Основы процесса выпаривания

Процесс повышения концентрации растворенной соли (вещества) путем частичного или полного удаления воды из раствора называют выпариванием. Аппараты, в которых осуществляют процесс выпаривания, называют выпарными аппаратами. Установки, обеспечивающие процесс выпаривания с получением целевых продуктов называют выпарными установками.

Процесс выпаривания является тепло-массообменным. В таком процессе путем подвода теплоты к раствору (теплообменного процесса) обеспечивается испарение части растворителя (воды) и переход его из жидкой фазы в паровую фазу (массообменный процесс). Скорость этого перехода определяет интенсивность подвода теплоты к раствору.

Выпаривание раствора в ЦБП применяют с целью:

- концентрирования раствора для последующего сжигания в содорегенерационном котле;

- получения целевых продуктов в жидком концентрированном виде или с последующей сушкой для получения сухих продуктов, например, жидких или сухих лигносульфонатов;

- обеспечения замкнутого водооборота и экологической безопасности технологии получения целлюлозы и попутных продуктов.

Существует несколько классификаций выпарных установок.

 По теплотехническим признакам / / выпарные установки непрерывного действия можно классифицировать :

1. По принципу действия:

а) рекуперативные выпарные установки, в которых теплоноситель и выпариваемый раствор разделены твердой стенкой;

б) контактные выпарные установки, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении теплоносителя и раствора без разделяющей стенки;

в) адиабатные выпарные установки, в которых концентрирование происходит вследствие испарения предварительно перегретого раствора в камерах мгновенного испарения.

2. По числу ступеней выпаривания:

а) одноступенчатые;

б) многоступенчатые.

3. По давлению вторичного пара в продукционном корпусе:

а) вакуум-выпарные установки.

б) атмосферные;

в противодавленческие;

4. По подводу первичной теплоты:

а) выпарные установки с одним источником первичной теплоты; б) выпарные установки с несколькими источниками теплоты;

в) выпарные установки с тепловыми насосами.

5. По технологии обработки раствора:

а) одностадийные выпарные установки, в которых раствор до необходимой концентрации выпаривается в одну стадию;

б) многостадийные выпарные установки, в которых раствор до необходимой концентрации выпаривается в две и более стадий ;

б. По относительному движению теплоносителя и выпариваемого раствора:

а) прямоточные, в которых греющий пар и выпариваемый раствор движутся в одном направлении;

б) противоточные, в которых греющий пар и выпариваемый раствор движутся в противоположных направлениях;

в) выпарные установки со смешанным питанием корпусов, имеющие элементы прямо- и противотока;

г) выпарные установки с параллельным питанием корпусов раствором.

Упаривание щелока осуществляется как в одном выпарном аппарате (одноступенчатый способ упаривания), так и в системе выпарных аппаратов (многоступенчатый способ упаривания).

Выпарной аппарат представляет собой кожухотрубчатый или пластинчатый теплообменник Внутренний объем труб, называемых кипятильными и пространство между нижней трубной доской и нижнем днищем аппарата, заполняемое щелоком, называют щелоковым пространством. Упаривание щелока осуществляется при помощи греющего пара, подаваемого в верхнюю часть межтрубного пространства, называемого паровой или греющей камерой.

Греющий пар, охлаждаясь на стенках кипятильных труб, превращается в конденсат, который стекает в нижнюю часть греющей камеры, откуда затем удаляется. В качестве греющего пара в первом, по ходу пара, выпарном аппарате применяют свежий пар давлением 0,3 — 0,4МПа(3 — 4кгс/см2). В последующих выпарных аппаратах используется соковый пар, образующийся в результате кипения щелока.

Пространство выпарного аппарата, ограниченное верхней трубной решеткой и верхним сферическим дном в выпарных аппаратах с выносным сепаратором или выходящее в надстроенный (совмещенный) сепаратор, называется надщелоковым пространством.

Черный щелок из нижней щелоковой камеры по кипятильным трубам поступает в над щелоковое пространство, где в результате кипения щелока выделяется соковый пар. Иногда этот пар называют вторичным паром в отличие от первичного свежего пара.

Надщелоковое пространство выпарного аппарата может находиться под давлением или вакуумом (разрежением). В первом случае, когда упаривание щелока происходит при давлении выше атмосферного, процесс называется выпаркой под давлением, при атмосферном давлении выпариванием под атмосферным давлением, в третьем случае - процесс называется выпаркой под вакуумом.

Процесс кипения щелока в надщелоковом пространстве протекает весьма интенсивно, при этом выделяющиеся водяные пары в виде сокового уносят с собой значительные количества щелока в виде капель и брызг. Для их улавливания применяются специальные устройства — сепараторы различных конструкций.

 Наиболее экономичным способом является способ многоступенчатого упаривания щелока в выпарных длиннотрубных аппаратах пленочного типа с падающей пленкой . Эти аппараты соединены между собой трубопроводами таким образом, чтобы образующийся соковый пар в одном выпарном аппарате являлся греющим паром для последующего аппарата.

Современные выпарные установки составляются из пяти или шести ступеней выпаривания. Следует различать число ступеней выпаривания и число корпусов выпаривания. Например, впроцессе  шестиступенчатого  выпаривания может быть установлено 7 корпусов и более. Исследования показали, что при меньшем количестве ступеней выпаривания выпарная установка будет не экономична по расходу пара. При большем количестве ступеней выпаривания получаемая экономия в паре не компенсирует дополнительных капитальных затрат и расходов на обслуживание установки.

Выпаривание раствора в ЦБП является большим потребителем энергии в форме теплоты и электричества. Поэтому при проектировании новых и модернизации действующих производств особое внимание должно быть уделено оптимизации параметров выпарной установки на основе минимизации энергетических и капитальных затрат.

Одноступенчатое выпаривание