і розчину поза нею (рис. 1,б) або внаслідок захоплення спливающими бульбашками пари (апарати з кипінням розчину у трубах камери). Ці апарати застосовують для малов'язких (до 6-8 мПа * с) розчинів. Основні характеристики: швидкість циркуляції розчину зазвичай не більше 1,0-1,5 м/с, = 15-25°С, поверхня нагріву до 630 м 2 коефіцієнт теплопередачі 1,2-1,8 кВт/(м*К) , тривалість роботи між промиванням або механічним очищенням 3-4 діб. Гідність – відсутність витрати електроенергії; Недолік – залежність інтенсивності випарювання від теплового навантаження, яке знижується при забрудненні поверхні нагріву.
В апаратах із винесеною зоною кипіння (рис. 1,а, б)Над гріючою камерою встановлена додаткова підйомна труба (труба закипання), яка забезпечує високу швидкість природної циркуляції. Кипіння відбувається в трубі (оскільки труба заповнена розчином, тиск у гріючих трубах вище, ніж насиченої вторинної пари при температурі розчину, на величину маси гідростатичного стовпа парорідинної суміші). Ці апарати призначені для розчинів погано розчинних речовин, які при концентруванні випадають в осад і утворюють на поверхні нагріву значний шар накипу (NaCl, Na 2 CO 3 CaCO 3 та ін), а також при опрісненні морської води. Для насичених розчинів добре розчинних, не випадають при концентруванні в осад і не утворюють накипу (наприклад, NaNO 2 , NaNO 3 , NH 4 NO 3 , КСl), застосовують випарні апарати, в кип'ятільних трубах яких розчин не тільки нагрівається, але й кипить ( 1, в). Різновид розглянутих апаратів - випарні апарати з двоходовою камерою, що гріє (рис. 1, г, д).Вони не мають циркуляційної труби (її роль виконує частина трубного пучка камери), менш металомісткі, займають меншу площу (поверхня нагріву до 1600 м2). Ці апарати використовують для розчинів речовин, яких зростає з підвищенням температури (наприклад, лугу у виробництві та каустичній, содово-поташні розчини у виробництві глинозему).
Рис. 1. Поверхневі випарні апарати: а, б, в-з природною циркуляцією; г, д-з двоходовою камерою, що гріє; е-з примусовою циркуляцією; ж, з, і - плівкові; 1-гріюча камера; 2-сепаратор; 3-бризкоуловлювач; 4-труба закипання; 5-циркуляційна труба; 6-ротор; 7-осьовий насос.
Для підвищення інтенсивності руху розчину та коефіцієнта теплопередачі застосовують випарні апарати з примусовою циркуляцією, що створюється спеціальним осьовим насосом (рис. 1, е). Такі апарати служать для випарювання порівняно в'язких (до 1 Па*с) продуктів, наприклад, амофосних пульп у виробництві мінеральних добрив. Основні характеристики: швидкість циркуляції розчину 2,0-2,5 м/с, = 7-15 °С, поверхня нагріву до 1800 м 2 коефіцієнт теплопередачі до 3 кВт/(м 2* К), тривалість роботи між промиванням або механічною очищенням до 30 діб. Важлива перевага – незалежність інтенсивності випарювання розчину від теплового навантаження. Недоліки: потреба використання насосів, витрати електроенергії на циркуляцію розчину.
Плівкові випарні апарати застосовують для сильно пінних і термочутливих продуктів, наприклад у виробництві дріжджів, ферментів, антибіотиків, фруктових соків, розчинної кави. Концентрування відбувається в результаті одноразового руху тонкого шару (плівки) розчину разом із вторинною парою вздовж труб довжиною 6-8 м (поверхня нагріву до 2200 м 2). Розрізняють: апарати з прямоточним висхідним рухом розчину за рахунок сили тертя на кордоні між рідиною та парою, що рухається знизу вгору з досить великою швидкістю (рис. 1, ж); знизхідним рухом рідини, що вільно стікає по поверхні нагріву (рис. 1, з); роторні, в яких розчин переміщається ("розмазується") скребками ротора поверхнею теплообміну (рис. 1, і). У роторних апаратах концентрують дуже в'язкі (до 20 Па * с) термочутливі речовини, наприклад, карбамід, желатину, капролактам, гліцерин; в результаті одержують пасто- або порошкоподібні продукти. Переваги плівкових апаратів: відсутність гідростатичної депресії, малий гідравлічний опір, високий коефіцієнт теплопередачі [до 2500 кВт/(м*К)], велика продуктивність при відносно невеликих обсягах апаратів та займаних ними площах, мала тривалість контакту розчину з поверхнею теплообміну. Недоліки: чутливість до нерівномірності подачі вихідного розчину, трудомісткість очищення поверхні нагріву. Важливе значення для ефективної роботи випарні апарати має те, що відбувається в його паровому просторі, або сепараторі, відділення вторинної пари від крапель розчину, що концентрується. Останні забруднюють пару, утруднюючи використання його конденсату для живлення парових котлів ТЕЦ, а також спричиняють інкрустацію (іноді значної) поверхні нагріву і джерелом безповоротних втрат розчину, що концентрується. Ступінь сепарації вторинної пари залежить від властивостей розчину та інтенсивності утворення піни (рясна піноутворення підвищує винесення розчину парою). Низький поверхневий натяг і висока в'язкість розчину сприяють появі піни. Присутність у розчині завислих частинок повідомляє пені стійкість. Для зменшення піноутворення до розчину іноді додають речовини, які підвищують поверхневий натяг (наприклад, рослинні олії, вищі спирти, гас) або видаляють завислі речовини перед випарюванням шляхом фільтрування розчину.
