Применяются одно - и многокорпусные выпарные установки. Однокорпусные установки состоят из одного выпарного аппара­та, вторичный пар которого не используется для концентриро­вания.

Многокорпусные выпарные установки состоят из нескольких, соединенных друг с другом аппаратов (корпусов), каждый после­дующий из которых работает при более низком давлении, чем предыдущий. В таких установках свежим паром обогревается только первый корпус; образующийся в нем вторичный пар на­правляется на обогрев второго корпуса и т. д. Вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор поверхностного типа или конденсатор смешения. Таким образом, в многокорпус­ных выпарных аппаратах одно и то же тепло многократно ис­пользуется, что позволяет экономить большие количества свеже­го пара.

Материальный баланс выпаривания. Уравнение материального баланса по общему количеству вещества выражается как

бнач= Gkoh+И7,

где G„ач, Gкон — начальное (до концентрирования) и конечное (после кон­центрирования) количество раствора, кг; W — количество выпаренной во­ды, кг.

По растворенному веществу

(4.15)

где йнач, Ькон — начальная и конечная концентрации растворенного вещества. Решая совместно эти уравнения, получим

Gkoh— Снач&нач/^кон, (4-1®)

VF = Gh&4 — G кон= Ga ач (1 — &нач/^кон). (4.17)

Для многокорпусной выпарной установки общее количество выпаренной воды

U7=D71+W'2+...+W'„, (4.18)

где Wі, 1172 и Ц7П — количество воды, выпариваемой в соответствующих кор­пусах: первом, втором и последнем.

Концентрации растворов на выходе из каждого корпуса можно опреде­лить, пользуясь уравнением (4.17): для I корпуса

&кон1=Онач - д------- ==-- 1 (4.19)

инач ~~ Vv і

для II корпуса

G„a4 —Wi—W2

Тепловой баланс выпаривания. Уравнение баланса общего количества тепла Q (в кДж), затрачиваемого на выпаривание раствора, выражают как

Q — QHarp-pQucn +Q конц +Q пот, (4.22)

где Q„arp—теплота, расходуемая на нагрев раствора; Q исп — ТЄПЛ0ТЗ, рЭС - ходуемая на испарение воды; QKonu — теплота концентрирования (или тепло­та дегидратации); QnoT — теплота, теряемая в окружающую среду (принима­ют обычно 3—5 %) -

Составляющие расхода подведенного тепла определяются следующим выражением:

Qiiarp—бІначСнач (/кип— /нач), Qwcn — Wr, Q пот — OiF нар (1 сі — 1 ноз л ).

Здесь Снач — теплоемкость разбавленного (исходного раствора), кДж/(кг - •°С); /кип — температура кипения раствора в выпарном аппарате, °С; /нач— начальная температура раствора, поступающего в аппарат, °С; г — теплота испарения воды, кДж/кг; а — коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к окружающему воздуху, кДж/(м2 ■ ч-°С); F„ар — наружная поверхность аппарата, м2; /Ст— температура стенки аппарата, °С; /ВОзд — температура окружающего воздуха, °С.

Теплота дегидратации QKohh растворов, далеких от насыщения, обычно невелика и во многих случаях ею можно пренебречь.

Расход греющего пара (D в кг/ч) для выпарного аппарата определя­ется по формуле

D=QlrT. n, (4.23)

где гг. п — теплота конденсации греющего пара, кДж/кг.

Поверхность нагрева выпарного аппарата определяют из основного урав­нения теплопередачи (4.1), которое с учетом уравнения (4.23) удобнее пред­ставить в виде:

F=Drr. JKAU„, (4.24)

Д^ПОЛ = Д^Общ £Д, (4.25)

где Д<общ=?г. п—/в. п—разность температур греющего и вторичного пара при входе его в конденсатор.

При расчете многокорпусных установок полезную разность температур целесообразно распределять так, чтобы поверхности нагрева всех корпусов были одинаковы. В этом случае проще эксплуатировать аппараты, в которых теплообменники однотипны.

