Что такое выпаренная вода

Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов

Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.

В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.

Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.

Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.

При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.

Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.

Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.

Плотность насыщенного водяного пара при 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С. То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С, то выпадет роса.

По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:

В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.

Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы

Источник

Методы выпаривания

Общие сведения. Процесс выпаривания применяется в технике для концентрирования растворов твердых нелетучих веществ в жидких лету­чих растворителях. Этот процесс заключается в том, что путем нагревания, а иногда и понижения давления некоторую часть растворителя пере­водят в парообразное состояние и в виде пара удаляют из жидкой смеси.

Процесс выпаривания широко применяется как для частичного раз­деления (концентрирования) растворов, так и для полного выделения твердых веществ из раствора; в последнем случае выпаривание сопро­вождается кристаллизацией.

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное происхо­дит при любой температуре жидкости, при этом различают испаре­ние и кипение.

Под кипением понимают переход жидкости в парообразное состояние при такой температуре, когда упругость паров жидкости равна давлению окружающего пространства, а под испарение м—при температуре, когда упругость паров жидкости ниже давления окружаю­щего пространства.

Механизм процесса парообразования с точки зрения молекулярно — кинетической теории заключается в следующем. Молекулы жидкости, находящиеся вблизи от поверхности нагрева и обладающие в данный момент большой скоростью, вылетают в пространство над жидкостью, освобождаясь от притяжения остальных молекул, и становятся свобод­ными. Каждая испаряющаяся молекула преодолевает силы сцепления жидкости и сопротивление внешнего давления при затрате некоторого количества тепловой энергии, подводимой извне.

Количество тепла, затрачиваемое при данной температуре на испа­рение весовой единицы жидкости, называют скрытой теплотой испарения. С повышением температуры скрытая теплота испаре­ния уменьшается и при критической температуре становится равной нулю.

Весьма распространен процесс испарения с поверхности неподвиж­ной жидкости в покоящийся воздух.

Такое испарение происходит при хранении жидкостей в открытых резервуарах, в поверхностных увлажнителях, водоемах и т. п.; метод определения количества испаряющейся жидкости в единицу времени с единицы поверхности неподвижной жидкости был рассмотрен выше (2—180).

Испарение жидкости при температуре ниже точки кипения на прак­тике применяется редко. К этому методу прибегают только в тех случаях, когда при кипячении жидкости могут возникнуть нежелательные побоч­ные процессы, вредно влияющие на свойства выпариваемого раствора.

Жидкости обычно выпаривают путем нагревания их до температуры кипения и удаления образующихся паров в атмосферу (или конденсации паров в холодильниках-конденсаторах).

Нагревание жидкости при выпаривании можно производить с по­мощью любого теплоносителя, но в большинстве случаев применяют водяной пар. Обычно выпаривают различные водные растворы, удаляя из них воду в парообразном состоянии. Образующийся при выпаривании раствора пар называют вторичным паром.

При выпаривании неводных растворов вторичным паром может быть любой растворитель, в котором было растворено выделяемое твер­дое вещество.

Выпаривание производят при атмосферном давлении, под’вакуумом и под давлением выше атмосферного. Для выпаривания при атмосфер­ном давлении применяют главным образом открытые аппараты, а для выпаривания при давлении, отличном от атмосферного,—закрытые.

Тепло, затрачиваемое на выпаривание, может быть использовано однократно или многократно. В первом случае раствор выпаривают в одном аппарате и выпарную установку в этом случае называют одно — корпусной, а процесс выпаривания в нем—о днокорпусным выпариванием; вторичный пар при этом не используется. Во вто­ром случае тепло образующегося вторичного пара используется для нагре­вания в других выпарных аппаратах той же установки. В этом случае уста­новки, в которых производят выпаривание, называют многокор­пусными, а процесс выпаривания в них—м ногокорпусным выпариванием.

Тепло вторичного пара может быть использовано многократно и в однокорпусных установках путем применения теплового насоса. Кроме того, тепло вторичного пара часто используют в различных нагреватель­ных устройствах вне данной выпарной установки. Вторичный пар, отби­раемый от выпарной установки для нагревания вне данной установки, называют экстр а-п аром. ґ—-—-Однократное выпаривание. Наиболее простым способом удаления ‘ из растворов сравнительно небольших количеств растворителя является выпаривание в открытых аппаратах, которые обычно представляют со­бой открытые чаши. Выпаривание ведут при атмосферном давлении, и I образующийся из жидкости вторичный пар удаляется в атмосферу. Обо — 1 грев аппарата производят в большинстве случаев дымовыми газами или Ч_водяным паром через рубашки или змеевики.