Винесення може відбуватися також в результаті попадання крапель розчину, що випаровується в парове простір і їх механічного захоплення вторинною парою. Для запобігання цьому швидкість пари в сепараторі повинна бути порівняно невелика (2-4 м/с), а висота парового простору - досить велика (1,6-3,0 м), щоб захоплені парою краплі встигали осідати під дією сили тяжіння. Для поліпшення сепарації пари застосовують спеціальні пастки, або бризкоуловлювачі. Вони діють аналогічно інерційним пиловловлювачам або циклонам для очищення газів: бризки відокремлюються від пари внаслідок різкої зміни швидкості та напряму його руху або під дією відцентрової сили.
Одна з умов нормальної роботи випарних апаратів - безперервне відведення конденсату первинної пари. Накопичення конденсату в камері, що гріє, призводить до втрати частини активної повіті нагріву і, отже, до зниження продуктивності апарату. Для видалення конденсату без пропуску несконденсованої (прогонової) пари застосовують конденсатовідвідники. Найбільш поширені поплавкові пристрої, дія яких заснована на відмінності густин пари і конденсату. При надходженні пари конденсат витісняється з поплавця, відкритого зверху чи знизу; останній спливає і за допомогою штока закриває пропускний отвір.
Інтенсивність роботи випарних апаратів, особливо при переробці розчинів речовин, що утворюють відкладення на поверхні нагріву, значною мірою залежить від своєчасного видалення накипу. Остання сильно зменшує коефіцієнт теплопередачі та, отже, продуктивність апаратів, порушує циркуляцію розчину, може бути причиною корозії у зварних швах. Зниження коефіцієнта теплопередачі компенсують збільшенням. Це досягається підвищенням тиску пари, що гріє, при постійному тиску в апараті або зменшенням, тиску в апараті при постійних температурі і тиску первинної пари. Для збереження постійної продуктивності випарні апарати (за умови сталості складу розчину, що випаровується, і тиску) температура гріючої пари повинна зростати пропорційно тривалості роботи апаратів. Остання визначається кількістю відкладень на поверхні нагрівання. Накип видаляють шляхом періодичного промивання або механічного очищення випарних апаратів.
Контактні випарні апарати.Для хімічно агресивних розчинів, особливо при високих температурах, наприклад H 2 SO 4 , СаС1 2 , Na 2 SO 4 *10H 2 O (мірабіліт), застосовують апарати з занурювальним горінням (рис. 2) - циліндричні ємності з вуглецевої сталі, футеровані кислоти плиткою або гумовані. Вони топкові гази, використовувані як теплоносій, утворюються внаслідок спалювання палива (наприклад, газу) у пальниках, які занурені в концентрований розчин. Ці гази барботують через розчин і видаляються разом із вторинною парою. Важлива перевага таких випарних апаратів - відсутність поверхні теплообміну, що забезпечує порівняно просте вирішення питань корозійної стійкості матеріалів, з яких виготовлені апарати. Недоліки: велика витрата палива, неможливість використання вторинної пари в якості теплоносія (видаляється в суміші з газами), забруднення атмосфери паливними газами та продуктами винесення розчину парою.
Рис. 2. Випарний апарат з занурювальним горінням: 1-пальник; 2-корпус.
Для отримання невеликих мас продукту (кілька грамів або кілограмів) в лабораторних умовах зазвичай застосовують скляні колби, забезпечені внутрішніми або зовнішніми конденсаторами.
Випарні установки.Одноступінчасті установки можуть бути безперервної та періодичної дії. Останні відрізняються вищими коефіцієнтами теплопередачі, але складніше у обслуговуванні, оскільки їх можна повністю автоматизувати. В одиночних апаратах випарюють порівняно невеликі кількості розчинів, наприклад у виробництвах особливо чистої NaCl, а також Na 2 S томатних паст, згущеного молока. Вторинне, що утворюється, для випарювання не використовують. Згаданий недолік усунутий в апаратах з тепловим насосом. У них вторинну пару стискають турбокомпресором або паровим інжектором, підвищуючи таким чином його температуру до температури пари, що гріє. У першому випадку використовується практично повністю вторинна пара, витрачається тільки електроенергія, проте зростають вартість обладнання та витрати на його експлуатацію. У другому випадку внаслідок додавання до системи первинної пари частина вторинної пари видаляється з циклу. Апарати з тепловим насосом доцільно застосовувати для розчинів, що характеризуються невеликими температурними депресіями, при розрідженнях у паровому просторі 0,02-0,08 МПа та малих ступенях стиснення вторинної пари (не більше 2).