Экономичность выпарной установки повышается с увеличени­ем числа корпусов. Число корпусов обычно рассчитывают из та­ких соображений, чтобы затраты на сооружение установки, кото­рые растут пропорционально числу корпусов, быстрее окупа­лись за счет экономии греющего пара. Если срок окупаемости установки при комплектации ее последующим корпусом не уменьшится, целесообразность увеличения числа корпусов отпа­дает. Расчеты показывают |[132], что при переходе от однокор­пусной установки к двухкорпусной расход греющего пара сни­жается примерно на 50%, а уже при переходе от четырехкорпус­ной установки к пятикорпусной — всего на 10%; при переходе от десяти корпусов к одиннадцати экономия пара не превышает 1 % общего расхода пара.

Наибольшее распространение на практике получили двух-, трех - и четырехкорпусные выпарные установки.

Вакуум в выпарных установках создается в результате кон­денсации вторичного пара в конденсаторах, охлаждаемых водой. Теоретически абсолютное давление в конденсаторе должно быть равно давлению насыщенного пара при температуре конденса­ции. Вторичный пар, как правило, представляет собой смесь водяного пара и воздуха, выделяющегося при выпаривании растворов и проникающего через неплотности в аппаратуре и коммуникациях. Поэтому реальное давление в конденсаторе равно сумме парциальных давлений пара и воздуха. Для удале­ния воздуха из вакуумной системы применяют вакуум-насосы. Обычно в конденсаторах выпарных установок поддерживают абсолютное давление, составляющее 0,1—0,2 от атмосферного, что соответствует температуре конденсации 45—60 °С.

Поверхностные конденсаторы по устройству аналогичны по­верхностным теплообменникам (например, кожухотрубчатым аппаратам), и их используют в тех случаях, когда конденсат должен быть чистым. В конденсаторах смешения конденсацию пара проводят при непосредственном контакте с охлаждающей водой, и образующийся конденсат удаляется вместе с ней. Эти конденсаторы проще по конструкции и более надежны в эксплу­атации, их используют во всех случаях, когда требования к ути­лизации конденсата (в качественном и количественном отноше­нии) не столь жестки.

где Ьнач, 6кон — начальная и конечная концентрации растворенного вещества. Решая совместно эти уравнения, получим

{?КОН= ОначЬяач lb КОН, (4.16)

Ц7=ч Онач Окон — О НОН ( 1 Ьп'Лч! Ькон) • (4.17)

Для многокорпусной выпарной установки общее количество выпаренной воды

^=«7,+1Г2+...+«7п, (4.18)

где W, Й72 и Wn — количество воды, выпариваемой в соответствующих кор­пусах: первом, втором и последнем.

Концентрации растворов на выходе из каждого корпуса можно опреде­лить, пользуясь уравнением (4.17): для I корпуса

бкон I = баач „ Ь"т „„ ; (4.19)

для II корпуса

для любого корпуса

^КОН П — Онач

Тепловой баланс выпаривания. Уравнение баланса общего количества тепла Q (в кДж), затрачиваемого на выпаривание раствора, выражают как

Q=QHarp+Q. iCn+QKOH4+QnoT, (4.22)

где Q„arp—теплота, расходуемая на нагрев раствора; Q„cп—теплота, рас­ходуемая на испарение воды; QKOHu — теплота концентрирования (или тепло­та дегидратации); QnoT—-теплота, теряемая в окружающую среду (принима­ют обычно 3—-5%)-

Составляющие расхода подведенного тепла определяются следующим выражением:

:/?начСнач(/кип— /нач), Qh сп—Й^Г, QnOT — ОС/^нар^ст /возд).

Здесь Снач — теплоемкость разбавленного (исходного раствора), кДж/(кг - -°С); <кип — температура кипения раствора в выпарном аппарате, °С; tHa4 — начальная температура раствора, поступающего в аппарат, °С; г — теплота испарения воды, кДж/кг; а — коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к окружающему воздуху, кДж/(м2-ч-°С); F„ар — наружная поверхность аппарата, м2; /ст — температура стенки аппарата, °С; /возд— температура окружающего воздуха, °С.

