Utilaje pentru evaporare - Evaporatorul cu tub central de circulatie

Utilaje pentru evaporare - Evaporatorul cu tub central de circulatie

CAP I : Notiuni teoretice

1-1. Bazele teoretice ale procesului.

Evaporarea este o reactie termica de separare partiala sau totala a solutiilor formate prin dizolvarea substantelor nevolatile in dizolvanti volatili. Operatia consta in transformarea in vapori a dizolvatului volatile urmata de indepartarea acestora din aparatul in care are loc operatia. In aceest mod continutul dizolvantului in sol scade, iar concentratia solutiei in substanta nevolatila creste. Transformarea dizolvatului in vapori se poate face prin fierbere sau prin vaporizare; evaporarea se refera numai la transformarea dizolvatului in vapori prin fierbere (operatia se desfasoara la temperature de firbere a solutiei, presiunea vaporilor dizolvatului fiind egala cu presiunea lor de saturatie la temperatrura respective).

Prin evaporare, vaporii dizolvantului se obtin in stare practice pura, iar substanta nevolatila (dizolvatul) de obicei un solid sau un lichid cu temperature ridicata de fierbere (acid sulfuric, glicerina, etc.), ramane in stare concentrate in aparat sau se separa in stare solida prin operatii auxiliare (cristalizarea).

Separarea totala in acelasi aparat, fara operatii auxiliare este posibila numai in cazul substantelor nevolatile in stare lichida (glicerina) sau cand la temperature de evaporare substanta lichida nevolatila se gaseste in stare topita (azotat de amoniu si hidrixid de sodiu).

Utilaje in care se realizeaza operatia de evaporare se numesc evaporatoare. Caldura necesara evaporarii poate fi furnizata de purtatorii de caldura gazosi, lichizi sau vapori prin incalzire directa si indirecta.

Incalzirea directa (fara perete despartitor) este utilizata rar in special la concentrarea solutiilor corosive cu arzator afundat. Cel mai raspandit mod de transmitere a caldurii in evaporatoare este incalzita indirect cu vapori de apa. Mai rar se utilizeaza incalzirea cu gaze de ardere (obtinerea hidroxidului de sodiu solid) si uneori cu purtatori de caldura lichizi; incalzirea electrica se utilizeaza foarte rar, vaporii de apa utiliozatri pentru incalzirea evaporatoarelor se numesc vapori primari ( abur primar), iar vaporii rezultati in urma evaporarii dizolvantului se numesc vapori secundari.

1-2. Factorii care influenteaza operatia de evaporare.

Acesti factori se refera atat la solutia initiala cat si la solutia concentrata, precum si la operatia de evaporare in ansamblu.

Influenta lor se poate manifesta asupra transferului termic, asupra calitatilor, solutii finale, asupra eficientei instalatiei sau asupra costului operatiei de evaporare.

Dintre factorii referitori la solutia initiala o importanta deosebita o prezinta urmatorii:

concentratia si natura solutiei

constantele fizice ale solutiei

presiunea de vapori

sensibilitatea termica

depunerea de cruste sau cristale

formarea de spuma

Factorii referitori la solutia concentrate cuprind, in afara celor

enumerate la solutia initiala, concentratia solutiei finale si formarea acesteia (solutie, topitura sau cristale).

Dintre factorii referitori la operatia de evaporare in ansamblu o importanta deosebita o prezinta: modul de functionare (continuu si discontinuu, circulatia solutiei in evaporator si in instalatie, presiunea si temperature in evaporatoare, presiunea hidrostatica, parametrii aburului primar, durata evaporarii si costul operatiei).

Cativa din acesti factori,a caror influenta trebuie neaparat avuta in vedere la alegerea tipurilor constructive si la calculul instalatiilor de evaporare vor fi analizati mai indeaproape;o parte din ceilalti vor fi considerati la prezentarea procedeelor de evaporare si a tipurilor de evaporatoare.

Temperatura de fierbere a solutiei intr-un evaporator t`este mai mare decat temperature de fierbere a solventului pur t la presiunea sub care are loc evaporarea.Cresterea temperaturii de fierbere a solutiei se datoreste influentei substantei nevolatile dizolvate, presiuni hidrostatice din evaporator si rezistenta hidraulica la trecerea vaporilor secundari.

