Схемы абсорбционных установок

Схема с рециркуляцией поглотителя показана на рис. 4-13. Вытекающая из абсорбера 1 жидкость насосом 2 через холо­дильник 3 снова подается в абсорбер. Часть вытекающей из аб­сорбера жидкости отводится из системы, а взамен подается со­ответствующее количество свежего поглотителя.

При рециркуляции свежий по­глотитель смешивается с поглотите­лем, уже насыщенным извлекае­мым компонентом; таким образом, содержание этого компонента в по­ступающей на абсорбер жидкости больше, чем при отсутствии ре­циркуляции. В связи с этим умень­шается движущая сила процесса массопередачи и ухудшается извле­чение компонента из газовой смеси.

Несмотря на отмеченные недо­статки, абсорбция с рециркуляцией поглотителя находит применение благодаря тому, что в этом про­цессе удается повысить плотность орошения и осуществить от­вод тепла в выносном холодильнике.

Схема с последовательным соединением абсорберов показана на рис. 4-14 и 4-15.

В схеме, представленной на рис. 4-14, абсорберы соединены друг с другом противотоком; передача жидкости из одного аб­сорбера в другой производится насосами. Тепло отводится в хо­лодильниках, установленных на жидкостных линиях между аб­сорберами (промежуточное охлаждение). Абсорбция, проводи­мая по такой схеме, соответствует поглощению газа в одном аб­сорбере, высота которого больше высоты каждого абсорбера во столько раз, сколько абсорберов соединено последовательно.

На рис. 4-15 показана схема последовательного соединения абсорберов при рециркуляции поглотителя в системе каждого аб­сорбера. В данном случае основное назначение рециркуляции — увеличение плотности орошения. Абсорбционная установка вэтой схеме сочетается с десорбционной. Насыщенный компонен­том поглотитель из абсорбционной установки подается через теплообменник 5 в отгонную колонну 6. В теплообменнике по­ступающая на десорбцию жидкость подогревается регенерированным

(освобожденным от компонента) поглотителем, выте­кающим из отгонной колонны.

Регенерированный поглотитель, пройдя теплообменник, охлаждается в холодильнике 4 и далее возвращается в абсорб­ционную установку.

Рис. 4-14. Схема абсорбционной установки с последовательным соединением абсорберов:

1- абсорбер; 2- сборник; 3- насос; 4- холодильник.

Рис. 4-15 Схема абсорбционно-десорбционной установки с рециркуляцией поглотителя в каждом абсорбере.

1- абсорбер; 2- сборник; 3- насос; 4- холодильник; 5- теплообменник;

6- отгонная колонна.

 

 

Адсорбция

Общие сведения

Адсорбция представляет собой процесс поглощения газов, паров или жидкостей поверхностью пористых твердых тел — адсорбентов.

Процессы адсорбции являются избирательными и обратимыми. Это значит, что каждый поглотитель обладает способностью поглощать лишь определенные вещества и не поглощает (или поглощает лишь в незначительной степени) другие вещества, содержащиеся в газовой смеси или растворе, а поглощенное вещество всегда может быть выделено из поглотителя путем десорбции — процесса, обратного адсорбции.

Адсорбенты отличаются весьма высокой пористостью, вследствие чего их поверхность очень велика. Наиболее распространенными адсорбентами являются активированный уголь и гель кремневой кислоты (силикагель), причем поверхность 1 г угля колеблется от 200 до 1000 м², силикагеля — до 500 м² и более. В некоторых случаях в качестве адсорбентов используют глины, активированные серной кислотой. Адсорбенты применяются в виде зерен размером 2—8 мм или в пылевидном состоянии (размер частицы 50—200 мк).

Процессы адсорбции протекают в неподвижном или перемещающемся слое зернистого адсорбента, или в кипящем (псевдоожиженном) слое. В последнем случае адсорбенты могут находиться в виде «стационарного» слоя внутри аппарата или циркулировать через аппарат.

Адсорбция в слое движущегося адсорбента и особенно в кипящем слое протекает значительно интенсивнее, чем в неподвижном слое, и может проводиться в более компактной аппаратуре.

Благодаря огромной удельной поверхности адсорбентов (поверхность на единицу объема) при адсорбции возможны очень большие скорости поглощения и полное поглощение компонентов, выделение которых путем абсорбции было бы невозможно из-за малой концентрации их в смеси. Поэтому адсорбция является эффективным способом разделения «бедных» смесей, содержащих незначительное количество поглощаемых веществ, а также смесей, состоящих из компонентов, очень близких друг к другу по химическим и физическим свойствам.