Теплота дегидратации QKOim растворов, далеких от насыщения, обычно невелика и во многих случаях ею можно пренебречь.

Расход греющего пара (D в кг/ч) для выпарного аппарата определя­ется по формуле

D=Q/rT. п, (4.23)

где гг. п — теплота конденсации греющего пара, кДж/кг.

Поверхность нагрева выпарного аппарата определяют из основного урав­нения теплопередачи (4.1), которое с учетом уравнения (4.23) удобнее пред­ставить в виде:

F=DrrJKMaoл, (4.24)

Д^пол=Л^общ ■—2Д' (4.25)

где Д<овщ=*г. п—/в. п — разность температур греющего н вторичного пара при

входе его в конденсатор.

При расчете многокорпусных установок полезную разность температур целесообразно распределять так, чтобы поверхности нагрева всех корпусов были одинаковы. В этом случае проще эксплуатировать аппараты, в которых

теплообменники однотипны.

Экономичность выпарной установки повышается с увеличени­ем числа корпусов. Число корпусов обычно рассчитывают из та­ких соображений, чтобы затраты на сооружение установки, кото­рые растут пропорционально числу корпусов, быстрее окупа­лись за счет экономии греющего пара. Если срок окупаемости установки при комплектации ее последующим корпусом не уменьшится, целесообразность увеличения числа корпусов отпа­дает. Расчеты показывают |[132], что при переходе от однокор­пусной установки к двухкорпусной расход греющего пара сни­жается примерно на 50%, а уже при переходе от четырехкорпус­ной установки к пятикорпусной — всего на 10%; при переходе от десяти корпусов к одиннадцати экономия пара не превышает 1 % общего расхода пара.

Наибольшее распространение на практике получили двух-, трех - и четырехкорпусные выпарные установки.

Вакуум в выпарных установках создается в результате кон­денсации вторичного пара в конденсаторах, охлаждаемых водой. Теоретически абсолютное давление в конденсаторе должно быть равно давлению насыщенного пара при температуре конденса­ции. Вторичный пар, как правило, представляет собой смесь водяного пара и воздуха, выделяющегося при выпаривании растворов и проникающего через неплотности в аппаратуре и коммуникациях. Поэтому реальное давление в конденсаторе равно сумме парциальных давлений пара и воздуха. Для удале­ния воздуха из вакуумной системы применяют вакуум-насосы. Обычно в конденсаторах выпарных установок поддерживают абсолютное давление, составляющее 0,1— 0,2 от атмосферного, что соответствует температуре конденсации 45—60 °С.

Поверхностные конденсаторы по устройству аналогичны по­верхностным теплообменникам (например, кожухотрубчатым аппаратам), и их используют в тех случаях, когда конденсат должен быть чистым. В конденсаторах смешения конденсацию пара проводят при непосредственном контакте с охлаждающей водой, и образующийся конденсат удаляется вместе с ней. Эти конденсаторы проще по конструкции и более надежны в эксплу­атации, их используют во всех случаях, когда требования к ути­лизации конденсата (в качественном и количественном отноше­нии) не столь жестки.

Расход воды (в кг/ч) на конденсацию пара в поверхностных конденса­торах

Свод— Сп (1 — Свод/конд)/Свод(/кон /нач) , (4.26)

где Gп — количество конденсируемого пара, кг/ч; і — теплосодержание пара, кДж/кг; Свод — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг-°С); /„ОНд — температу­ра конденсата, °С; <Нач, /кон — начальная и конечная температуры охлажда­ющей воды, °С.

Расход воды в конденсаторах смешения определяют также из уравнения теплового баланса с учетом того, что /Конд = /кон:

С вод — Gn(i — Свод/кон) /Свод (/кон — /нач), (4.27)

Производительность выпарных установок определяется зна­чениями коэффициента теплопередачи и полезной разности тем­ператур: чем они выше, тем интенсивнее процесс концентрирова­ния. На практике числовые значения коэффициентов теплопе­редачи К изменяются обычно в пределах 0,84—25,1 МДж/(м2Х Хч-°С). Если процесс концентрирования сопровождается интен­сивным выпадением осадков на стенках нагревательных элемен­тов, то /(=0,84—2,09 МДж/(м2-ч-°С). Для снижения отложения осадков солей на поверхностях нагрева применяют интенсивную циркуляцию раствора, как естественную, так и принудительную, при помощи насосов. Скорость естественной циркуляции возра­стает с увеличением полезной разности температур, скорости вторичного пара в трубах и его давления в паровом пространст­ве аппарата.