Витрата пари, що гріє, в одиночних випарних апаратах дуже великий (1,20-1,25 кг на 1 кг води, що випаровується). Для його зменшення в промисловості широко застосовують багатоступінчасті установки (переважно безперервної дії), що складаються з ряду послідовно з'єднаних одиночних апаратів. У цих установках, що працюють при поступово знижувальному тиску (в останньому ступені 8-12 кПа), первинною парою обігрівається тільки перший щабель, а кожна наступна - вторинною парою попередньої. Число ступенів визначається корисною різницею температур, фізико-хімічними властивостями розчинів та типом речовини. В установках, що включають апарати з природною циркуляцією та висхідним рухом плівки розчину, які ефективно працюють тільки при значній корисній різниці температур, число щаблів зазвичай не перевищує 3-5. При використанні випарних апаратів з примусовою циркуляцією і зі плівкою, що стікає розчину, робота яких не залежить від температурного напору, число ступенів досягає 10 і більше. Оптимальна кількість ступенів знаходиться з урахуванням мінімальної вартості одиниці випареної води.
Залежно від напрямку відносного руху розчину та пари багатоступінчасті установки поділяються на прямоточні, протиточні, змішаного типу та з паралельним живленням ступенів. У найбільш простий по апаратурному оформленню прямоточної установки розчин подається в перший апарат і, послідовно переміщаючись через інші під дією перепаду тисків між сходами, видаляється з останньої. Переваги цих установок: можливість переробки термолабільних розчинів (наприклад, електролітичних лугів, алюмінієвих і содово-поташних розчинів у виробництві кальцинованої , знижений знос апаратури, невеликі втрати теплоти з випареним розчином. Недолік: перетікання розчину в міру його концентрування в апарат, при цьому знижується температура кипіння розчину, але зростає його в'язкість, що призводить до зменшення коефіцієнта теплопередачі.
У протиточній установці розчин, що випарюється (наприклад, MgCl 2 або оборотний розсіл у виробництві калійних подається в останній ступінь і видаляється з першої. При цьому збільшення розчину супроводжується підвищенням температури, внаслідок чого коефіцієнта теплопередачі по сходах вище, ніж при прямотоці. Недоліки такої установки: застосування насосів між ступенями для подачі розчину з апарату, що працює при меншому тиску, в апарат, що знаходиться під вищим тиском, необхідність автоматичного регулювання рівня розчину в кожному випарні апарати
Рис. 3. Випарна установка миттєвого закипання: 1-підігрівач; 2 – випарник; 3-конденсатор; 4-вакум-насос; 5, 6, 7-збірники відповідно конденсату, вихідного та кінцевого розчинів
У ряді випадків в останньому по ходу розчину апараті потрібно підтримувати високий тиск вторинної пари, що обмежує кількість ступенів випарювання і, отже, кратність використання пари. Для її збільшення застосовують установки зі змішаним напрямком руху пари та розчину. Останній надходить в будь-якій з проміжних випарні апарати і проходить через одну групу ступенів прямострумом, а через іншу - протитечією, що дає можливість виділяти одночасно кілька кристалічних речовин [СаСО 3 CaSO 4 Mg(OH) 2 ]. Ці установки поєднують переваги та недоліки прямо- та протиточних установок.
В установці з паралельним живленням розчин подають одночасно в кожний ступінь, а сконцентрований розчин послідовно відбирають з усіх щаблів. Ці установки служать головним чином для випарювання розчинів, склад яких мало змінюється в ході процесу, а також для насичених розчинів, що кристалізуються (наприклад, розсолів у виробництві харчової NaCl). У кожному ступені розчин випаровується при постійній концентрації з виділенням солі в результаті випаровування частини розчинника. Вторинна пара, що отримується в попередньому ступені, обігріває наступну. Перевага паралельного харчування: наиб. проста система комунікацій для подачі вихідного та відбору кінцевого розчинів. Недолік: порівняно низькі коефіцієнти теплопередачі по сходах, оскільки в кожній з них знаходиться розчин з макс. кінцевою концентрацією розчиненої речовини.
Спец. різновид багатоступінчастих випарних установок – установки миттєвого закипання, або з адіабатичними випарниками (рис. 3). Вихідний розчин за допомогою насоса послідовно рухається через систему підігрівачів, кожен із яких обігрівається вторинною парою свого випарника. Перейшовши систему підігрівачів, перегрітий розчин закипає в системі послідовно з'єднаних випарників. Тиск у них підтримується таким, щоб температура вторинної пари перевищувала температуру розчину, що нагрівається у відповідному підігрівачі. Вторинний
Винахід відноситься до галузі.хімічного машинобудування, а саме до способів випарювання розчинів солей, що застосовуються в хімічній, харчовій та інших галузях промисловості, і дозволяє поліпшити класифікацію солі, підвищити якість і розмір продукції кристалів, підвищити продуктивність установки за рахунок зменшення інкрустації. теплообмінних поверхонь та запобігання розмиванню граней кристалів. Вихідний розчин подають у гідрокласифікатори випарних корпусів з те.мпературою, що дорівнює температурі кипіння розчину в цих апаратах. Розчин, що подається в гідрокласифікатор першого корпусу, нагрівають послідовно конденсатом пари, що гріє, в одному теплообміннику і парою, що гріє, в іншому теплообміннику. Розчин, що надходить на класифікацію в кожен наступний корпус, нагрівають екстрапаром попереднього корпусу відповідно в теплообмінниках. 1 3. п. ф-ли, 2 іл. i (Л
СПІЛКА РАДЯНСЬКИХ
СОЦІАЛІСТИЧНИХ
РЕСПУБЛІК ц 4 B Ol D 1 26
ОПИС ВИНАХОДУ
Н А BTOPCHOMY СВІДЧЕННЯМ
ДЕРЖАВНИЙ НОМІТЕТ СРСР
ПО СПРАВАХ ВИНАХОДІВ І ВІДКРИТТІВ (2l) 4195649/23-26 (22) 17.02.87 (46) 07.09.88. Бюл. № 33 (72) В. С. Фокін, Є. М. Ковальов, А. М. Коган, С. С. Корнієнко, А. А. Точигін, В. Г. Арсенов
Є. В. Міхін, В. А. Левін, В. А. Шур, В. С. Бобрін, В. І. Ємельянов та В. P. Халілов (53) 66.048.541 (088.8) (56) Авторське свідоцтво СРСР №229454, кл. У Ol D I/26, 1969.
