Evaporator

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Evaporator de film în cădere pentru tratamentul sifonului caustic.

Evaporatorul este echipamentul potrivit pentru obținerea evaporării unui solvent într-o soluție care conține un dizolvat slab volatil (sau nevolatil). În chimia industrială , un evaporator este definit ca un aparat adecvat pentru concentrarea, prin administrarea de energie, a unei soluții constând dintr-un solvent volatil și un solut nevolatil. Diferă de uscare prin faptul că rezultatul procesului este mai degrabă un lichid decât un solid . Evaporarea poate induce totuși precipitarea solutului sub formă solidă, generând astfel un proces de cristalizare .

În cel mai comun sens, evaporatorul este un echipament în care circulă un fluid frigorific al unui ciclu frigorific care, prin absorbția căldurii din mediul extern, își schimbă starea fizică și dintr-un lichid de înaltă presiune devine vapori supraîncălziți la presiune scăzută. De fapt, un exemplu de evaporator pe care toată lumea îl are acasă este „placa rece” din interiorul frigiderului : în acest caz căldura absorbită este cea din interiorul frigiderului și este emisă în exterior de radiatorul din spatele aparatului. Pentru a determina căderea de presiune la intrarea evaporatorului, care este condiția prealabilă pentru evaporarea agentului frigorific, precum și pentru a evita un flux excesiv de agent frigorific lichid, care poate ajunge la compresor și poate provoca deteriorarea părților mecanice după pomparea unui fluid incompresibil și spălarea lubrifiantului, debitul este limitat în mod constant sau reglat în funcție de sarcina termică la care este supus evaporatorul în fiecare moment, de un dispozitiv special numit supapă de laminare , poziționat în aval de evaporatorul. Agentul frigorific lichid care depășește nevoile evaporatorului se acumulează într-un recipient situat în aval (în cazul unui tub capilar) sau în amonte (în cazul unei supape termostatice) al organului.

fundal

Tip Kettle evaporator
Evaporator LTV cu circulație forțată
Evaporator LTV cu circulație naturală

Evaporarea a fost folosită de om de la apariția homo sapiens . Chiar înainte de descoperirea focului , separarea prin concentrație a unui solvent (apă) de o soluție (saramură) a fost recunoscută ca o metodă, incontrolabilă la momentul respectiv, de a produce un compus valoros, sarea obișnuită. Descoperirea focului , ca primă sursă termică controlată, a condus la o înțelegere a proceselor termice, inclusiv a evaporării, iar cel mai notabil exemplu este concentrația bulionelor alimentare, anterior imposibilă. În vremurile istorice, producția de clorură de sodiu prin evaporare solară a devenit o industrie, iar mai târziu evenimentul s-a repetat odată cu producția de zahăr prin cristalizare prin evaporare (probabil prima aplicare a evaporării ca operație unitară ). Evaporatoarele moderne s-au născut în secolul al XIX-lea , când vaporii de apă au devenit accesibile cu cele două modele de bază ale evaporatorului:

  • ceainicul sau conductele scufundate
  • calandria sau tuburile verticale scurte ( STV din engleza Short Tube Vertical ).

La ambele modele fierberea are loc în contact cu țevile, în interiorul cărora (tip ceainic ) sau în afara cărora (tip calandria ) se condensează vaporii de apă; de aceea se obține o mișcare puternic turbulentă, cu un schimb de căldură excelent, dar cu murdări rapide în țevi.

Pentru a depăși aceste probleme, au fost introduse noi modele de evaporator în secolul al XX-lea , în special prin introducerea conceptului de circulație externă, ca și în tipurile LTV , din engleza Long Tube Vertical , adică tuburi verticale lungi , dintre care există diferite forme:

Clasificare după schema de construcție

În diagramele următoare, dacă nu se indică altfel, 1 desemnează intrarea lichidului care trebuie concentrat; 2 ieșirea concentratului; 3 intrarea aburului viu și 4 ieșirea vaporilor epuizați. A (A1, A2, ...) sunt schimbătoare de căldură și B (B1, B2, ...) separatoare de vapori.