Коэффициент теплопередачи существенно зависит от вязко­сти раствора: с увеличением вязкости раствора (по мере его концентрирования) коэффициент теплопередачи уменьшается. Как видно из рис. 4-1, коэффициент теплопередачи резко снижа­ется при уменьшении влажности пульпы аммофоса из фосфо­ритов Каратау [132].

Одним из главных условий интенсивной работы выпарных аппаратов является удаление из нагревательной камеры содер­жащихся в паре неконденсирующихся газов, так как даже не­большое их содержание резко снижает коэффициент теплопере­дачи.

Весьма важным для повышения интенсивности работы вы­парного аппарата является поддержание в конденсаторе мак­симально достижимого вакуума, так как при этом понижается температура кипения раствора и, следовательно, повышается полезная разность температур. Увеличению производительности выпарной установки также способствует увеличение давления греющего пара, поступающего в первый корпус.

Выпарные аппараты поверхностного типа состоят из грею­щей камеры, в которой установлен теплообменник и происходит собственно процесс концентрирования раствора, и сепаратора, где вторичный пар отделяется от раствора.

РИС. 4-1. Зависимость коэффициента теплопередачи К от влажности пульпы аммофоса из фосфоритов Каратау w при различном давлении в сепараторе Р

В зависимости от характе­ра движения кипящего раство­ра различают следующие типы выпарных аппаратов: со сво­бодной циркуляцией; с направ­ленной естественной циркуля­цией; с принудительной цирку­ляцией; пленочные.

На рис. 4-2 изображена схема выпарного аппарата со свободной циркуляцией. Раст­вор медленно движется в меж­трубном пространстве теплообменника, при этом возникают неупорядоченные конвекционные токи, обусловленные свобод­ной конвекцией. К недостаткам аппаратов такого типа относит­ся трудоемкость очистки межтрубного пространства от накипи и зарастаний и в связи с этим невозможность концентрирования кристаллизующихся растворов. Эти аппараты имеют невысокий коэффициент теплопередачи, они громоздки и металлоемки, по­этому в настоящее время применяются редко.

Выпарные аппараты с направленной естественной циркуля­цией (рис. 4-3) имеют замкнутый контур, состоящий из двух зон: необогреваемой опускной (циркуляционной) трубы и обогревае­мых (подъемных) кипятильных труб. При нагревании концент­рируемого раствора в подъемных трубах до кипения в результа­те испарения части жидкости образуется парожидкостная смесь, плотность которой, естественно, меньше плотности жидкости в опускной трубе. Вследствие этого возникает упорядоченная на­правленная циркуляция раствора в замкнутом контуре, что способствует повышению коэффициента теплопередачи и умень­шает вероятность зарастания поверхностей теплообмена той сто­роны, где находится кипящая жидкость. Интенсивность парооб­разования и соответственно скорость циркуляции в кипятильных трубах определяются вязкостью раствора и разностью темпера­тур между стенкой теплообменника и жидкостью. Чем ниже вязкость (область малых концентраций) раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и выше скорость циркуляции раствора.

Для повышения надежности работы аппарата при выпарива­нии кристаллизующихся растворов уровень жидкости в нем поддерживают выше высоты кипятильных труб. Это делают для

Интенсивность работы пленочных выпарных аппаратов во многом определяется равномерностью пленки: если поверхность нагрева оголяется, то при упаривании кристаллизующихся растворов трубки теплообменника быстро зарастают. Для соз­дания устойчивой и равномерной пленки используют теплооб­менники более сложной конструкции: в верхнюю часть трубок вставляют специальные насадки, поток раствора закручивают на входе его в трубки и т. д.