Патент США №4231840, кл. В 01 D !/26, 1980. (54) СПОСІБ випаровування розчинів солей (57) Винахід відноситься до галузі хімічного машинобудування, а саме до способів випарювання розчинів солей, приме. няються в хімічній, харчовій та інших
„„SU„„1421356 A 1 галузях промисловості, і дозволяє поліпшити класифікацію солі, підвищити якість та розмір продукційних кристалів, підвищити продуктивність установки за рахунок зменшення інкрустації теплообмінних поверхонь та запобігання розмиванню граней кристалів. Вихідний розчин подають у гідрокласифікатори випарних корпусів з температурою, що дорівнює температурі кипіння розчину в цих апаратах. Розчин, що подається в гідрокласифікатор першого корпусу, нагрівають послідовно конденсатом пари, що гріє, в одному теплообміннику і парою, що гріє, в іншому теплообміннику. Розчин, що надходить на класифікацію кожен наступний корпус, нагрівають екстрапаром попереднього корпусу відповідно в теплообмінниках. I з. п. ф-ли, 2 іл.
Винахід відноситься до способів випарювання розчинів, що кристалізуються, в багатокорпусних випарних установках, що застосовуються в хімічній, пишучій та ін. гих галузях промисловості.
Метою винаходу є поліпшення класифікації солі, підвищення якості та розмірів продукційних кристалів, збільшення терміну міжпромивного пробігу, підвищення продуктивності установки товарної солі.
На фіг. 1 представлена випарна установка, що реалізує запропонований спосіб;
«а фіг. 2 вЂ" випарний апарат випарної установки.
Спосіб випарювання розчинів солей здійснюють у випарній установці (фіг. 1) що складається з випарних апаратів 1 вЂ" 4, теплообмінників 5 вЂ" 9, а також барометричного конденсатора, ємностей, насосів, що перекачують, центрифуг (не показані).
Випарні апарати 1 (корпуси) взаємозамінні (запірна арматура (не показана), при одному апараті другому знаходиться в резерві.
Кожен випарний апарат (фіг. 2) складається з камери 10, що гріє, труби 1! скипання, сепаратора 12, зворотної циркуляційної труби 13, гідрокласифікатора 14, мають штуцери 15, 6, 7 введення розчину, виведення випареної суспензії і грудок відповідно.
Спосіб реалізують в такий спосіб.
Вихідний розчин проходить через теплообмінник 5 де нагрівається за рахунок тепла конденсації екстрапара третього корпусу.
З теплообмінника 5 частина розчину подається в корпус і класифікатор випарного апарату 4. Інша частина розчину подається на теплообмінники 6, 7 і 8, в яких обігрів проводиться екстрапаром відповідно другого, першого і конденсатом пари, що гріє першого корпусів, Нагрітий розчин з теплообмінників 6 і 7 надходить в корпуси та гідрокласифікатори випарних апаратів 3 і 2 відповідно.
Розчин з теплообмінника 8 надходить в теплообмінник 9, що обігрівається парою, що гріє, і потім подається в корпус і гідрокласифікатор першого випарного апарату.
Така система підігріву вихідного розчину дозволяє подавати в гідрокласифікатор на класифікацію кристалів розчин з температурою, що дорівнює його температурі кипіння в цьому корпусі.
Греюча пара подається в перший корпус випарної установки, вторинна пара першого корпусу надходить на обігрів корпусу 2 і частково на обігрів теплообмінника 7, вторинний пар корпусу 2 є греюгцим для корпусу 3 і частина пари йде на обігрів теплообмінника 6. Аналогічно вторинна пара третього корпусу надходить на обігрів четвертого корпусу та теплообмінника 5.
Вторинний пар четвертого корпусу надходить у барометричний конденсатор, проте, якщо вихідний розчин має дуже низьку температуру, він може нагріватися в додатковому теплообміннику за рахунок тепла конденсації вторинної пари корпусу 4.
Випарена суспензія виводиться з гідрокласифікаторів випарних апаратів і подається на центрифуги з метою одержання кристалічної солі.
Подача розчину в гідрокласифікатори випарних апаратів при температурі, що дорівнює температурі його кипіння в цьому корпусі, дозволяє поліпшити класифікацію продукційних кристалів.
Розчин, що подається через штуцер 15 в гідрокласифікатор 14 випарного апарату (фіг. 2), проходячи зону розчинення гідрокласифікатора, між штуцерами 15 і 16 насичується за рахунок часткового розчинення грудок (конгломератів) кристалів, що накопичуються в цій зоні. в зону класифікації, розташовану вище штуцера 6 гідрокласифікатора 14, насичений розчин не розчиняє дрібні кристали, а виносить їх в сепаратор 12, звідки вони частково захоплюються потоком і через зворотну циркуляційну трубу 13 потрапляють в гріючу камеру 10. і в певній мірі запобігають відкладенню солей на поверхнях, що гріють, що підвищує час міжпромивного пробігу установки і середній коефіцієнт теплопередачі.