Процессы адсорбции широко применяются для очистки и осушки газов, для разделения смесей газов и паров, например смесей газообразных углеводородов, для улавливания из парогазовых смесей паров ценных органических веществ (бензола, бензина, ацетона и др.), или так называемой рекуперации летучих растворителей. Посредством адсорбции производят также очистку растворов от примесей.

Теория адсорбции

Равновесие между фазами

При адсорбции молекулы газа или пара концентрируются на поверхности адсорбента под влиянием молекулярных сил притяжения. Этот процесс часто сопровождается химическим взаимодействием, а также конденсацией пара в капиллярных порах твердого адсорбента. Общепризнанной теории адсорбции еще нет. Согласно широко распространенному взгляду, адсорбция происходит под действием электрических сил, обусловленных взаимодействием зарядов молекул адсорбента и помещаемого вещества. По другой теории адсорбционные силы носят химический характер и природа их объясняется наличием свободных валентностей на поверхности адсорбента.

Независимо от характера сил, вызывающих адсорбцию, при достаточном времени соприкосновения фаз наступает адсорбционное равновесие, при котором устанавливается определенная зависимость между концентрацией адсорбированного вещества X (в кг/кг адсорбента) и его концентрацией Y в фазе, соприкасающейся с адсорбентом:

(5-1)

где Y — равновесная концентрация, кг/кг инертной части парогазовой смеси или раствора;

А и n — коэффициенты, определяемые опытным путем, причем n≥ 1.

Зависимость (5-1) соответствует определенной температуре и изображается кривой, которая носит название изотермы адсорбции.

Изотермы адсорбции некоторых веществ приведены на рис. 5-1.

Концентрация адсорбируемого вещества в смеси при постоянной температуре пропорциональна его давлению. Поэтому уравнение (5-1) может быть представлено в виде

(5-2)

где А_{1 —} коэффициент пропорциональности;

Р —равновесное давление поглощаемого вещества в парогазовой смеси.

Основными факторами, влияющими на протекание процесса адсорбции, являются: свойства адсорбента, температура, давление, свойства поглощаемых веществ и состав фазы, из которой они адсорбируются.

0,1 0,2 0,3

Х, кг/кг

Рис. 5-1. Изотермы адсорбции (при 20° С):

1 - для этилового эфира; 2 - для этилового спирта; 3 -для бензола.

 

Равновесная концентрация X уменьшается с повышением температуры и увеличивается с возрастанием давления. Таким образом, адсорбция ускоряется при понижении температуры или при повышении давления.

Те же факторы влияют в обратном направлении на процесс десорбции, проводимый обычно после адсорбции. Десорбция ускоряется с повышением температуры адсорбента и снижением давления над ним, а также при пропускании через адсорбент паров, вытесняющих поглощенное вещество.

Адсорбенты характеризуются статической и динамической активностью. После некоторого периода работы адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компонент и начинается «проскок» компонента через слой адсорбента. С этого момента концентрация компонента в отходящей парогазовой смеси возрастает вплоть до наступления равновесия.

Количество вещества, поглощенного единицей веса (или объема) адсорбента за время от начала адсорбции до начала «проскока», определяет динамическую активность адсорбента. Количество вещества, поглощенное тем же количеством адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия, характеризует статическую активность.

Активность адсорбента зависит от температуры газа и концентрации в нем поглощаемого компонента. Динамическая активность всегда меньше статической; поэтому расход адсорбента определяется по его динамической активности.

Материальный баланс процесса адсорбции

Процессы адсорбции проводятся периодически или непрерывно.

Если адсорбент движется через аппарат, адсорбция происходит непрерывно и материальный баланс процесса выражается уравнением (1-14), общим для всех процессов массопередачи. Адсорбция в слое неподвижного адсорбента является периодическим процессом, при котором концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте меняется во времени и в пространстве.