Evaporatoare cu o singură trecere

În aceste modele, soluția slabă este alimentată la schimbătorul de căldură și, în aceeași cameră sau într-o cameră separată, există separarea fazei lichide (care se evaporă treptat) de cea solidă (sau mai bine zis, de lichid-solid soluție mai bogată în faza solidă); lichidul concentrat este apoi extras din sistem. În acest fel, se obține în mod evident timpul minim de expunere a soluției la temperaturile de evaporare relativ ridicate.

Evaporatoare cu recirculare

În acestea (vezi și mai sus) lichidul circulă continuu între schimbător și camera de separare a fazelor; circulația se datorează fie efectului natural al unui radiator (exploatarea diferenței de densitate între lichidul cald și cel rece, fie prin tragere datorită schimbării de stare, dacă aceasta are loc în interiorul conductelor), fie prin acțiunea unei pompe hidraulice , cu prevalență suficientă pentru a depăși pierderile de sarcină din circuit.

În primul caz vorbim despre evaporatoare cu circulație naturală . Un exemplu clasic este cel al „tuburilor scurte” ( calandria în engleză) în care lichidul de proces, cel care urmează să fie concentrat, circulă între două camere separate de o diafragmă . Acesta din urmă constă din tuburi scurte (2 m) și un tub central mare; este invadat de abur care încălzește suprafața externă a conductelor menționate mai sus, în interiorul căreia curge lichidul de proces, guvernat de mișcări convective declanșate de căldură, recirculând între camera de evaporare subiacentă și cea de deasupra.

În cel de-al doilea caz vorbim de evaporatoare cu circulație forțată (în limba engleză forced circulation evaporator). [1]

Evaporator de film în cădere

Diafragma evaporatorului.jpg

Evaporatoare de film

La evaporatoarele de film în cădere, fierberea are loc în interiorul tuburilor schimbătorului de căldură , numite „film”, atât în ​​direcția ascendentă, cât și în cea descendentă.

Mișcarea lichidului în interiorul schimbătorului se datorează gravitației, dacă este descendent (sau, așa cum spunem noi, căzând ) sau tragerii datorită fierberii, dacă este ascendentă. În primul caz vorbim de „ evaporatoare de film în cădere ”. [2] În al doilea caz, pe de altă parte, vorbim despre „ evaporatoare de film în creștere ”. [3]

În general, evaporatoarele de film permit coeficienți de schimb de căldură foarte mari, grație vitezei destul de mari a lichidului în contact cu țevile, dar sunt foarte sensibili la formarea de murdărie datorită precipitării solidelor pe suprafața de schimb, care devine punctul de temperatură maximă și concentrație. Acestea sunt utilizate în special în industria tomatelor , zerului și vinului datorită timpului lor scurt de depozitare.

Evaporatoare scufundate

În acestea, fierberea are loc într-o cameră separată și circuitul este creat astfel încât presiunea lichidului din schimbătorul de căldură să fie mai mare decât presiunea de vapori a lichidului în sine, evitând astfel fierberea . Evaporatoarele de acest tip sunt, de asemenea, potrivite pentru tratarea suspensiilor care conțin solide și sunt adesea utilizate ca cristalizatoare . Deoarece viteza schimbătorului de căldură este relativ scăzută, coeficientul de schimb este relativ scăzut, dar în aceste modele concentrația maximă se obține într-un rezervor separat și, prin urmare, formarea murdăriei pe suprafețele de schimb este foarte redusă.

Clasificare după schema energetică

Generalitate

În evaporare consumul de energie este foarte mare, datorită faptului că pentru a evapora un kilogram de solvent, trebuie furnizată o cantitate de energie corespunzătoare căldurii latente de condens, plus eventual căldura sensibilă, conectată la pierderi etc. Există diferite sisteme de reducere a acestui consum, care afectează puternic economia operațională.