У той же час, відмиваючи продукційний кристал від різного роду домішок, розчин не розмиває грені і не зменшує середній розмір продукційного кристала. , Що веде до утворення дрібнокристалічного продукту, а також захищає стінки сепаратора від заростання.
Таким чином, використання запропонованого способу випарювання солей дозволяє покращити якість та розміри продукційних кристалів, збільшити термін міжпромивного пробігу та підвищити продуктивність установки.
Прил ер. Вихідний розчин у кількості
1000 кг/год з початковою температурою 40 С подається в теплообмінник 5, в якому нагрівається до 51 С за рахунок тепла екстрапара третього корпусу, що має температуру
65 С. Частина розчину з температурою 51 С в кількості 266,2 кг/год прямує в корпус 4 на підживлення і класифікацію в гідрокласифікатор. Температура розчину дорівнює температурі кипіння в цьому корпусі, 1421356 на класифікацію йде 10Я від загальної кількості розчину, що подається в апарат, а саме 26,6 кг/год. Вихідний розчин, що залишився, в кількості 733,8 кг/год з температурою 51 С направляється паралельно в теплообмінники 6, 7 і 8 в кількості 246,2;
237,4 та 250,2 кг/год відповідно. У теплообміннику 6 розчин нагрівається до температури 73 С, відповідної температури кипіння в корпусі 3, і з цією температурою подається в корпус 3 на підживлення і гідрокласифікатор на класифікацію кристалів в кількості 1Оф від всього розчину, що подається в корпус, тобто 24, 62 кг/год. Обігрів теплообмінника 6 здійснюється екстрапаром корпусу 2 з температурою 85°С.
Розчин, що подається в теплообмінник 7, нагрівається до температури 93 С, відповідної температури кипіння його в корпусі 2 і подається в апарат на підживлення і гідрокласифікатор на класифікацію кристалів. Розчин, що подається в теплообмінник 8 в кількості 250,2 кг/год, що має температуру 51 С, нагрівається до 83,6 С за рахунок тепла конденсату пари, що гріє, корпусу 1, а потім подається в теплообмінник 9, де обігрів відбувається гріючою парою з температурою! 25 С. Розчин, нагрітий до
125 С, подається на підживлення і гідрокласифікатор корпусу 1.
Гріючий пар з температурою 125 З у кількості 157 3 кг/год подається в корпус I.
Вторинна пара першого корпусу з температурою 105 С подається на обігрів корпусу 2 і теплообмінника 7. Вторинна пара корпусу 2 з температурою 85 С подається в корпус 3 і теплообмінник 6. І, нарешті, вторинна пара корпусу 3 з температурою 65 С подається в корпус 4 і на обігрів теплообмінника 5.
З гідрокласифікаторів корпусів 1, 2, 3 та 4 виводиться пульпа в кількості 96,03;
92,79; 96;66 та 104,9 кг/год відповідно.
Співвідношення твердої і рідкої фаз у пульпі становить Т:Ж= l: l.
Середній розмір кристалів, що виводяться, становить 260 вЂ" 270 мкм. Пульпа, що виводиться, подається на центрифуги, в яких відбувається відділення кристалів.
Пропонований спосіб випарювання розчинів солей дозволяє підвищити середній розмір одержуваного кристала до 260вЂ"
270 мкм, покращивши при цьому його якість, що призводить до зменшення втрат солі при центрифугуванні від 5 до 2 вЂ" ЗЯ. Крім того, збільшення часу міжпромивного пробігу дозволяє підвищити фонд робочого часу на 180 год.
При випарюванні розчинів солей виділяється пульпа по корпусах!,-2, 3 і 4 відповідно 96,0; 92,8; 96,7 та 105 кг/год. Співвідношення твердої та рідкої фаз становить
Втрати під час процесу випарювання проти відомим способом скорочуються вдвічі.
Форл ула винаходу
I. Спосіб випарювання розчинів солей, що включає підігрів розчину, упарювання його в багатокорпусній установці і класифікацію випареної суспензії для виведення кристалів, який відрізняється тим, що, з метою поліпшення класифікації солі, підвищення якості та розмірів продукційних кристалів, упарену суспензію класифікують температуру, рівну температурі кипіння зазначеного розчину у випарному апараті.
2. Спосіб в. I, який відрізняється тим, що розчин, що надходить на класифікацію в перший корпус, нагрівають послідовно конденсатом пари, що гріє. і парою, що гріє, а розчин, що надходить на класифікацію в кожен наступний корпус, нагрівають екстрапаром, що відбирається з попереднього корпусу випарної установки.
1421356 вайа «ntvcvadg!
5пауенна суспензія на ueempu
/ аст Злодій пасіями
Упорядник Є. Сотнікова
P едактор С. Пекар Техред І. Верес Коректор >1. Макс імішинець
Замовлення 4359/5 Тираж 642 Передплатне
ВНДІПД Державного комітету СРСР у справах винаходів та відкриттів
113035, Москва, Ж вЂ" 35, Рауська наб., д. 4/5
Виробничо-поліграфічне підприємство, r. Ужгород, вул. Проектна, 4
Випарювання розчинів проводять для підвищення концентрації розчиненої речовини перед кристалізацією або для видалення розчинника з метою отримання розчиненої твердої фази у вигляді сухого залишку. Випарювання проводять як при атмосферному тиску, так і у вакуумі за допомогою рідинних, парових та повітряних лазень, інфрачервоних випромінювачів, колбонагрівачів та електричних плиток, струмопровідних плівок та інших пристроїв.