Dizolvarea unei substante nevolatle intr-un dizolvant volatile are ca efect scaderea presiuni de vapori a dizolvatului si ca urmare cresterea temperature de firbere a solutiei.Crestere temperaturii de fierbere a solutiei este cu atat mai mare cu cat este mai concentrata solutia respective.

Sensibilitatea termica , unele substante in special organice prin mentinerea la o temperatura mai ridicata se degradeaza adica se descompun chimic sau pierd anumite calitati ,privind aspectul ,mirosul sau culoarea.Degradarea este in functie de produsul dintre temperature t si durata de ramanere la temperature respectiva.

Cpitolul II Procedee de evaporare

2-1.Evaporarea simpla

Acest procedeu realizeaza con centrarea solutiei intr-un singur evaporator, prin evaporarea solutiei,pana la atingerea cocentratiei cerute evaporarea simpla pote fi continua sau discontinua .Solutia initiala S0 este continuu alimentata in evaporator.In urma evaporarii rezulta vapori secundari w1 si solutia concentrata .

Productivitateaevaporatorului depinde de parametric aburului primar de diferenta intre temperature acestuia si temperature solutiei de suprafatade incalzire de coficient total de transfer termic.Vapori secundari w1 sant fie evacuate in atmosfera fie condesati intr-un condensator fie utilizati ca purtatori de caldura pentru incalzirea altor aparate .

Evaporarea simpla poate fi realizata sub presiune sau sub depresiune (vid).La evaporarea sub vid depresiunea se realizeaza prin condensarea vaporilor secundari intr-un condensator special si prin evacuarea gazelor necondensabile din spatial de fierbere cu ajutorul unei pompe de vid.Evaporarea sub vid permite scaderii temperaturii de fierbere a solutiei putand fi astfel utilizata pt concentrarea solutiilor termolabile.Alte avantaje ale evaporarii sub vid sunt:posibilitatea mariri diferentei de temperature intre aburul primar si solutia de concentrat micsorarea suprafetei de incalzire folosind aburul primar de presiune joasa.Economi de metal pentru reducerea grosimi peretilor evaporatorului.Evaporarea sub presiune este mai rar utilizata in procedee de evaporare simpla deoarece ridica temperature de fierbere a solutiei si deci necesita abur primar de presiune ridicata.Aburul secundar obtinut poate fi utilizat ca agent de incalzire sau in diferite scopuri tehnologice Evaporarea simpla discontinua se utilizeaza pt concentratia solutiilor cu vascozitate mare sau pentru obtinerea unor solutii cu concentratie finala mare,deoarece in aceste cazuri de operatie de evaporare se inrautateste ca efect al cresterii vascozitatii si concentratiei,numai catre sfarsitul evaporarii.

In cazul evaporarii simple continua concentratiasolutiei in evaporator este foarte apropiata de concentratia finala si deci operatia se desfasoaratot timpul in conditii defavorabile.

2-2.Evaporarea cu efect multiplu.

Acest procedeu de evaporare urmareste realizarea unei economi de abur primar pentru incalzire si de apa de racier pentru condensare prin utilizarea vaporilor dintr-un evaporator cu abur de incalzire in evaporatorul imediat urmator al unei evaporari formata din mai multe aparate.Intradevar 1 kg de abur primar produce in primul evaporator aproximativ 1 kg de abur secundar(v0-w1)aburul secundar din primul evaporator va produce la randul sau 1 kg abur secundar in cel de-al doilea evaporator si asa mai departe.Rezulta ca intr-o instalatie cu efect multiplu fomata din n evaporatoare,1 kg abur secundar deoarece restul de(n-1) kg abur secundar se condenseaza in spatiile de incalzire ale evaporatoarelor.Consum real de abur primar intr-o instalatie de evaporare cu efect multiplu difera intr-o oarecare masura de consum theoretic.Astfel din datele practice rezulta ca pentru producerea unui kg de abur secundar este nevoie de o cantitate de abur primar care reprezinta 1,1kg pentru un singur evaporator 0,57 kg pentru 2 evaporatoare 0,4 kg pt tei 0,3kg si 0,27 kg pentru 4 si respective 5 eaporatoare.Pentru aburl secundar dintr-un evaporator sa poata sa fie folosit ca aburul de incalzire in evaporatorul imediat urmator este necesar ca temperature de fierbere a solutiei din aceasta sa fie mai mica decat cea din evaporatorul precedent.Daca aceasta conditie nu este implinita aburul nu poate fi utilizat ca purtator de caldura.Rezulta ca intr-o instalatie de evaporare cu efect multiplu temperaturile si presiunile sunt diferite cazand de la primul catre ultimul evaporator.