Наиболее распространены закрытые выпарные аппараты, приме — . нение которых, помимо улучшения санитарно-гигиенических условий работы, дает возможность использовать тепло вторичного пара. Кон­струкции таких аппаратов описаны ниже.

Количество воды, выпариваемой из раствора в однокорпусном вы­парном аппарате, определяется из уравнения материального баланса.

S—количество раствора, поступающего на выпаривание, в кгс; Вн и Вк—начальная и конечная концентрация раствора в процентах твердого растворенного вещества;

W—количество выпариваемой воды в кгс.

Тогда по материальному балансу

0ТКУЛа w = s(l-p-) (2-206)

При выпаривании в однокорпусной выпарной установке расходуется тепло:

А) для нагревания раствора до температуры его кипения;

В) в окружающую среду.

Для составления теплового баланса простого выпаривания при­мем следующие обозначения:

С—теплоемкость раствора в ккал! кгс-°С’, t0 и tx—начальная и конечная температура раствора в °С; D—расход греющего пара в кгс; Т—температура греющего пара в С°; >.—теплосодержание греющего пара в ккал/кгс; 6—температура конденсата в °С;

І—теплосодержание вторичного пара в ккал! кгс;

Qn—потери тепла в окружающую среду в ккал.

Если пренебречь теплотой изменения концентрации (дегидратацией) раствора, то уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:

Приход тепла расход тепла

Откуда расход греющего пара

Для установления экономичности выпаривания при атмосферном давлении опре­делим на конкретном примере удельный расход греющего пара, т. е. расход пара, отне­сенный к 1 кгс выпариваемой воды, причем для упрощения примем теплосодержание вторичного пара І Равныод теплосодержанию насыщенного пара при температуре Tx И температуру поступающего на выпаривание раствора равной его температуре кипения, т. е. T0—Tx, а потери тепла в окружающую среду равными нулю, т. е. Qn—0.

При этих условиях расход греющего пара определяется из уравнения

Пусть требуется выпарить 1 кгс воды из раствора, кипящего при 100° и нагревае­мого паром с температурой 132,9° (пар давлением 3 ата).

D і — tx 639,4— 100 w — х — 6 651,6 — 132,9

Таким образом, теоретически на испарение 1 кгс воды расходуется приблизительно 1 кгс греющего пара. Практически (с учетом тепловых потерь) на испарение 1 кгс воды в случае выпаривания при атмосферном давлении расходуется приблизительно 1,1 кгс греющего пара.

Количество тепла, проходящего через поверхность нагрева выпар­ного аппарата, определяют по уравнению

Зная это количество тепла, можно рассчитать поверхность нагрева выпарного аппарата как обычного теплообменника.

Иногда выпаривание ведут под давлением; образующийся при этом вторичный пар может быть использован в различных нагревательных
устройствах, причем давление в выпарном аппарате должно соответ­ствовать давлению теплоносителя в устройствах, использующих тепло вторичного пара.

Во многих случаях для понижения температуры кипения раствора выпаривание ведут под вакуумом. При выпаривании под вакуумом не­целесообразно отсасывать из аппарата вакуум-насосом весь вторичный пар, так как на это расходуется много энергии. Процесс обычно ведут по схеме рис. 285. Вторичный пар поступает в конденсатор смешения или в поверхностный конденсатор (как показано на рисунке). В конденса­торе поддерживается давление, соответствующее температуре конден­сации. Так как конденсирующий­ся пар всегда содержит некоторое количество воздуха и других не­конденсирующихся газов, их уда­ляют из конденсатора с помощью вакуум-насоса.

По сравнению с выпарива­нием при атмосферном давлении выпаривание растворов под ва­куумом имеет ряд преимуществ, несмотря на то, что расход грею­щего пара на 1 кгс выпариваемой жидкости при вакууме несколько больше, чем при атмосферном давлении.

Увеличение удельного рас­хода пара при разрежении объяс­няется тем, что с понижением температуры парообразования скрытая теплота парообразования увеличивается.

Для определения теоретического расхода пара при выпаривании под вакуумом рассмотрим конкретный пример.

Допустим, что обогрев ведут водяным паром с температурой 132,9° и теплосодер­жанием А=651,6 ккал/кгс и что раствор при разрежении, достигнутом в вакуум-аппарате, кипит при температуре 60°.