Не рекомендується випарювати розчини при їх кипінні внаслідок розбризкування рідкої фази і утворення кірки солей на холодних частинах пристрою, що випарює, проводити випарювання і в сушильних шафах, що швидко виходять з ладу через конденсацію пари на стінках і внутрішніх частинах, що містять електронагрівальні елементи і терморегулюючі пристрої. Розчини в ексікаторах не слід випаровувати при кімнатній температурі через необхідність частої зміни осушувачів. Таке випарювання можна застосовувати в особливих випадках, наприклад, для вирощування монокристалів.
Швидкість випаровування розчинника залежить від температури, тиску, поверхні випаровування, інтенсивності перемішування і товщини шару розчину, що нагрівається. У тих випадках, коли розчинена речовина розкладається в процесі нагрівання при атмосферному тиску, розчинник видаляють або за допомогою вакууму плівкових випарників, або виморожуванням, або піддають ліофільного випаровування.
Випарювання рідин у відкритих судинах проводять, як правило, з використанням фарфорових, скляних, кварцових або платинових чашок різного діаметру, заповнених на 2/3 їхньої висоти. Принаймні рівень розчину повинен бути на 2 - 3 см нижче за краї чашки. Для випаровування застосовують також низькі широкі склянки зі скла пірекс або кварцового. Вибір матеріалу чашок і склянок залежить від хімічної активності розчину, що упарюється.
Випарювання розчинів з верхнім обігрівачем 2 (рис. 191, а та рис. 115, а, б) і продуванням повітря вздовж поверхні випаровування шляхом відсмоктування пари через трубку / нагрівача 1 призводить до швидкого видалення розчинника, хоча і тягне за собою забруднення розчину аерозолями повітря . Одночасно чашка 3 з розчином може підігріватися в рідинній бані 4 або колбонагрівачі (див. рис. 118) з регульованою температурою.
Якщо необхідно регенерувати особливо цінний розчинник, то застосовують прилад зі спеціальною лійкою 1 (рис 191 б) для збору конденсату. Нижній край воронки над фарфоровою чашкою 4 слід видалити від поверхні розчину на 1 3 см для утворення повітряного турбулентного потоку, а верхню частину трубки при необхідності приєднати до холодильника. Якщо такий воронки є бічний штуцер 2 з живильником 3, то прилад може служити для безперервного упарювання розведених розчинів до отримання в чашці 4 суспензії потрібної щільності. Чашка 4 нагрівається у водяній бані 5.
При випарюванні деяких розчинів дрібні кристалики, що утворюються, "повзуть" у вигляді тонкого шару по стінках чашки і навіть виходять за її край через більш слабкого нагріву верхньої частини чашки. Усунення повзучості твердої фази досягають застосуванням приладу з верхнім нагрівачем (див. рис. 191 а) або ІЧ-випромінювача (див. рис. 115 а).
Рис. 191. Пристрої для упарювання розчинів з верхнім нагрівачем (д), лійкою (б) та зі спареними чашками (в)
Для запобігання повзучості застосовують також спарені чашки (рис. 191, в). Зовнішня чашка 2 знаходиться в рідинній бані 3, а внутрішня більш плоска чашка 1 містить розчин, що випаровується. Її вставляють так, щоб її край знаходився на 1- 2 см нижче краю зовнішньої чашки 2. Так як краї внутрішньої чашки нагріваються сильніше, ніж дно, то скоринка кристалів, що виділяється, починає просихати зверху вниз, що перешкоджає повзучості кристалів.
Випарювання при постійній температурі проводять у чашках 3 з паровою сорочкою 2 (рис. 192 а), з'єднаної зі зворотним холодильником 1. Теплоносієм в такому приладі є пар висококиплячої рідини (див. табл. 16). Тому особливого контролю за процесом випарювання, крім доливання в чашку чергової порції розчину, що випаровується, не потрібно, Якщо випарювання необхідно проводити при кипінні розчину, що містить об'ємні пухкі опади, то застосовують правку Шиффа (рис. 192, б).
Рис. 193. Циркуляційний випарник Панкрата (а), піноруйнівник (б) та прилад для випарювання розчинів під вакуумом (в)
Вона складається з широкої лійки, що має ніжки по краях кромки довжиною до 5 мм і коротку широку трубку 3, на яку надіта пробірка 2 з отворами. Вставку Шиффа занурюють на дно склянки 1 з пухкою суспензією. Внутрішній діаметр склянки не повинен перевищувати діаметр вирви більш ніж на 5 - 10 мм. При нагріванні електроплиткою вмісту 5 склянки 1 до кипіння бульбашки пари і повітря піднімаються вгору по воронці 4 і захоплюють за собою частинки осаду, викидають їх через отвори пробірки 2. одночасно відбувається інтенсивне перемішування і випаровування розчину. Циркуляція суспензії вгору і вниз по зовнішній поверхні вирви перешкоджає розбризкуванню окропу та утворенню щільних придонних опадів і поштовхів рідкого середовища.
