Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Процесс выпаривания. Материальный и тепловой балансы выпарных аппаратов



Выпариванием называется процесс концентрирования растворов путём удаления растворителя испарением при кипении жидкости.

Выпаривание применяется для повышения концентрации разбавленных растворов или для выделения из них растворённого вещества путём кристаллизации.

Особенностью процесса выпаривания является переход в парообразное состояние только растворителя. Температура кипения растворов всегда выше температуры кипения растворителей, она зависит от химической природы растворённых веществ и растворителей и растёт с увеличением концентрации растворов и внешнего давления.

Разность между температурами кипения раствора t и чистого растворителя при одинаковом внешнем давлении называется температурной депрессией Dtg

Dtg = t – tр (1)

Повышение температуры кипения раствора определяется также гидростатической и гидравлической депрессиями.

Повышение температуры кипения за счёт гидростатического давления столба жидкости в вертикальной трубе называется гидростатической депрессией Dtг.д..

 

где Ро – давление в паровом пространстве аппарата

DР – гидростатическое давление столба жидкости

Повышение температуры кипения раствора из-за повышения давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара называется гидравлической депрессией Dtгр.д.. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным. При расчётах Dtгр.д. = 1оС.

При кипении чистой воды (растворитель) температурный напор равен разности температуры греющего пара и температуры кипящей воды, которая равна температуре насыщения вторичного пара. При кипении раствора температура насыщения вторичного пара, соответствующая давлению в аппарате, не изменяется, а температура кипения раствора повышается на величину депрессии. Следовательно, на ту же величину депрессии уменьшается и температурный напор. Таким образом, депрессия вызывает потерю температурного напора, вследствие чего её называют температурной потерей.Полная депрессия Dtп равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессий.

Dtп = Dtд + Dtг.д. + Dtгр.д.

Выпаривание сопровождается ростом плотности и вязкости раствора, что ведёт к уменьшению коэффициента теплопередачи.

Выпаривание производится за счёт теплоты извне, передаваемой чаще всего через поверхность нагрева и реже путём непосредственного контакта раствора с теплоносителем.

В качестве теплоносителей используют водяной пар, а также высококипящие жидкости и их пары и топочные газы.

Процессы выпаривания проводят под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара.

Выпаривание под вакуумом имеет определённые преимущества перед выпариванием при атмосферном давлении. При выпаривании под пониженным давлении вакуум в аппарате создают за счёт конденсации вторичного пара в конденсаторе вакуум-насосом. Вакуум-выпарка позволяет понизить температуру кипения раствора, а также увеличить разность температуры между греющим агентом и кипящим раствором, что даёт возможность уменьшить поверхность теплообмена.

При выпаривании под повышенным давлением образующийся вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента, для отопления или других технологических нужд.

В промышленности широко применяют как однокорпусные, так и многокорпусные выпарные установки. Многокорпусные выпарные установки состоят из нескольких (до четырёх) соединённых друг с другом аппаратов. Прямоточные установки работают под давлением, понижающимся от первого корпуса к последнему. В таких установках вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, используют для обогрева последующего корпуса. Свежим паром обогревают только первый корпус. Вторичный пар из последнего корпуса направляют в конденсатор (если этот корпус работает под разрежением) или используют вне установки (если последний корпус работает под повышенным давлением).

В многокорпусных установках осуществляется многократное использование одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), что позволяет значительно уменьшить количество потребляемого свежего пара, т.е. повысить технико-экономические показатели установки.

Практически расход пара на 1 кг выпаренной воды составляет: в однокорпусной выпарке – 1,1 кг, в двухкорпусной – 0,57 кг, в трёхкорпусной – 0,40; четырёхкорпусной – 0,30, пятикорпусной – 0,27.

Выпарные аппараты. Выпарные аппараты бывают горизонтальные и вертикальные, которые представляют собой котлы, снабжённые нагревательными рубашками и змеевиками для парового и жидкого обогрева или топками для газового обогрева. Наибольшее распространение в химической промышленности получили вертикальные выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также плёночные выпарные аппараты. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора состоит из греющей камеры, парового пространства, сепаратора, циркуляционной трубы. Упариваемый раствор циркулирует по трубкам снизу вверх и опускается вниз по циркуляционной трубе. Уменьшение скорости вторичного пара (т.е. увеличение диаметра аппарата) и увеличение высоты парового пространства приводят к уменьшению брызгоуноса.

Необходимый объём парового пространства можно определить по формуле:

V = W/dмасс , м3 или V = W/rв.п. dоб , м3,

где W – количество выпариваемой воды (вторичного пара), кг/час; dмасс –

допустимое массовое напряжение парового пространства (количество

выпариваемой воды на единицу объёма парового пространства в единицу

времени), кг/м3×ч; dоб – допустимое объёмное напряжение парового

пространства (объём выпариваемой воды на единицу парового пространства

в единицу времени, м3/м3×час); rв.п. – плотность вторичного пара, кг/м3.

Материальный и тепловой балансы процесса выпаривания. Материальный баланс выпарного аппарата можно представить по всему количеству веществ

G1 = G2 + W (1)

и по растворённому веществу

G1a1 = G2a2 (2),

где G1 и G2 – начальное и конечное количество раствора,

a1 и a2 – начальная и конечная концентрация раствора в%,

W – количество выпаренной воды, кг.

Если известны начальное количество раствора G1, начальная и конечная концентрации a1 и a2, то

G = G1 a1/a2

и количество выпаренной воды

W = G1 - G2 = G1(1 - a1/a2 ).

Если известны G1, W, а1, то

a2 = G1 × a1/G2 = G1 × a1/(G1 – W)

и количество конечного раствора G2 = G1 – W.

Приход теплоты в выпарном аппарате слагается из теплоты с поступающим раствором G1с1to и теплоты, которая отдаётся аппарату нагревающим агентом Q.

Расход теплоты на выпаривание включает: теплоту, уносимую вторичным паром Wi, теплоту с уходящим раствором G2с2t, теплоту, затрачиваемую на дегидратацию Qдег потери теплоты в окружающую среду Qп.

Таким образом, можно написать уравнение теплового баланса:

Q + G1с1to = Wi + G2с2t + Qдег + Qп,

где с1 и с2 – удельные теплоёмкости поступающего G1 и уходящего G2

растворов, Дж/кг×К;

to и t – температуры поступающего и уходящего растворов, град;

i – энтальпия вторичного пара, Дж/кг.

Теплота дегидратации представляет собой затрату теплоты на повышение концентрации раствора и она равна по величине и обратно по знаку теплоте парообразования раствора.

Поступающий раствор можно рассматривать как смесь упаренного раствора и испарившейся воды:

G1с1t = G2с2t + Wсводыt

G2с2 = G1с1 - Wсводы,

где своды – удельная теплоёмкость воды.

Q + G1с1to = Wi + G1с1t - Wсводыt + Qп

или

Q = G1с1(t-to) + W(i-сводыt) + Qп

Энтальпия вторичного пара i принимается равной энтальпии насыщенного водяного пара при давлении в аппарате и находятся по справочным таблицам.

Определив тепловую нагрузку Q выпарного аппарата и зная температуру конденсата, можно вычислить расход пара.

Q = Di – DQ, где D – количество пара, кг; i – теплосодержание пара, Дж/кг

Q - температура конденсата.

Пренебрегая расходом теплоты на подогрев раствора до температуры кипения G1с1(t-to) и Qп, удельный расход греющего пара определяется по уравнению

 

 




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.