По исходным величинам

Tx = 60°С; І = 622,5 ккал/кгс-, 0 = 132,9° находим удельный расход пара

Т. е. он больше, чем при атмосферном давлении (см. стр. 406).

Выпаривание в вакууме имеет следующие преимущества.

В разреженном пространстве все жидкости кипят при более низких температурах, чем при атмосферном давлении. Это дает возможность уменьшить величину поверхности теплообмена в вакуум-выпарном аппа­рате, так как при пониженной температуре кипения достигается значи­тельно большая разность температур между греющим паром и кипящим раствором. При выпаривании в вакууме можно использовать пар низ­кого давления, что очень важно, когда имеется отработанный (мятый) пар.

Рис. 285. Схема однокорпусной выпарпой ус­тановки:

1—вакуум-выпарной аппарат; 2—поверхностный кон­денсатор; 3—сборник конденсата; 4—воздушный насос.

Выпаривание в вакууме позволяет концентрировать растворы, кипящие при высоких температурах; кипячение таких растворов при атмосферном давлении может иногда вызвать нежелательные побочные
процессы (окисление, осмоление, осахаривание и т. п.), и нагревание должно проводиться высокотемпературными теплоносителями.

Вследствие пониженной температуры кипения растворов потери тепла в окружающую среду, а следовательно, и расход греющего пара, идущего на компенсацию этих потерь, будут в вакуум-выпарных аппара­тах значительно меньше, чем в выпарных аппаратах, работающих под атмосферным давлением.

Многократное выпаривание. В некоторых химических производствах выпаривают большие количества воды, что сопряжено с большим рас­ходом греющего пара.

Выше указывалось, что для выпаривания при атмосферном давле­нии или в вакууме на 1 кгс удаляемой из раствора воды расходуется не менее 1 кгс греющего пара, и в этом отношении выпаривание в вакууме по сравнению с выпариванием при атмосферном давлении никаких преимуществ не имеет.

Однако применение выпаривания в вакууме позволило осуществить так называемое многократное выпаривание, при котором значи­тельно снижается расход греющего пара на 1 кгс удаляемой воды.

Принцип многократного выпаривания заключается в следующем. Пар, выделяющийся при кипении жидкости в одном выпарном аппарате, обогреваемом свежим паром, используют для нагрева и выпаривания раствора в другом аппарате, в котором вследствие пониженного давле­ния раствор кипит при более низкои температуре, чем в первом. При совместной работе двух аппаратов свежий пар, вводимый в нагреватель­ную камеру только первого выпарного аппарата, дает возможность выпарить приблизительно двойное количество воды, т. е. расход пара на единицу выпариваемой воды понижается в два раза по сравнению с вы­париванием в одном аппарате. Вместо двух аппаратов можно взять три, четыре и более, тогда расход греющего пара теоретически должен сократиться в три, четыре и более раза, т. е. расход пара будет умень­шаться пропорционально увеличению числа совместно работающих аппа­ратов.

В установках из нескольких выпарных аппаратов с многократным использованием греющего пара (многокорпусных) каждый аппа­рат установки—к о р п у с имеет свой порядковый номер. Первым кор­пусом называют аппарат, в котором жидкость кипит при более высокой температуре, т. е. тот, в который вводят свежий греюший пар.

Современные многокорпусные выпарные установки, служащие для выпаривания больших количеств жидкости (рис. 286), состоят из не­скольких корпусов (в данном случае їрех); каждый из корпусов пред­ставляет собой закрытый цилиндрический—аппарат, в котором имеется нагревательная камера 12, паровое пространство 13 и брызгоулови — тель 14. х

Раствор, предназначенный для выпаривания, поступает в аппарат через штуцер 15. В нагревательную камеру через штуцер 16 вводится греющий пар.

Здесь пар, конденсируясь, отдает через стенки труб свою скрытую теплоту раствору, циркулирующему в трубах; при этом раствор заки­пает и образует вторичный пар более низкого давления, чем греющий (первичный) пар. Конденсат, получающийся при конденсации первич­ного пара, вместе с частично несконденсировавшимся в нагревательной камере паром уходит в конденсационный горшок 17, из которого уда­ляется в сборник конденсата или в канализацию. Частично упаренный в первом корпусе раствор направляется на дальнейшее концентрирова­ние во второй корпус через штуцер 18.

Устройство всех последующих корпусов аналогично устройству первого.