Випарювання концентрованих розчинів насухо за допомогою ІЧ-випромінювачів та верхнього нагріву (див. рис. 191, а) не становить особливих труднощів. Випарювання таких розчинів з нижніми нагрівачами повинно супроводжуватися перемішуванням на кінцевій стадії і строгим контролем за нагріванням, яке треба негайно припинити при утворенні сирої маси твердої фази. Через перегрівання донної частини можливе розтріскування маси з розкидом частинок.
При випарюванні лужних розчинів та розчинів, що містять поверхнево-активні речовини, спостерігається утворення піни. Усунення піноутворення досягається за допомогою простого циркуляційного випарника Панкрата (рис. 193 а).
Рис. 194. Вакуумні випарники: простий (а), ротаційний (б) та роторний (в)
Розчин у циркуляційній трубі 5 нагрівається за допомогою трубчастого електронагрівача 4, закипає; суміш рідини, пари і піни викидається по трубці 3 в сепаратор 2, в якому піняться рідина наштовхується на протилежну стінку і відокремлюється від піни, а пара видаляється через трубку 1. Рідина стікає назад в циркуляційну трубу 5 і піднімається знову в обігрівається частина приладу, і . Сконцентрований розчин періодично видаляють через нижній спуск 6, не допускаючи виділення кристалів у циркуляційній трубі.
Для руйнування піни також рекомендують простий спосіб. У колбу 3 (рис. 193 б) над поверхнею випаровується розчину поміщають розпечену ніхромову спіраль 5. Пар видаляють через трубку 1. Струмопідводи 2 готують з товстого мідного дроту. Спіраль нагрівають так, щоб піна, що руйнується теплом, не досягала її приблизно на 1 см і не залишала на ній плівки, яка може швидко зруйнувати електроопір. Розгрівають розчин на водяній бані 4.
Вакуумне випарювання - це випарювання в герметично закритій посудині під вакуумом 5-30 торр (650 - 4000 Па), за допомогою якого видаляється пара рідини, що випаровується. В цьому випадку можна значно знизити температуру нагрівання судини, не знижуючи інтенсивність випаровування розчинника.
Застосовують вакуумне випарювання в основному для кон-центрування розчинів, що направляються після цієї операції на кристалізацію термолабільних речовин. При випарюванні під вакуумом не допускають кипіння розчинів, так як є небезпека винесення крапельнорідкої фази та виділення з неї твердої фази в трубках, пов'язаних із вакуумною системою.
Найбільш простими приладами для випарювання розчинів під вакуумом є прилади, схеми яких наведено на рис. 193, і 194, а.
У першому приладі використана широкогорла колба Вальтера 2 (див. рис. 17, е), що обігрівається в рідинній бані 3 (див. рис. 193, в). Капіляр 6 забезпечує рівномірне кипіння рідини, що підсмоктується при необхідності зі склянки 4 через кран 5. З водоструминним насосом (див. рис. 258) колба з'єднана через трубку 1.
Випарювання ведуть при безперервному кипінні розчину. У тих випадках, коли кипіння супроводжується поштовхами через засмічення капіляра, в колбі залишають невелику кількість рас. твору, до якого безперервно додають свіжий розчин зі склянки 4. При випаровуванні розчинів, що сильно піняться, відвідну трубку 1 замінюють на краплеуловлювач (див. рис. 43).
У другому приладі (див. рис. 194, а) пар рідини, що випаровується з колби 3 (див. рис. 194, а) видаляють через трубку 2, з'єднану з водоструминним насосом, перед яким ставлять запобіжну склянку. Колба 3 забезпечена крапельною лійкою 1 для періодичного додавання до неї нових порцій розчину. Нагрівання колби здійснюють за допомогою водяної лазні 4.
Вакуумне випарювання можна здійснити і за допомогою раніше розглянутого циркуляційного випарника (див. рис. 193 а), якщо його паровідвідну трубку 1 приєднати до вакуумної системи. У такому циркуляційному випарнику, що працює під вакуумом, можна випаровувати розчини речовин, що розкладаються при нагріванні у звичайних умовах. Розведені розчини таких речовин найкраще випаровувати при температурах не вище 50 °С, що відповідає тиску приблизно 80 торр (10600 Па).
Ротаційні випарники (рис. 194 б) застосовують для концентрування розведених розчинів термолабільних і піняться речовин, а також для видалення висококиплячих розчинників. Такі прилади випускають багато вітчизняних та зарубіжних фірм. Вони дозволяють вести упарювання розчинів із залишковим тиском не більше 30 торр (4000 Па). Принцип роботи випарника – упарювання розчину в плівці. Завдяки обертанню колби 5 місткістю не менше 1 л з частотою 20 -150 об/хв на внутрішній поверхні утворюється плівка розчину, що значно збільшує площу випаровування і полегшує процес пароутворення. Колба обігрівається в рідинній бані 6 температура якої підтримується постійною в залежності від складу розчину в інтервалі від 20 до 90 °С. Конденсат уловлюється холодильником 1 і збирається у приймачі 3.