Evaporator cu efect dublu (co-curent)

Scheme cu efecte multiple

Ei exploatează faptul că solventul evaporat, prin recondensare, eliberează o cantitate de căldură aproximativ egală cu cea primită în faza de evaporare. Prin trimiterea vaporilor de solvent pe o parte a schimbătorului de căldură , lichidul de proces poate fi încălzit pe cealaltă parte, care apoi se va evapora și așa mai departe. Dacă aveți un singur pas, aveți un sistem cu efect unic ; cu două treceri cu efect dublu și, în general, cu n treceri aveți un sistem de efect n-plo .

Evident, numărul efectelor nu poate fi extins la infinit. De fapt, la tratarea soluțiilor, punctul de fierbere (și punctul de condensare ) al soluției este mai mare decât cel al solventului pur. Deci, de exemplu, o soluție apoasă saturată de clorură de sodiu la presiunea atmosferică va fierbe la aproximativ 108 ° C, dar apa evaporată va condensa la 100 ° C ( creștere ebullioscopică ). Prin urmare, în efectul ulterior, temperatura soluției nu poate fi mai mare de 100 ° C datorită primului principiu al termodinamicii și va fi mai mică pentru a permite schimbul de căldură. La produsele cu creștere ebullioscopică ridicată , cum ar fi soluțiile de sodă caustică , se obțin trei efecte, maximum patru. În desalinizarea apei de mare, există, de asemenea, zece până la cincisprezece efecte. Debitul lichidului care urmează să fie concentrat poate fi în aceeași direcție ca presiunea descrescătoare ( schema de co-curent ), în direcția opusă ( schema de contracurent ), sau în cele din urmă hibrid ( schema de debit mixt ). [4] Prin convenție, efectele sunt numărate în funcție de valoarea descrescătoare a presiunii de evaporare și, prin urmare, primul efect este cel cu cea mai mare presiune.

Scheme cu mai multe etape

Ele sunt mai scumpe din punct de vedere energetic decât efectele multiple și sunt utilizate, deși rar, în concentrația de produse cu creștere ebullioscopică ridicată și foarte mare, cum ar fi acidul fosforic . Evaporatoarele, în număr variabil, sunt toate alimentate de aceeași sursă de energie, iar vaporii de solvent separați sunt condensați; lichidul procesului trece de la o etapă la alta pentru a se concentra. Acestea sunt evaporatoare cu efect unic, în care economia de energie, dacă există, se datorează numai recuperării căldurii sensibile în trecerea de la o etapă la alta. Sunt utilizate în cazurile în care recuperările nu pot fi efectuate; în cazul de mai sus, concentrația acidului fosforic , nu ar fi posibilă condensarea vaporilor de solvent (apa) într-un schimbător din cauza conținutului de fluor și siliciu care ar precipita fluosilicații, în special duri și incrustante.

Scheme multiflash

Evaporator multiflash în 5 trepte pentru desalinizarea apei de mare

Sunt un hibrid cu multiple efecte și mai multe etape. Lichidul de proces intră în sistem, se încălzește prin condensarea vaporilor în zonele de condensare C , din care este extras condensul de proces (vezi figura) și datorită unei surse finale de energie proaspătă în schimbătorul E și apoi trece în camere în ordine la presiuni descrescătoare, extinzându-se în separatoarele de vapori V și eliberând vapori de solvent. Schema utilizată aproape exclusiv în instalațiile mari de desalinizare a apei de mare pentru obținerea apei potabile. Limitele numărului de etape sunt similare cu cele ale efectului multiplu; în desalinizare, datorită înălțimii ebullioscopice scăzute, pot fi create douăzeci și mai multe etape de flash. Sunt mai simple în construcție decât sistemele cu efecte multiple.