Из парового пространства первого корпуса вторичный пар через брызгоуловитель поступает в нагревательную камеру второго корпуса, где он является уже греющим, первичным паром, за счет скрытой теп­лоты которого во втором корпусе образуется некоторое количество вто­ричного пара еще более низкого давления. Конденсат поступает из нагре­вательной камеры в конденсационный горшок второго корпуса, а вто­ричный пар из парового пространства этого корпуса—на обогрев в нагре­вательную камеру третьего корпуса и т. д. Число корпусов достигает иногда десяти и более; наиболее распространены трех — и четырехкорпус — ные установки.

Рис. 286. Многокорпусная выпарная установка:

/—хранилище для выпариваемого раствора; 2—напврный бак; 3—расходомер; 4—центробежный насос; 5—подогреватель раствора; 6—8—корпуса установки (выпарные аппараты); 9—барометрический конденса — тор; 10—ловушка; //—хранилище упаренного раствора; 12—нагревательная камера; 13—паровое простран — ство; 14—брызгоуловитель; 15—штуцер для ввода выпариваемого растввра; 16—штуцер для ввода грею­щего пара; 17—конденсационный горшок; І8—штуцер для выхода упаренного раствора; 19—штуцер для

Выхода вторичного пара.

Вторичный пар последнего корпуса, так же как и в однокорпусном вакуум-выпарном аппарате, поступает в конденсатор, в котором конден­сируется холодной водой.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе является некоторая разность между температурой грею­щего пара и температурой кипения раствора или, что то же самое, разность давлений первичного и вторичного пара по корпусам. Давление вторичного пара в каждом корпусе должно быть боль­ше давления вторичного пара в последующем корпусе. Поэтому давление по корпусам выпарной установки уменьшается от первого к последнему; обычно первый корпус работает под некоторым избыточным давлением, а последний—под вакуумом.

Греющие камеры корпусов работают как холодильники-конденса­торы. Для предупреждения скапливания неконденсирующихся газов в камерах предусматривается отвод газов, для чего верх камер при­соединяется к конденсатору последнего корпуса.

Во многих случаях первый корпус обогревается отработанным (мятым) паром паровых двигателей. Когда отработанного пара не хва­тает, в нагревательную камеру первого корпуса подводят, кроме мятого пара, также и свежий при снижении его давления до величины давления мятого пара.

Комбинированный обогрев выпарной установки свежим и отрабо­танным паром ведут следующим образом.

Перед первым корпусом устанавливают добавочный, так называе­мый н о л ь-к о р п у с, обогреваемый исключительно свежим паром. Раствор, поступающий на выпаривание, направляется предварительно в ноль-корпус, где давление вторичного пара поддерживается равным давлению отработанного пара, который может быть смешан со вторич­ным паром ноль-корпуса и по об­щему трубопроводу направлен на обогрев первого корпуса.

Рис. 287. Схема трехкорпусной выпарной ус­тановки с отбором экстра-пара.

Рис. 288. Схема трехкорпусной выпарной ус­тановки, работающей по принципу противо­тока.

При таком способе обогрева свежим и мятым паром поль­ці корпус заменяет собой редукци-

Онныи вентиль; кроме того, в ноль — корпусе при понижении давления свежего пара раствор нагревает­ся и отчасти упаривается, вслед­ствие чего повышается эффек­тивность действия выпарной уста­новки.

Для отбора экстра-пара тру­бопроводы, отводящие вторичный пар, имеют ответвления, по которым часть вторичного пара из данного корпуса отводится и используется в других теплообменных устройствах (рис. 287).

Наиболее целесообразно было бы использовать в качестве экстра­пара вторичный пар последнего корпуса. Этот пар является как бы отработанным паром по отношению к выпарной установке в целом. Однако в большинстве случаев вторичный пар последнего кор­пуса имеет незначительное давле­ние и использование его в каче­стве экстра-пара не всегда воз­можно.

В зависимости от способа подачи начального раствора в вы­парную установку работа ее мо­жет происходить:

1. По принципу прямого или параллельного тока раствора и пара (см. рис. 286); начальный раствор поступает в первый кор­пус и затем естественным током перетекает последовательно через все корпуса. Поэтому концентра­ция раствора повышается в на­правлении от первого корпуса к последнему, т. е. соответственно на­правлению протекания пара.

2. По принципу противотока (рис. 288) начальный раствор по­дается в последний корпус и при помощи насосов последовательно пере­дается через все корпуса по направлению к первому. В этом случае концентрация раствора увеличивается в направлении, обратном напра­влению движения пара, и, следовательно, наивысшая концентрация рас­твора будет в первом корпусе.