Primul evaporator se considera evaporatorul incalzit cu abur primar ultimul evaporator este considerat evaporat6or ai carui vapori secundari nu mai sunt utilizati pentru incalzirea pentru o instalatie de evaparae si sunt considerati sau sunt utilizati in alte scopuri.O instalatie cu efect multiplu este formata dintr-un numar de eaporatoare ( de obicei 3-5)de cele mai multe ori identice astfel dispuse incat sa se asigure circulatia solutiei intre evaporatoare iar vapori secundari produsi intr-un evaporator sa poata comunica printr-o conducta de legatura cu spatial de incalzire al evaporatorului urmator.Numerotarea evaporatoarelor se face in sensul circulatiei vaporilor de incalzire.Circulatia solutiei intre evaporatoarele unei instalatii cu efect multiplu.In functie de alimentarea solutiei diluate si de sensul de circulatie in raport cu circularea vaporilor de incalzire se deosebesc urmatoarele scheme de circulatie a solutiei:alimentarea individualacirculatia in current parallel circulatia in contra current si circulatia in current mixt.

In alimentarea individuala,toate evaporatoarele instalatiei sunt alimentae cu solutie diluata dintr-o conducta comuna si din fiecare evaporator iese solutia cu concentratia finala.Prezinta avantajul lipsei coductelor de legaturapentru solutia dintre evaporatoare insa are si dezavantajul ca in fiecare evaporatore creste punctual de firbere a solutiei este maxima.La circulatia in curent paralel solutia diluata este alimentata in primul evaporator unde se concentreaza pana la o concentratie intermediara c1 din aceasta trece in evaporatorul al doilea c2 pana la ultimul evaporator di care iese cu concentratia finalacf.Solutia trece dintr-un evaporator in altul liber,fara pompa datorita diferentei de presiune dintre evaporatoare.    

Deoarece si temperaturile cad si in timpul circulatiei solutiei rezulta ca aceasta intra in fiecare evaporator cu temperature mai mare decat temperature de fierbere rezulta ca o parte din dizolvat se evapora folosind caldura sensibila adusa de solutia insasi.Dezavasntajul acestei scheme consta in aceea ca solutia de concentratie maxima deci cu vascozitate mare se concentreaza in ultimul evaporator unde temperature este minima,adica in conditiile cele mai defavorabile pentru transmiterea caldurii.desi aceasta schema este cea mai des utilizata ea este indicate pentru evaporari pana la concentrare finala darn u prea mari.

In circulatia in contracurent solutia diluata este alimentata in ultimul evaporator de unde trece inapoi pentru celelalte evaporatoare ale instalatiei in sens invers al circulatiei vaporilor secundari concentrandu-se treptat pana la ultimul evaporator din care iese cu concentratia finala.Deoarece in acest caz presiunea din evaporatoare in sensul circulatiei solutiei creste trecerea dintr-un evaporator in altul se face cu ajutorul pompelor.

Avantaujul principal al chemei de circulatie a solutiei cansta in aceea ca solutia pe masura ce se concentreaza trece in evaporatoare cu temperature din ce in ce mai ridicata astfel incat valoarea coeficientuluitotal de trasmitere a caldurii nu variaza mai mult de la ultimul la primul evaporator.

In afara de aceasta in circulatie in contracurent se produce mai putin abur secundar in ultimul evaporator reducandu-se astfel necesar de apa de racier in condensare.Circulatia in curent mixt reprezinta o imbinare intre circulatia in echicurent si contracurent.Desi exista mai multe posibilitati de circulatie in curent mixtmai des se utilizeaza pentru instalatiile cu patru evaporatoare alimentarea solutiilor facandu-se in ultimul evaporator de unde trece in primul continuidu-se apoi circulatia in curent parallel.

2-3. Evaporarea cu pompa de caldura.