Примем, что газ (в количестве G за единицу времени), проходя за время d τслой адсорбента высотой dH, изменяет свою концентрацию на величину dY и, следовательно, отдает количество вещества G dY d τ. За это же время концентрация поглощаемого вещества в элементе слоя увеличивается на dX и количество вещества, поглощенного слоем высотой dH, составляет S dH 𝜌 dX, где S — площадь поперечного сечения адсорбента, р — насыпная масса адсорбента. Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:

или

(5-3)

Кинетика адсорбции

Адсорбция относится к процессам маcсообмена, протекающим с участием твердой фазы, и описывается уравнением (1-39). Однако многочисленные опыты показывают, что внутренним диффузионным сопротивлением самого адсорбента можно пренебречь и проводить расчет процесса по уравнению (1-28). Значения коэффициента массоотдачи β можно определять по следующим уравнениям:

1. Для зернистого адсорбента при ламинарном движении (Re < 30)

(5-4)

При турбулентном движении (Re = 30 - 150)

(5-5)

В этих уравнениях определяющим геометрическим размером в критериях и Re является эквивалентный диаметр d_экв.

2. Для мелкозернистого адсорбента в кипящем слое

(5-6)

В уравнении (5-6) Ре₀ определяется по формуле

где - объемный коэффициент массоотдачи, или ;

d-средний диаметр зерна, м (являющийся также определяющим геометрическим размером в критерии Re),

D _г-коэффициент диффузии в газовой фазе, м²/сек

Пример 5-1. Определить коэффициент массоотдачи от паровоздушной смеси (пары бензола в воздухе) к неподвижному слою адсорбента (активи­рованный уголь) при 20° С, если свободный объем слоя ε = 0,375, удельная поверхность адсорбента f = 1630 м²/м³. Фиктивная скорость паровоздушной смеси ω₀ = 10 м/мин 0,167 м/сек

Решение. Определяем эквивалентный диаметр слоя угля;

м

Массовая скорость паровоздушной смеси составляет

кг/м²∙сек

где - плотность паровоздушной смеси (1,2 кг/м³).

Вычисляем критерий Рейнольдса для паровоздушной смеси

где -вязкость паровоздушной смеси (1,75 • 10^-5 н∙сек/м ², или 0,0175 спз).

Коэффициент диффузии паров бензола в воздухе при 0°С составляет:

м²/сек (0,0277 м²/ч)

Определяем по формуле (1-24) коэффициент диффузии паровоздушной смеси при давлении Р = 0,98 бар (1 ат)

м²/сек

Находим значение диффузионного критерия Прандтля:

В соответствии с найденным значением Re определяем по формуле (5-4) коэффициент массоотдачи от паровоздушной смеси к углю:

откуда

м/сек

или

кг/м²∙сек

Устройство адсорберов

Для проведения процессов адсорбции применяются адсор­беры следующих типов:

1) с неподвижным зернистым адсорбентом;

2) с движущимся зернистым адсорбентом;

3) с кипящим (псевдоожиженным) слоем мелкозернистого адсорбента.

Рисунок 5-2. Адсорберы с неподвижным зернистым адсорбентом:

а - вертикальный; б – горизонтальный; в – вертикальный, с кольцевым слоем адсорбента.

1 – корпус; 2 – решетка; 3, 4, 5 – люки.

 

Адсорберы с неподвижным зернистым адсорбентом. Эти ад­сорберы представляют собой полые вертикальные (рис. 5-2, а) или горизонтальные (рис. 5-2, б) сосуды, в которых размещен слой зернистого адсорбента. Иногда применяют адсорберы с кольцевым слоем адсорбента (рис. 5-2, в).

Газовая (паровоздушная) смесь подается в корпус 1 адсор­бера (рис. 5-2), проходит сквозь находящийся на решетке 2 слой адсорбента (на рисунке заштрихован), после чего уда­ляется через выхлопной штуцер. По завершении адсорбции для вытеснения поглощенного вещества из адсорбента в аппарат подается перегретый водяной пар (или другой вытесняющий агент), который движется в направлении, обратном движению газа. Паровая смесь (смесь паров воды и извлекаемого компо­нента) удаляется из аппарата и поступает на разделение в от­стойник непрерывного действия или в ректификационную ко­лонну. После десорбции сквозь слой адсорбента пропускают для его сушки горячий воздух, который входит через паровой шту­цер и удаляется через тот же штуцер, что и паровая смесь. Вы­сушенный адсорбент охлаждается холодным воздухом, движу­щимся по тому же пути, что и водяной пар, после чего цикл поглощения повторяется снова.

Для адсорбции из жидкой фазы используют обычные фильтрпрессы, рамы которых заполняют зернистым адсор­бентом.

Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом. Эти ад­сорберы представляют собой колонны, в которых зернистый ад­сорбент движется самотеком сверху вниз, либо перемещается при помощи специальных транспортных устройств (шнеки, эле­ваторы). Адсорбер первого типа показан на рис. 5-3.

Газовая смесь, подаваемая в колонну через распределитель­ную тарелку 3, поступает в адсорбционную зону I и поднимается вверх. Адсорбент (гранулированный активный уголь) движется по колонне под действием силы тяжести сверху вниз, противо­током газовой смеси. В зоне / адсорбент поглощает более тяже­лые компоненты газовой смеси, наиболее легкие, непоглощенные газы (верхняя, или легкая фракция) удаляются из верхней части зоны I. Далее адсорбент проходит промежуточную зону II и поступает в зону десорбции III, где движется по трубкам теплообменника-десорбера 4, в межтрубном пространстве кото­рого конденсируется греющий пар. Одновременно в трубки теп­лообменника-десорбера подают перегретый острый пар для отдувки из адсорбента поглощенных тяжелых компонентов. Наи­более тяжелые компоненты (нижняя, или тяжелая фракция) удаляются из верхней части зоны III. Часть десорбированных более легких компонентов в виде парогазовой смеси проходит в промежуточную (ректификационную) зону II. Здесь парогазо­вая смесь вытесняет из адсорбента часть поглощенных компонен­тов, более легких, чем компоненты, десорбированные в зоне III.

Эти вытесненные компо­ненты отводятся из зоны II в качестве промежуточ­ной фракции.

Регенерированный в зоне III нагретый адсор­бент проходит через раз­грузочное устройство 5, регулирующее скорость удаления адсорбента, и через гидравлический за­твор 6, предотвращающий утечку острого пара с ад­сорбентом. Далее адсор­бент через регулирующий клапан 7 поступает в сборник 8, куда газодув- кой 9 подается транспор­тирующий газ (обычно часть непоглощенных га­зов легкой фракции). По трубе-газоподъемнику 10 адсорбент подается то­ком газа в бункер 1 и от­сюда ссыпается в трубки водяного холодильника 2, где охлаждается, и снова поступает в адсорбцион­ную зону I. Для полного восстановления активно­сти адсорбента часть его из бункера 1 направляет­ся в теплообменник-реак­тиватор II, обогреваемый топочными газами.

Рис. 5-3. Адсорбер с движущимся зернистым адсорбентом: I – зона адсорбции; II – зона ректификации; III – зона десорбции. 1 – бункер; 2 – холодильник; 3 – распределительные тарелки; 4 – теплообменник-десорбер; 5 – разгрузочное устройство; 6 – гидравлический раствор; 7 – регулирующий клапан; 8 – сборник; 9 – газодувка; 10 – труба-газоподъёмник; 11 – теплообменник-реактиватор.

 

 

В трубках теплообменника-реактиватора при высокой тем­пературе адсорбент продувается острым водяным паром и посту­пает в сборник 8.

Распределительные тарелки 3 представляют собой трубные решетки, к которым снизу присоединены короткие отрезки труб. Тарелки служат для более равномерного распределения газа по сечению колонны и уменьшения уноса частиц адсорбента газо­вым потоком.

Адсорберы с кипящим (псевдоожиженным) слоем мелкозер­нистого адсорбента. При проведении адсорбции в кипящем (псевдоожиженном) слое адсорбента гидрав­лическое сопротивление слоя является весьма малым, поэтому можно создавать скорости газового потока, в несколько раз большие, чем в неподвижном слое адсорбента. Благодаря сочетанию высоких скоростей газа с очень развитой поверхностью фазового контакта можно значительно интенсифицировать про­цесс адсорбции. При интенсивном перемеши­вании частиц в кипящем слое в нем проис­ходит быстрое выравнивание температуры и предотвращается' опасность перегрева адсор­бента.

Следует, однако, отметить, что при сопри­косновении газового потока на выходе из ки­пящего слоя с отработанными насыщенными частицами адсорбента может происходить ча­стичная десорбция поглощенного вещества из адсорбента. При интенсивном перемешивании в кипящем слое происходит сильное истира­ние твердых частиц адсорбента, в связи с чем для проведения описанного процесса необхо­димо применять адсорбенты, обладающие до­статочной механической прочностью.