3. По принципу параллельного питания каждого корпуса началь­ным раствором (рис. 289), когда концентрация раствора во всех корпу­сах одна и та же.

В промышленности применяют главным образом выпарные уста­новки, работающие по принципу прямого тока. Параллельное питание каждого корпуса установки начальным раствором используют для выпа­ривания кристаллизующихся растворов, которые трудно перепускать через все корпуса.

При противотоке возрастание концентрации раствора совпадает с повышением его температуры кипения и температуры греющего пара, что обусловливает понижение вязкости раствора и повышение коэффи­циентов теплопередачи во всех корпусах установки.

Однако противоток при выпаривании применяют сравнительно редко, так как для его осуществления необходимо устанавливать между корпусами насосы по передаче

Раствора из последующего кор — Раствор х—»

Пуса с меньшим давлением в предыдущий корпус с большим давлением.

Противоток греющего па­ра и раствора в выпарных ус­тановках применяют главным образом для выпаривания рас­творов, вязкость которых резко повышается с возрастанием концентрации.

Противоточное выпарива­ние неприменимо для раство­ров, нестойких в условиях по­вышенной температуры.

Выпаривание в аппаратах с тепловым насосом. В много­корпусных выпарных установ­ках первоначальные затраты на оборудование, связанные с ус­тановкой каждого дополнительного корпуса, окупаются экономией грею­щего пара только при некотором увеличении числа корпусов. Практи­чески в большинстве случаев максимальная экономия достигается уже в четырехкорпусной установке.

Кроме того, многокорпусные выпарные установки часто не могут быть применены потому, что в первых корпусах под действием высокой температуры может разлагаться раствор.

Эффективным способом выпаривания, дающим экономию греющего пара, является выпаривание с применением теплового насос а— устройства, повышающего температурный уровень теплоты, выделяю­щейся в каком-либо процессе. Выпаривание с тепловым насосом позво­ляет вести процесс при низкой температуре кипения, что предотвращает вредное влияние его на свойства выпариваемого раствора; первоначаль­ные затраты на оборудование такой выпарной установки невелики.

Принцип выпаривания с тепловым насосом состоит в том, что путем адиабатического сжатия вторичного пара в компрессоре повышают тем­пературу насыщения пара и используют его для обогрева аппарата, в котором этот вторичный пар образовался.

Рис. 289. Схема трехкорпусной выпарной ус­тановки с параллельным питанием каждого корпуса.

Между температурой греющего пара и температурой кипения рас­твора в многокорпусных установках поддерживается разность всего в несколько градусов. Сжимая адиабатически вторичный пар в компрес­соре, можно легко повысить его температуру на несколько градусов и довести температуру насыщения пара до величины, необходимой для
получения разности температур и передачи кипящему раствору тепла в нагревательной камере.

Как уже указывалось, в выпарном аппарате испаряется количество воды, приблизительно равное количеству расходуемого первичного пара; следовательно, применяя сжатие вторичного пара, можно теоретически обойтись одним этим паром, без добавления свежего.

На рис. 290 изображена схема выпарной установки с тепловым на­сосом. По устройству выпарной аппарат не отличается от обычных выпар­ных аппаратов многокорпусных установок. Вторичный пар, образующийся в паровом пространстве выпарного аппарата 1, засасывается по трубопро­воду 2 турбокомпрессором 3\ в турбокомпрессоре пар сжимается и его темпе­ратура повышается до величины, необходимой для обогрева ап­парата. После турбокомпрес­сора пар по трубопроводу 4 направляется в нагревательную камеру 5, где он конденси­руется, отдавая тепло кипящему раствору. Конденсат из нагре­вательной камеры отводится через конденсационный горшок 6, а скапливающийся воздух откачивается из камеры воз­душным насосом по трубопро­воду 7.

Перед пуском аппарата рас­твор должен быть подогрет свежим паром, который вводят в камеру до начала кипения жидкости в аппарате. Затем прекращают подачу греющего пара и ведут выпаривание за счет теплоты сжимаемого в компрессоре вторичного пара.

Сжатие вторичных паров стремятся провести адиабатически, ‘в про­тивоположность сжатию газов в компрессорах, которое желательно приблизить к изотермическому процессу. При адиабатическом сжатии вся затрачиваемая в компрессоре работа переходит в теплоту, и одно­временно с повышением температуры паров повышается их тепло­содержание. Для проведения выпаривания только за счет механической энергии без добавочных затрат свежего пара необходимо, чтобы тепло, сообщенное пару во время сжатия, полностью компенсировало потери тепла аппаратом в окружающую среду.

