Выпаривание. 
Процессы и аппараты химической технологии.

Выпаривание — это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпаривание применяют для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения из раствора чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ, т. е. выделения нелетучих веществ в твердом виде.

В качестве примера выпаривания с выделением чистого растворителя из раствора можно привести опреснение морской воды, когда образующийся водной пар конденсируют и полученную воду используют для различных целей [6,23].

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным. Можно применить другие виды нагрева и другие теплоносители.

Таким образом, выпаривание — типичный процесс переноса теплоты от более нагретого теплоносителя к кипящему раствору.

В отличие от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис. 19.1) — греющей камеры или кипятильника 2 (как правило, в виде пучка трубок) и сепаратора 1, предназначенного для улавливания капель раствора из пара, образующегося при кипении раствора. Для более полного улавливания в сепараторе устанавливают различные по конструкции брызгоуловители.

Из схемы выпарного аппарата с внутренней циркуляционной трубой (рис. 19.1) видно, что исходный разбавленный раствор поступает в нижнюю часть сепаратора 1 и затем попадает в кипятильные трубки. Первичный пар направляют в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется, отдавая теплоту конденсации через стенки кипятильных труб к кипящему раствору.

Выпарной аппарат указанного типа работает по принципу направленной естественной циркуляции, которая вызывается различием плотностей кипящего раствора в циркуляционной трубе 3 и в кипятильных трубках греющей камеры 2. разность плотностей обусловливается различием удельного теплового потока, приходящегося на единицу объема раствора: в кипятильных трубках он выше, чем в циркуляционной трубе. Поэтому интенсивность кипения, а следовательно, и парообразование в них тоже выше; образующаяся здесь парожидкостная смесь имеет меньшую плотность, чем в циркуляционной трубе. Это приводит к направленной циркуляции кипящего раствора, который по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубкам поднимается вверх. Парожидкостная смесь попадает затем в сепаратор 1, в котором пар отделяется от раствора и выводится из аппарата. Упаренный раствор выходит из штуцера в днище.

аппарата. Таким образом, в аппаратах с естественной циркуляцией раствора создается организованный циркуляционный контур по схеме: кипятильные (подъемные) трубки —? паровое пространство —? циркуляционная (опускная) труба —? подъемный трубы и т. д.

Рис. 19.1. Схема однокорпусной выпарной установки: 1 — сепаратор; 2 — греющая камера; 3 — циркуляционная труба; 4 — барометрический конденсатор; 5 — барометрическая труба; 6 — вакуум-насос (пояснение в тексте)

Поверхность кипятильных трубок так же, как и при расчетах теплообменников, определяют по уравнению:

Однако для процесса выпаривания расчет входящих в это уравнение величин существенно усложняется. Например, при определении полезной разности температур Д/_п = Т — t_K часто затруднительно определить температуру кипения раствора f_K, которая зависит от концентрации раствора, давления над ним, высоты кипятильных труб; также не всегда просто определить температуру греющего пара Г, поскольку его давление обычно не задается.

Для снижения скорости отложения загрязнений (накипи) на стенках труб в выпарных аппаратах создают условия для интенсивной циркуляции раствора (при этом скорость движения раствора в трубках составляет 1−3 м/с). Естественно, циркуляцию раствора также следует учитывать при расчете выпарных аппаратов.