Адсорберы с кипящим слоем мелкозерни­стого адсорбента делятся на одноступенча­тые и многоступенчатые.

В корпусе 1 одноступенчатого адсорбера (рис. 5-4) имеется распределительная решетка 2, через которую снизу подается газ, приводящий мелкозернистый адсорбент в состояние кипящего слоя.

Газ отводится через верхний штуцер. Адсорбент поступает сверху и удаляется через трубу 4.

В аппарате поддерживается определенный уровень «стацио­нарного» кипящего слоя адсорбента.

Многоступенчатый адсорбер представляет собой колонну с тарелками в виде дырчатых или колосниковых решеток. Ад­сорбент подается газодувкой на верх колонны и стекает по та­релкам через переточные трубки противотоком к газовой смеси. Газовая смесь, проходя через отверстия в тарелках, движется противотоком к адсорбенту. Адсорбент выгружается снизу ко­лонны через специальный затвор. Путем такой многоступенча­той адсорбции достигается хорошее извлечение ценных компо­нентов из «бедных» газов.

Схемы адсорбционных установок. Адсорбция производится на установках периодического и непрерывного действия.

 

 

Рис. 5-5. Адсорбционная установка периодического действия:

1 - газодувка; 2 —газоход; 3— адсорбер; 4 — выхлопной газоход; 5 —конденсатор;

6 - теплообменник.

На установке периодического действия (рис. 5-5) процесс, проводимый в адсорбере, складывается из четырех последова­тельных операций, или циклов: 1) поглощение (собственно ад­сорбция), 2) отгонка поглощенного газа из адсорбента (десорб­ция), 3) сушка адсорбента, 4) охлаждение адсорбента.

При адсорбции газовая смесь газодувкой 1 подается по газо­ходу 2 в адсорбер 3, из которого удаляется через выхлопной газоход 4. После насыщения адсорбента, определяемого по на­чалу проскока поглощаемого компонента газа, производится десорбция, при этом смесь отгоняемых па-ров направляется в конденсатор 5, а затем в ректификационную колонну (на ри­сунке не показана).

В установках такого типа, применяемых для улавливания (рекуперации) паров летучих растворителей, сушку адсорбента иногда проводят продувкой исходной паровоздушной смеси, предварительно нагретой в теплообменнике 6 (на рисунке пока­зан пунктиром), а охлаждение — холодной паровоздушной смесью. Таким путем совмещают циклы сушки и охлаждения адсорбента с циклом поглощения, что позволяет сократить про­должительность процесса.

 

 

Рис. 5-6. Двухадсорберная установка непрерывного действия:

1, 2 – адсорберы; 3 – конденсатор; 4 – сепаратор; 5 – хранилище; 6 – газодувка; 7 – калорифер.

 

Рис. 5-7. Адсорбционная установка непрерывного действия

1— колонный адсорбер (I — зона адсорбции, II — зона ректификации, III — зона
десорбции), 2 — вентилятор; 3— калорифер, 4— пневмотранспортная труба 5— бункер-отделитель; 6 —холодильник конденсатор, 7 —сепаратор, 8 — хранилище.

 

Для проведения адсорбции непрерывным способом приме­няют установки, состоящие из двух или более адсорберов, кото­рые поочередно включаются для адсорбции газа. На установке из двух адсорберов (рис. 5-6) после насыщения адсорбента в адсорбере 1 подачу газа переключают в адсорбер 2, а в адсор­бере 1 проводят десорбцию, сушку и охлаждение, после чего адсорбер 1 снова переключают на цикл поглощения, а адсор­бер 2 — на десорбцию, сушку и охлаждение. При таком пере­ключении достигается непрерывная адсорбция газа (хотя ка­ждый из адсорберов работает периодически), так как все циклы процесса в адсорберах проводятся последовательно друг за дру­гом.

Установка для непрерывной адсорбции, показанная на рис. 5-7, состоит из колонного адсорбера 1 с движущимся зер­нистым адсорбентом, соединенного с вентилятором 2 и калори­фером, нагревающим воздух, подаваемый для сушки адсор­бента. Кроме того, адсорбер 1 соединяется с пневмотранспорт- ной трубой 4, по которой высушенный адсорбент подается на верх колонны в бункер 5, где отделяется от транспортирующего его газа, и далее поступает в колонну 1. Смесь водяного пара с вытесненным из адсорбента веществом поступает в холодиль­ник-конденсатор 6, откуда конденсат направляется на разделе­ние в сепаратор 7.