Випарювання, процес часткового видалення розчинника з розчину при нагріванні. Випарювання застосовують для концентрування розчинів, виділення розчиненої речовини (у виробництві пластмас, солей та ін.), отримання чистого розчинника (у тому числі знесоленої води для побутових та технічних потреб), концентрування емульсій та суспензій (у целюлозно-паперовому виробництві, при концентруванні молока та ін.). Найчастіше випаровують водні розчини нелетких або малолетких речовин. Випарювання - один із найдавніших способів поділу рідких сумішей з використанням теплоти; процес, зокрема, застосовувався у солеварнях виділення кухонної солі з розчинів.
Випарювання відбувається завдяки підведенню теплоти ззовні (найчастіше теплоносієм служить водяна пара тиском до 1,2 МПа, званий гріючим або первинним) і безперервному видаленню вторинної пари, що утворюється при нагріванні розчину. Рухаюча сила випарювання - різниця між температурами пари, що гріє, і киплячого розчину, так звана корисна різниця температур. Вона завжди менше різниці температур первинної та вторинної пари, так як розчин кипить при вищій температурі, ніж чистий розчинник. Різниця між температурою кипіння розчину та температурою кипіння розчинника, звана температурною або фізико-хімічною депресією, визначається хімічною природою розчину і часто досягає великих (до 90 ° С і більше) значень, зростаючи зі збільшенням концентрації та зовнішнього тиску. Температура кипіння розчину підвищується також через більш високий тиск у розчині, ніж у паровому просторі; Одна з головних причин підвищення тиску – гідростатичний тиск розчину (так звана гідростатична депресія).
Для проведення процесу застосовують випарні апарати, що працюють під атмосферним та надлишковим (до 0,6 МПа) тиском або розрідженням (до 0,008 МПа). Випарні апарати для паросилових установок, опріснювальних установок атомних електростанцій та холодильних агрегатів часто називають випарниками. Залежно від способу нагрівання концентрованого розчину випарні апарати діляться на поверхневі (теплота передається від теплоносія через стінку апарату) і контактні (теплопередача здійснюється при безпосередньому контакті теплоносія з розчином).
Найбільшого поширення набули поверхневі випарні апарати з природною та примусовою циркуляцією, а також плівкові випарні апарати. У випарних апаратах з природною циркуляцією здійснюють зазвичай випарювання малов'язких (в'язкість до 6-8 мПа·с) ненасичених розчинів добре розчинних солей. Для випарювання розчинів погано розчинних речовин, які при концентруванні випадають в осад і утворюють на поверхні, що нагрівається, значний шар накипу, а також при опрісненні морської води застосовують випарні апарати з винесеною зоною кипіння, в яких над камерою, що гріє, встановлена додаткова труба, що забезпечує природну циркуляцію. Для випарювання порівняно в'язких (до 1 Па·с) продуктів застосовують випарні апарати з примусовою циркуляцією, що створюється насосом.
Вертикальні плівкові випарні апарати використовують для випарювання сильно піняться, термочутливих продуктів (наприклад, у виробництві дріжджів, фруктових соків, антибіотиків, розчинної кави); концентрування в цих апаратах відбувається в результаті одноразового руху тонкого шару (плівки) розчину разом з вторинною парою вздовж трубок довжиною 6-8 м. Переваги таких випарних апаратів - малий об'єм рідини в апараті і мала тривалість контакту продукту, що випаровується, з нагрівається поверхнею при великій продуктивності апарату . Дуже в'язкі (до 20 Па·с) термочутливі речовини (наприклад, карбамід, капролактам) концентрують у випарних роторних апаратах, в яких розчин переміщається («розмазується») скребками ротора по поверхні теплообміну у вигляді тонкої турбулізованої плівки. В результаті одержують пастоподібні продукти. Можливе випаровування до сухого залишку.
Контактні випарні апарати з занурювальним горінням, що обігріваються димовими газами, що барботують через розчин, використовують для випарювання хімічно агресивних висококиплячих розчинів.
В одиночних апаратах безперервної та періодичної дії переробляють порівняно невеликі кількості розчинів, наприклад у виробництві особливо чистої кухонної солі, а також томатних паст, згущеного молока. Випарювання розчинів, що характеризуються невеликими значеннями температурної депресії (до 20 ° С), здійснюють одиночних випарних апаратах з тепловим насосом; вторинну пару стискають турбокомпресором або паровим інжектором для підвищення температури до температури пари, що гріє. Для зменшення витрати гріючої пари широко застосовують багатоступінчасті (багатокорпусні) установки безперервної дії, що складаються з ряду послідовно з'єднаних апаратів, що працюють при тиску, що поступово знижується. Первинною парою обігрівається лише перший корпус, а кожен наступний - вторинною парою попереднього. Різновид багатоступінчастих випарних установок – установки миттєвого закипання. Число ступенів випаровування може досягати 30 і більше, що зумовлює їхню роботу при малих (2-3 ° С) значення корисної різниці температур і повністю виключає перегрів розчину. В установках миттєвого закипання здійснюють випарювання розчинів з малою температурною депресією при невисокому ступені їх концентрування, наприклад, при опрісненні морської води.
Випарювання використовується в хімічній, харчовій та інших галузях промисловості при підготовці води з природних джерел для живлення випарників-кип'ятильників. Багатокорпусні випарні установки використовуються для обробки промислових стоків.
Таубман Є. І. Випарювання. М., 1982; Billet R. Evaporation technology: principles, applications, economics. Weinheim, 1989; Таубман Є. І., Пастушенко Б. Л. Процеси та встановлення миттєвого закипання. М., 1990.
