Процесс выпаривания

Концентрацию упаренного раствора можно регулировать изменением расхода раствора. При таких схемах регулирования количество поступающего исходного раствора определяется условиями  работы выпарной установки. Не рекомендуется  стабилизировать концентрацию упаренного раствора воздействием на подачу свежего  раствора на установку. Вследствие большого запаздывания такая схема не обеспечит  высокого качества регулирования

К наиболее сильным возмущающим  воздействиям относятся изменения  расхода теплоносителя. Эти возмущения компенсируют установкой стабилизирующего регулятора расхода. При целенаправленном изменении расхода теплоносителя  в объект могут вноситься и  регулирующие воздействия. Однако при  этом может возникнуть «пленочное кипение», что неэкономично.

С изменением других параметров теплоносителя в объекте будут  иметь место другие возмущения.

Анализ возмущающих воздействий  в объекте управления показал, что  часть параметров, определяющих концентрацию упаренного раствора, будет изменяться.

Чтобы при наличии возмущающих  воздействий цель управления была достигнута, следует в качестве главной регулируемой величины брать концентрацию упаренного раствора, а регулирующее воздействие  вносить изменением расхода свежего  раствора.

 

 

2. Постановка задачи автоматизации

 

Концентрацию упаренного раствора (Су.р.) определяют по разности между температурами кипения раствора и растворителя (по температурной депрессии). Температурная депрессия - разность между температурами кипения раствора и растворителя. О концентрации упаренного раствора можно судить и по плотности.

Итак, для достижения цели управления процессом следует регулировать температурную депрессию (изменением расхода свежего раствора); давление в аппарате (изменением расхода паров  растворителя) и расход теплоносителя.

Для поддержания материального  баланса в аппарате необходимо регулировать уровень раствора изменением расхода  упаренного раствора.

В процессе выпаривания контролируют расходы свежего раствора, упаренного раствора, пары теплоносителя; температуру, давление и расход теплоносителя; давление и уровень в аппарате; температурную  депрессию. Сигнализации подлежат отклонение концентрации Су.р. от заданного значения и прекращение подачи раствора. В последнем случае устройство защиты должно отключить линию теплоносителя для предотвращения порчи продукта и аварии.

 

3. Описание принципиальной электрической схемы

Рисунок Принципиальная электрическая схема выпарной установки

 

При размещении нагревательной камеры вне корпуса  аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси  в циркуляционном контуре но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с  выносной нагревательной камерой (рис. 3) имеет кипятильные трубы, длина  которых часто достигает 7м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная  нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает  и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию  и ремонт нагревательной камеры можно  производить без полной остановки  аппарата (а лишь при снижении его  производительности), если присоединить к его корпусу две камеры.

Исходный  раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным  трубам, выпаривается.

Вторичный пар  отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по не обогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется с сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость  циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа получили широкое распространение.

В некоторых  конструкциях выпарных аппаратов с  выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 3, у которого удалена циркуляционная труба.

В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т.е. аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов.

 

1.5 Описание функциональной схемы

Использование: вакуум-выпарная установка может найти применение в химической, пищевой, медицинской  и биотехнологиях. Вакуум-выпарная установка включает выносную нагревательную камеру 1, сепаратор 2 со встроенным в его объем конденсатором 3, кожухом которого является отсасывающая труба 4 сепаратора, вакуум-насос 5 и систему подводящих и отводящих трубопроводов 6 с вакуум-запорной арматурой 7. Кроме того, установка может быть снабжена емкостью-сборником 8 конденсата вторичного пара. Предлагаемая установка компактна, надежна, технологична, экономична и при необходимости стерильна. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к  производству оборудования для химической, пищевой, медицинской и биотехнологий, в частности вакуум-выпарных установок.

Известна вакуум-выпарная установка, включающая выносную нагревательную камеру, сепаратор и поверхностный  конденсатор, размещенный в отдельном  кожухе (авт.св. N 611624, СССР, кл. B 01 D 1/00).

Недостатком известной установки  является ее большая металлоемкость, громоздкость и нетехнологичность в процессах с применением вакуума.

Наиболее близкой предлагаемому  техническому решению является вакуум-выпарная установка (рекламный проспект фирмы  Anhydro, Дания), включающая выносную нагревательную камеру, сепаратор и конденсатор, совмещенные в одном кожухе, вакуум-насос и систему подводящих и отводящих трубопроводов с вакуум-запорной арматурой. В установке использован конденсатор смешения, выполненный в виде разбрызгивателя холодной воды.

Недостатком этой установки  является то, что в ней охлаждающая  вода, конденсаты греющего и вторичного пара проходят через водокольцевой  вакуум-насос, что предполагает повышенную на него нагрузку и может сказываться  на качестве вакуума. Кроме того, конденсатор  такой конструкции предлагает повышенный расход воды, не допускает возможности  возвращения в производство конденсата вторичного пара, не позволяет проводить  процесс в асептических условиях, например для производства медицинских  и биолого-активных препаратов.

Устранить подобные недостатки позволяет предлагаемая вакуум-выпарная установка, включающая выносную нагревательную камеру, сепаратор, совмещенный с  конденсатором в одном корпусе, вакуум-насос и систему подводящих и отводящих трубопроводов с  вакуум-запорной арматурой, в которой применен конденсатор поверхностного типа, встроенный в объем сепаратора, при этом отсасывающая труба сепаратора является кожухом конденсатора. Кроме того, вакуум-выпарная установка может быть снабжена емкостью-сборником, посредством трубопроводов с вакуум-запорной арматурой, сообщенной с конденсатором и вакуум-насосом.