Расчет адсорберов

Адсорберы с неподвижным зернистым адсорбентом. Продол­жительность Т полного цикла в адсорбере с неподвижным зер­нистым слоем адсорбента (как и в любом адсорбере периодиче­ского действия) складывается из времени собственно адсорб­ции , времени десорбции , в течение которого через адсорбент продувают вытесняющий агент, и времени сушки и охлаждения адсорбента . Величины и устанавливаются опытным пу­тем, а их сумма составляет продолжительность вспомогатель­ных операций:

Таким образом

(5 - 8)

Для проведения адсорбции непрерывным способом приме­няют установки, состоящие из нескольких адсорберов периоди­ческого действия, в которых попеременно происходят адсорбция и вспомогательные операции (десорбция и сушка). Число ад­сорберов должно быть равным или кратным двум. Для работы таких установок необходимо соблюдение условия

(5-9)

Приближенно продолжительность собственно процесса ад­сорбции можно определить, исходя из средней концентрации X1 адсорбированного вещества в начальный момент времени и кон­центрации Х₂ этого вещества в конечный момент. Если масса адсорбента в слое равна G_c кг, то количество поглощенного ве­щества за один цикл составит:

(5-10)

Величина М может быть определена и по уравнению

кг (5-11)

где — фиктивная скорость парогазовой смеси, м/сек;

S — площадь сечения адсорбера, м²;

= плотность парогазовой смеси, кг/м³.

Приравнивая правые части выражений (5-10) и (5-11), по­лучим:

(5-12)

Более точно можно определить на основе следующего ана­лиза работы слоя адсорбента.

Содержание X поглощенного вещества в адсорбенте изменяется во вре­мени и по высоте слоя. Обозначим через — концентрацию поглощаемого вещества в газе, поступающем на

 

адсорбцию, через — минимальную кон­центрацию вещества в газе, которую еще можно

определить анализом. Пусть Х _с— концентрация вещества в адсорбенте, соответствующая , при­чем концентрация Х_с достигается в некоторый момент времени на высоте слоя (рис. 5-8).

Таким образом, практически можно считать, что в слое высотой по­глощаемое вещество адсорбировано полностью.

По прошествии времени от начала адсорбции концентрация поглощен­ного вещества в начале слоя возрастает до , причем на высоте слоя

Выпаривание

6.1.Общие сведения

При кипении растворов нелетучих веществ 1 в паровую фазу переходит только растворитель. При этом по мере испарения растворителя и удаления его в виде паров концентрация рас­твора, т. е. содержание в нем растворенного нелетучего веще­ства, повышается.

Процесс концентрирования растворов, заключающийся в удалении растворителя путем испарения при кипении, назы­вается выпариванием.

Большей частью из раствора удаляют лишь часть раствори­теля, так как в выпарных аппаратах обычных конструкций упа­ренный раствор должен оставаться в текучем состоянии. Пол­ное удаление растворителя в таких аппаратах возможно в тех случаях, когда растворенное вещество либо является жидким (например, выпаривание растворов глицерина), либо при тем­пературе процесса находится в расплавленном состоянии (на­пример, выпаривание растворов аммиачной селитры или едкого натра). Полное удаление растворителя из раствора возможно также в некоторых аппаратах специальной конструкциии, на­пример в распылительных сушилках.

В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация,т. е выделение из него растворенного твердого вещества.

Выпаривание широко применяется для повышения концен­трации разбавленных растворов или выделения из них раство­ренного вещества путем кристаллизации.

В промышленности в большинстве случаев выпариваются водные растворы различных веществ; поэтому в дальнейшем рассматривается только выпаривание водных растворов. Од­нако описываемые ниже выпарные аппараты и методы их рас­чета применимы для выпаривания растворов с любыми раство­рителями, а также для испарения чистых жидкостей.

6.2. Способы выпаривания

Для обогрева выпарных аппаратов применяют нагревающие агенты. Наибольшим распространением пользуется водяной пар. В некоторых слу­чаях, когда необходимо проводить выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев.

Нагревание выпариваемого раствора производится путем передачи тепла от нагревающего агента через стенку, разде­ляющую оба вещества, либо путем непосредственного соприкос­новения веществ. Выпаривание путем непосредственного со­прикосновения нагревающего агента с раствором применяется только при обогреве топочными газами.