Scheme de compresie a vaporilor

Evaporator cu compresie mecanică cu compresor centrifugal

După cum sa menționat pentru schemele cu efecte multiple, temperatura de condensare a vaporilor separați este mai mică decât temperatura de fierbere. Cu toate acestea, este posibilă creșterea acestei temperaturi prin comprimarea vaporilor înșiși, până când sunt aduși la o presiune de natură să se condenseze la o temperatură mai mare, pentru a permite evaporarea schimbului de căldură cu aceeași soluție. Pentru comprimarea vaporilor, se folosesc fie pompe cu jet (un ejector ) care utilizează vapori la o presiune mult mai mare ca sursă de energie, fie un compresor rotativ , de obicei lob, șurub sau centrifugal. Figura arată ultimul tip; vaporii separați în separatorul V sunt aspirați de compresorul C care îi aduce la o presiune mai mare. Compresorul centrifugal este acționat de un motor electric (sau turbină) D printr-un multiplicator de viteză M. Acestea din urmă pot fi evitate în cazul turbinei, atâta timp cât sunt realizate cele 25.000 - 30.000 rotații pe minut. Prin urmare, sistemul este configurat ca o pompă de căldură, chiar dacă acest termen este utilizat în teren pentru alte tipuri de sisteme (vezi mai jos)

Avantajul energetic constă în faptul că, pentru a recupera (în cazul apei la presiune atmosferică) 2400 kJ / kg de căldură latentă, se cheltuiesc aproximativ 250 kJ / kg de muncă de compresie (în funcție de presiunea de aspirație). Prin urmare, sistemul ar fi comparabil cu un efect de zece ori. Cu toate acestea, o mare parte din activitatea de compresie se pierde din punct de vedere al eficienței mecanice; în cazul compresiei cu jet de abur, trebuie utilizat abur de înaltă presiune și, prin urmare, foarte valoros (iar sistemul este relativ ineficient); în cazul compresiei mecanice, rapoartele de compresie realizabile sunt destul de mici (maxim 2). Toate acestea considerate, totuși, un sistem de acest tip, numit termocompresie, este echivalent din punct de vedere energetic cu un efect dublu dacă este cu jet de abur, cu un triplu - cvadruplu dacă este cu compresor volumetric (lob sau șurub), cu un seplu de cinci ori dacă este centrifugal compresor .

Evaporatoare cu pompă de căldură

Există, de asemenea, evaporatoare care utilizează o pompă de căldură pentru a genera energia termică necesară evaporării și folosesc același gaz frigorific pentru a condensa vaporii pentru producerea vaporilor. Din punct de vedere energetic, acestea sunt echivalente cu 3-4 sisteme de efecte, dar permit o reducere a costurilor investiționale, deoarece evaporarea are loc într-un singur efect. Acestea sunt utilizate atunci când este necesar să se găsească echilibrul corect între costurile operaționale și investiționale. Consumul de energie variază de la 70-200 wați / litru evaporat, ceea ce face tehnica mai eficientă decât sistemele tradiționale de apă caldă / abur cu un singur efect, fiind competitiv cu schemele cu efect multiplu; cu toate acestea, acestea au costuri de energie de 2 - 5 ori mai mari decât o schemă mecanică de recompresie a vaporilor. De câțiva ani încoace funcționează și evaporatoare de vid cu pompe de căldură multi-efect.

Notă

  1. ^ Forced Circulation Evaporator Arhivat 15 octombrie 2013 la Internet Archive .
  2. ^ Falling Film Evaporators Depus la 27 februarie 2009 în Internet Archive .
  3. ^ Rising Film Evaporators. Arhivat la 10 februarie 2009 la Internet Archive .
  4. ^ Termenii „contracurent” și „co-curent” prezenți aici nu trebuie confundați cu termenii „ schimb de curent ” și „ schimb de contracurent ” folosiți în domeniul fenomenelor de transport .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

Controlul autorității Thesaurus BNCF 23544 · LCCN (RO) sh85045957 · BNF (FR) cb11970082g (data)
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Evaporatore&oldid=114245971 ”