Сущность изобретения  заключается в том, что выполнение конденсатора поверхностным позволяет  использовать конденсат вторичного пара (органические растворители, дистиллированную воду и т. д.), обеспечивает проведение процесса в стерильных условиях при  производстве медицинских препаратов и биолого-активных веществ, обеспечивает устойчивый режим работы вакуум-насоса, так как исключена нагрузка на него в виде конденсата вторичного пара и греющего пара, снижается  расход охлаждающей воды, поскольку  она возвращается в процесс.

Выполнение конденсатора встроенным в объем сепаратора так, что отсасывающая труба сепаратора выполняет функцию кожуха конденсатора позволяет снизить хладопотери и повысить тем самым эффективность работы конденсатора (применительно к конденсаторам поверхностного типа), а кроме того снижает металлоемкость и габариты конструкции.

Наличие же емкости-сборника позволяет собирать конденсат вторичного пара в виде чистого органического  растворителя или дистиллированной воды и направлять их в производстве, а кроме того предотвращает выброс выпариваемого продукта в вакуум-насос  и канализацию.

На чертеже изображена схема предлагаемой вакуум-выпарной установки.

Установка включает выносную нагревательную камеру 1, сепаратор 2 со встроенным в его объем конденсатором 3, кожухом которого является отсасывающая труба 4 сепаратора 2, вакуум-насос 5 и  подводящие и отводящие трубопроводы 6 с вакуум-запорной арматурой 7. Кроме того, установка может быть снабжена емкостью-сборником 8 конденсата вторичного пара.

Установка работает следующим  образом.

Нагревательную камеру 1 заполняют смесью, которую необходимо сконцентрировать, удалив максимум растворителя. В нагревательной камере в вакууме  смесь нагревают до температуры  кипения. Кипящая парожидкостная смесь поступает в сепаратор 2, где жидкая фаза, собираясь в нижней части сепаратора, возвращается в нагревательную камеру, а отогнанный растворитель в виде пара, собираясь в верхней части сепаратора 2, затягивается в кольцевое пространство между отсасывающей трубой-кожухом 4 и охлаждающей поверхностью конденсатора 3, где он конденсируется и может быть собран в емкости-сборника 8 для дальнейшего использования.

Затем в нагревательную камеру 1 установки добавляют следующую порцию упариваемой смеси и процесс повторяется снова, при этом концентрация смеси в установке с каждым циклом повышается. При достижении необходимой концентрации смеси процесс прекращают и через сливной вентиль 9 выгружают сконцентрированный продукт.

Предлагаемая вакуум-выпарная установка компактна, надежна, технологична, при необходимости стерильна  и экономична.

Рисунок Принципиальная схема  выпарной установки

 

Расход греющего пара на выпаривание растворов в однокорпусных  аппаратах весьма велик и в  ряде производств составляет значительную долю себестоимости конечного продукта. Для уменьшения расхода греющего пара широко используют многокорпусные выпарные аппараты. Принцип действия многокорпусных аппаратов заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путём последовательного соединения нескольких однокорпусных аппаратов, позволяющем использовать вторичный пар каждого предыдущего корпуса для обогрева последующего. Для практического осуществления такого многократного использования одного и того же количества тепла требуется, чтобы температура вторичных паров каждого последующего корпуса была выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Это требование легко выполняется путем понижения рабочего давления в корпусах по направлению от  первого к последнему. С этой целью устанавливается сравнительно высокая температура кипения в первом корпусе и температура 50—60 ^оС в последнем корпусе выпарной установки под разряжением, который соединяется с конденсатором, снабженным вакуум-насосом.

Если греющий пар и  жидкий раствор поступают в первый, «головной», корпус выпарной установки, то последняя называется прямоточной (Рисунок 1.1). По такому принципу работает большинство выпарных установок. Если же греющий пар поступает в первый по порядку корпус, а жидкий раствор — в последний и переходит из последнего корпуса к первому, то установка называется противоточной. Такое встречное движение пара и раствора применяется в случае упаривания  растворов с высокой вязкостью и большой температурной депрессией в целях повышения коэффициентов теплопередачи. Однако одновременно усложняется и обслуживание аппарата в связи с тем, что подобная схема требует установки между каждыми двумя корпусами установки насосов для перекачки раствора, движущегося по направлению возрастающих давлений, не говоря уже об дополнительных затратах на расход энергии на насосы.    При выпаривании кристаллизующихся растворов их перегон из корпуса в корпус может сопровождаться закупоркой соединительных трубопроводов и нарушением нормальной работы установки. При этом часто используют аппараты с параллельным питанием корпусов (Рисунок 1.3). Здесь раствор выпаривается до конечной концентрации в каждом корпусе, а пар, как и в предыдущих двух схемах, движется последовательно по направлению от первого корпуса к последнему. В этом же направлении снижаются рабочие давления и температуры кипения раствора в корпусах.

В химической промышленности применяются непрерывно и периодически действующие выпарные установки. При  периодической выпарке в аппарат  загружают определенное количество раствора начальной концентрации, подогревают  его до температуры кипения и  выпаривают до заданной концентрации. Затем упаренный раствор удаляют  из аппарата, вновь заполняют ею свежим раствором и процесс повторяют. Установки периодического действия обычно выполняются в виде отдельных  аппаратов. Осуществить многоступенчатую выпарную установку с выпарными аппаратами периодического действия не возможно.

Применяемые схемы многокорпусных выпарных установок различаются  по давлению вторичного пара в последнем  корпусе. В соответствии с этим признаком установки делятся на работающие под разряжением, под избыточным и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Установки, в которых последняя  ступень находится под некоторым  избыточным давлением, называются выпарными  установками с противодавлением  Уменьшение давления вторичного пара последней ступени связано с  уменьшением  полезного перепада температур на установку, т. е. приводит к уменьшению кратности использования  пара, что снижает экономические  показатели.