Выпаривание ведут как под атмосферным, так и под пони­женным или повышенным давлением.

При выпаривании раствора под атмосферным давлением образующийся так называемый вторичный (соковый) пар выпу­скается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наи­более простым.

При выпаривании под пониженным давлением (при разре­жении) в аппарате создается вакуум путем конденсации вто­ричного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса.

Вакуум-выпарка позволяет снизить температуру кипения раствора и применяется для выпаривания чувствительных к вы­сокой температуре растворов (например, растворов органиче­ских веществ), а также высококипящих растворов, когда темпе­ратура нагревающего агента не дает возможности вести процесс под атмосферным давлением. Использование вакуума позволяет также увеличить разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором, а следовательно, уменьшить по­верхность теплообмена. Недостатком выпаривания в вакууме является удорожание установки (дополнительные затраты на конденсационное устройство) и ее эксплуатации (расход воды на конденсатор, затрата энергии на вакуум-насос, рас­ходы по обслуживанию, амортизация конденсационного устройства).

При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогре­вателях, для отопления и т. п., а также для различных техно­логических нужд. Выпаривание под давлением связано с повы­шением температуры кипения раствора, поэтому применение данного способа ограничено свойствами раствора и температу­рой нагревающего агента.

Установки, состоящие из одиночного аппарата, вторичный пар из которого не используется (при выпаривании под атмосферным давлением или при разрежении) или используется вне аппа­рата, называются однокорпусными выпарными установками.

Большим распространением пользуются многокорпусные вы­парные установки, включающие несколько соединенных друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к послед­нему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева по­следующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус; образующийся в первом корпусе вторич­ный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже, и т. д. Вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор (если этот корпус работает при разре­жении) или используется вне установки (если последний кор­пус работает при повышенном давлении). Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется много­кратное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), что позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.

Многократное использование тепла возможно также в одно­корпусных выпарных установках, если сжать вторичный пар при помощи компрессора или пароструйного инжектора до давле­ния, позволяющего применять пар для обогрева того же аппа­рата, в котором этот пар образовался.

Выпарные аппараты со свободной
циркуляцией

В этих аппаратах неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб. В растворе возникают не­упорядоченные конвекционные токи (свободная циркуляция), обусловленные свободной конвекцией. К данной группе отно­сятся аппараты, выполненные в виде чаш или котлов, поверх­ность теплообмена которых образована стенками аппарата. В настоящее время такие аппараты применяются ред­ко, главным образом при выпаривании очень вязких жидко­стей.

Змеевиковые выпарные аппараты, аналогичны змеевиковым погружным теплообменникам Греющий пар проходит по змеевику, а выпариваемая жидкость находится снаружи. Змеевики полностью погружены в жидкость, над уровнем которой остается объем, необходимый для сепарации вторичного пара.

Эти аппараты работают неинтенсивно и в настоящее время применяются лишь для выпаривания вязких растворов при не­больших масштабах производства, когда не требуется большая поверхность тепло­обмена. Они могут быть использованы так­же при применении греющего пара высоко­го давления и при выпаривании агрессив­ных жидкостей. В последнем случае зме­евики изготовляются из химически стой­кого материала, а внутренняя поверхность аппарата снабжается защитным покрытием.

Выпарные аппараты с горизонтальными трубами (пар пропускается по трубам, жидкость — снаружи труб) могут быть из­готовлены с значительными поверхностями (Рис. 6-1). Выпарной аппарат теплообмена — до 800 ж² и более (рис. 6-1). с горизонтальными трубами. Для компенсации удлинения труб и разборки аппарата с целью очистки крепление труб в трубных решетках делают на сальниках или применяют 11-образные трубы.

Основным недостатком аппаратов этого типа является трудность очистки межтрубного пространства, вследствие чего они непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов. Кроме того, такие аппараты имеют невысо­кий коэффициент теплопередачи, громоздки и требуют значительного коли­чества металла для изготовления. В настоящее время они применяются редко и вытесняются более совершенными конструкциями.

 

Выпарные аппараты с естественной
циркуляцией

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, со­стоящей из необогреваемой опускной (циркуляционной) трубы (рис. 6-2) и обогреваемых подъемных (кипятильных) труб 2. Если жидкость в подъемных трубах нагрета до кипения, то в р