Evaporatoarele cu pompa de caldura utilizeaza ca vapori primary pentru concentrarea solutiei chiar vaporii secundari rezultati in urma evaporarii dupa ce I se ridica prin comprimare, presiune si temperature de condensare. Pentru comprimarea vaporilor secundari se folosesc compresoare sau injectoare cu vapori la unitatile mari se recomanda folosirea turbocondensoarelor. Vaporii secundari din spatial de vapori al evaporatorului avand presiunea p1 si temperature t1 sunt comprimati in injectorul cu abur pana la presiunea p2>p1 si temperature ts devenind vaporii supraincalziti; vaporii cu temperature astfel ridicata se utilizeaza apoi ca vapori primary in spatial de incalzire a evaporatorului . Aburul primar pentru incalzirea evaporatorului nu se adauga decat initial la pornirea instalatiei.

Cap. III. Tipuri de evaporatoare.

3-1. Un evaporator consta in doua elemente importante care asigura caldura necesara concentrarii solutiei si separarea picaturilor antrenate de vaporii secundari in sistemul de incalzire. Utilizand aburul ca purtator de caldura, separatoarele de picaturi utilizate difera de la aparat la aparat in functie de natura solutiei si de viteza vaporilor secundari in evaporator.

Dupa modul de circulatie al solutiei in spatial de fierbere evaporatoarele se clasifica in trei categotii principale:

evaporator cu circulatie naturala

evaporatoare cu circulatie fortata

evaporatoare cu film de solutie

Evaporatoare cu circulatie naturala. Cel mai raspandit aparat din aceasta categorie este evaporatorul vertical cu tub central de circulatie. Jumatatea inferioara a acestor aparate reprezinta camera de incalzire care consta intr-un fascicol de trei tevi avand capetele fixate intre doua placi tubulare de incalzire. In axa evaporatorului este montat tubul de recirculatie care are diametrul mult mai mare decat celelalte tevi, aburul primar intra in spatial dintre tevi iar solutia fierbe in tevile sistemului de incalzire.

Circulatia naturala a solutiei in evaporator se datoreste incalzirii mai intense a tevilor fierbatoare subtiri fata de incalzirea mai redusa in tunul central. In acest mod tevile fierbatoare subtiri datorita formarii mai intense a vaporilor solutia va avea densitatea mai mica decat in tubul central: datorita acestui fapt solutia circula in sens ascendant in tevile fierbatoare subtiri si in sens ascendant in tevile fierbatoare subtiri si in sens descendent in tubul central de circulatie. Aceasta circulatie are ca efect marirea coeficientului total de transfer de caldura si impiedica depunerea particulelor solide pe suprafata interioara a tevilor fierbatoare.

Jumatatea superioara a aparatului reprezinta spatial vaporilor secundari avand diametrul putin mai mare pentru a reduce vitaza acestora. Vaporii se degaja din solutie in spatial de vapori, trec prin separatoare de picaturi si sunt evacuate din evaporatori prin conducta vaporilor secundari.

Evaporatoare cu tub central de circulatie se construiesc cu suprafete de incalzire pana la 350 mp. Tevile fierbatoare au lungimea cuprinsa intre 2 si 4m. Diametrul exterior 38 sau 57mm. Productivitatea acestor aparate atinge 8-10kg vapori/mp

La acest aparat rolul tubului central de recirculatie este indeplinit de spatial inelelor dintre incalzitor si mantaua evaporatorului. Asigura o buna circulatie a solutiei , incalzirea poate fi scoasa din aparat pentru curatire si reparatie. Pentru reducerea innaltimii aparatului si obtinerea unor productivitati mai mari sau realizat evaporatoarele cu incalzitor exterior.

Un asemenea aparat este format dintr-un schimbator de caldura si din separatorul de lichid. Solutia de concentrate alimentata la partea inferioara a incalzitorului in tevile fierbatoare se transforma intr-un amestec solutie-vaporicare se ridica cu viteza mare si intra in separatorul de lichid unde solutia con centrata se separa de vaporii secundari o parte din solutie este scoasa din separator ca produs final iar restul este recirculat prin conducta exterioara de circulatie.Datorita bunei circulatii a solutiei care duce la cresterea coeficientului de transfer termic acest pir de evaporator se caracterizeaza prin productivitati mari.

Evaporatoarele cu circulatie naturala a solutiei au urmatoarele avantaje principale:circulatia buna a solutiei productivitatea buna montare si demontare usoare cost relative redus