25.2. Выпарные установки
Выпаривание применяют для получения высококонцентрированных рассолов или плотных остатков веществ, содержащихся в сточных водах.
Примерами могут служить выпаривание отработанных травильных растворов перед подачей на кристаллизацию или выпаривание сульфит-сульфатных щелоков, которые возвращаются в основной технологический цикл, а обессоленную воду используют для приготовления чистых растворов. Выпаривание применяют также для обезвреживания высокотоксичных сточных вод.
Процесс выпаривания идет под атмосферным давлением или под вакуумом. В качестве теплоносителя обычно используют «глухой пар». Выпарными, как правило, являются установки непрерывного действия. Лишь при обработке небольшого количества сточной воды, а также при выпаривании до высоких конечных концентраций (вплоть до получения плотного остатка) применяют аппараты периодического действия.
Рис. 25.1. Трехкорпусная вакуум-выпарная установка
1 — исходный раствор; 2 — подогреватель исходного раствора; 3 — первичный пар; 4 — корпусы установки; 5 — вторичный пар; 6 — барометрический конденсатор; 7 — вода; 8 — ловушка; 9 — вакуум-насос; 10 — упаренный раствор; 11 — конденсат
Однокорпусные выпарные установки могут работать под атмосферным давлением или под вакуумом. Аппарат состоит из теплообменного устройства — нагревательной камеры и сепаратора. Камера обогревается обычно насыщенным паром, поступающим в ее межтрубное пространство. Конденсат отводят снизу камеры.
Поднимаясь по трубам, выпариваемый раствор (сточные воды) нагревается и кипит с образованием вторичного пара, который вместе с каплями жидкости поднимается вверх в сепаратор. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.
Часть жидкости опускается по циркуляционной трубе под нижнюю трубную решетку греющей камеры. Вследствие разности плотностей раствора и паро-жидкостной эмульсии жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор (рассол) удаляется через штуцер в днище аппарата. При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар удаляется в атмосферу или конденсируется в холодильнике. Если выпаривание производится под вакуумом, то вторичный пар отсасывается в конденсатор паров, соединенный с вакуум-насосом.
Выпаривание под атмосферным давлением является наиболее простым способом, однако проведение процесса под вакуумом имеет определенные преимущества: допустимы более низкие температуры, что важно в случае концентрирования веществ, способных разлагаться при повышенных температурах; при разрежении увеличивается полезный перепад температур между греющим агентом и кипящим раствором, что позволяет уменьшить площадь поверхности нагрева аппарата, использовать греющий агент более низких рабочих параметров. Вместе с тем применение вакуума удорожает выпарную установку, поскольку требуются дополнительные затраты на устройство для создания вакуума (конденсатора, ловушки вакуум-насоса), а также увеличиваются эксплуатационные расходы. По мере концентрирования сточных вод в процессе выпаривания температура кипения возрастает на величину температурной депрессий, которая равна разности между температурами кипения чистой воды и раствора.
Ориентировочно расход пара можно принимать при выпаривании под атмосферным давлением 1,1 кг на 1 кг выпариваемой воды, под вакуумом 1,2 кг/кг. Образующийся при выпаривании водяной пар конденсируют, охлаждая водой в поверхностных конденсаторах либо конденсаторах смешения.
Во всех случаях температура воды должна быть ниже tK. Обычно расход воды в конденсаторах составляет 15—60 кг на 1 кг конденсируемого пара.
Многокорпусные вакуум-выпарные установки. Применение вакуума позволяет производить многоступенчатое выпаривание, используя на каждой ступени (кроме первой) вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного греющего пара. Схема многокорпусной прямоточной вакуум-выпарной установки показана на рис. 25.1.
Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Устройство каждого корпуса такое же, как в однокорпусных установках, описанных выше. Исходные сточные воды, обычно предварительно нагретые до температуры кипения, поступают в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Свежий пар служит для поддержания температуры кипения только в первом корпусе. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления сточные воды кипят при более низкой температуре, чем в первом.
Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название «самоиспарение раствора».
Вторичный пар из последнего корпуса отводится в барометрический конденсатор, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы отсасываются через ловушку вакуум-насосом. С увеличением числа корпусов уменьшается удельный расход первичного греющего пара, что особенно важно при упаривании больших количеств сточных вод. Вместе с тем повышается металлоемкость установки и усложняется ее эксплуатация. Оптимальной считается установка, имеющая 3—4 корпуса.
Сравнительная эффективность работы каждого корпуса мнбгокорпусной установки представлена в табл. 25.1, а удельный расход пара дан табл. 25.2.