Экономия греющего пара на выпарной установке с тепловым насо­сом практически несколько выше, чем в четырехкорпусных установках, и зависит прежде всего от необходимости повышения давления и температуры паров в компрессоре. Чем меньше это повышение, тем большая достигается экономия греющего пара. Величина поверхности нагрева, а следователь­но, и первоначальные затраты, наоборот, тем ниже, чем больше будет по­вышаться давление и температура пара в компрессоре.

Область применения установок выпаривания с тепловым насосом ограниченна.

Рис. 290. Схема выпарной установки с тепло­вым насосом:

/—выпарной аппарат; 2, 4—трубопроводы вторично­го пара; 3—турбокомпрессор; 5—нагревательная ка­мера; б—конденсационный горшок; 7—трубопровод для отвода воздуха.

Для многих растворов, которые необходимо концентрировать путем выпаривания, наблюдается значительное повышение температуры кипения по сравнению с чистой водой. Если, например, раствор под атмосферным давлением кипит при 110°, то повышение его температуры кипения, или
температурная депрессия, составляет 110—100=10°. Температура вто­ричного пара, образующегося при выпаривании такого раствора при ат­мосферном давлении, будет 100°, т. е. на 10° ниже температуры кипения раствора.

Для создания разности температур в нагревательной камере всего лишь в 10° температуру вторичного пара пришлось бы путем сжатия в компрессоре повышать уже не на 10, а на 20°, что потребовало бы большого расхода энергии.

Поэтому выпаривание с тепловым насосом не имеет преимуществ при работе с растворами, повышение температуры кипения которых значитель­но, т. е. когда температурная депрессия (см. стр. 421) велика. Практически применение этого способа стано­вится нецелесообразным для выпаривания жидкостей, температурная депрессия которых выше 10°, между тем в химической промышленности в большинстве случаев приходится выпаривать концентрированные растворы, обладающие температурными депрессиями, значительно превосходящими 10°. Поэтому наиболь­шее распространение этот способ выпаривания полу­чил в пищевой промышленности для концентрирова­ния молока и фруктовых соков.

Тепловой насос широко применяют в тех случаях, когда недопустимо выпаривание при повышенных тем­пературах кипения и, следовательно, невозможно проведение процесса в многокорпусной выпарной установке.

Тепловой насос неприменим в тех случаях, ко­гда вторичный пар нельзя использовать для нагрева­ния (и в качестве источника движущей силы) вслед­ствие низкой его температуры или присутствия в нем летучих кислот.

Как уже указывалось, экономичность способа вы­паривания с тепловым насосом в значительной мере зависит от расхода энергии, необходимой для сжатия вторичного пара в компрессоре. Выбор наиболее рацио­нального типа компрессора (поршневой, турбоком­прессор или пароструйный) должен проводиться в каждом отдельном случае.

Сжатый в турбокомпрессоре или в пароструйном компрессоре пар находится в перегретом состоянии. Пар, поступающий на обогрев выпарного аппарата из котельной, так­же* может быть перегретым. Как известно, нагревание перегретым паром, ввиду малых коэффициентов теплопередачи, нецелесообразно, и чтобы избежать значительного увеличения поверхности нагрева аппарата, необходимо ‘перевести перегретый пар в сухое насыщенное состояние.

Перегретый пар превращают в насыщенный, вводя его в непосредствен­ное соприкосновение с холодной водой в аппаратах, называемых п а — ровыми умформерами. В паровом умформере с непосред­ственным впрыскиванием распыленной воды (рис. 291) перегретый пар подводится сверху через штуцер /, проходит винтовую насадку 2 и по­лучает завихренное движение.

Рис. 291. Паровой умформер:

/—штуцер для перегре­того пара; 2—винтовая насадка; 3—форсунки; 4—штуцер для насы­щенного.,пара; 5—пат­рубок для отвода воды.

Навстречу движущемуся пару из форсунок 3 впрыскивается холод­ная вода, которая перемешивается с перегретым паром и, испаряясь за счет теплоты перегрева, переводит пар в насыщенное состояние.

Полученный насыщенный пар отводится через штуцер 4 в нижней части аппарата, а неиспарившаяся вода стекает через патрубок 5, соеди­ненный с конденсационным горшком.

Комментарии к записи Методы выпаривания отключены

Источник