Уравнение материального баланса выпарного аппарата

Материальный и тепловой баланс однократного выпаривания

Материальный баланс аппарата выражается уравнением:

, где G_н (кг/с) – массовый расход исходного раствора; G_к – расход упаренного раствора; W – расход вторичного пара.

, где х_н и х_к – начальная и конечная массовая концентрация компонента.

По уравнениям материального баланса обычно определяют G_к или W.

Уравнение теплового баланса составляется с учетом равенства прихода и расхода тепла в аппарате:

, где

С_н, С_к, T_н, T_к – теплоемкости и температуры исходного и упаренного растворов; D – расход первичного пара; с΄ и θ – теплоемкость и температура конденсата; Q_конц – тепловой эффект концентрирования раствора (может быть с (,+) ил (-)); Q_пот – потери тепла. Обычно Q_пот составляет 3-5% от тепловой нагрузки Q аппарата. Тепловая нагрузка Q равна количеству тепла подводимого в аппарат:

.

Практически расход первичного пара 1,1-1.2 кг/кг воды.

Дата добавления: 2015-01-19 ; просмотров: 3648 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Шпаргалка: Процесс выпаривания растворов

1. Выпаривание, способы выпаривания, общие сведения

Выпаривание — процесс концентрирования раствора практически нелетучих веществ путем испарения жидкого летучего растворителя.

Процесс выпаривания применяют как для частичного удаления растворителя, так и для полного разделения раствора на растворитель и растворенное вещество. В последнем случае выпаривание сопровождается кристаллизацией.

Физическая сущность: превращение растворителя в пар при кипении раствора и удалении образующегося пара.

Источник тепловой энергии — любые теплоносители (насыщенный водяной паргреющий или первичный). ГП отдает тепло выпариваемому раствору через стенку («глухой» пар). Пар, образующийся при кипении выпариваемого раствора, называют вторичным.

В зависимости от свойств выпариваемого раствора и дальнейшего использования тепла вторичного пара выпаривание производят как при атмосферном давлении , так и при давлениях выше (избыточном ) или ниже атмосферного (вакуум ). Самый простой — выпаривание под атмосферным давлением, но при этом вторичный пар не используется, а удаляется в атмосферу. Вторичный пар, отбираемый на сторону вне целей выпаривания, называют экстра-паром.

Выпаривание под избыточным давлением позволяет использовать тепло вторичного пара, но обусловливает повышение температуры кипения раствора и, следовательно, требует применения греющего агента с более высокой температурой. Поэтому данный способ следует применять для выпаривания растворов не чувствительных к высоким температурам.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с двумя рассмотренными выше способами:

а) позволяет снизить температуру кипения раствора (выпаривание растворов, чувствительных к высоким температурам, а также высококипящих растворов);

б) при вакууме увеличивается разность температур между греющим агентом и кипящим раствором, что, при прочих равных условиях, позволяет уменьшить поверхность теплообмена аппарата;

в) за счет понижения температуры кипения раствора при разрежении можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температуры и давления);

г) можно использовать в качестве греющего агента вторичный пар самой выпарной установки, что значительно снижает расход первичного греющего пара.

В химической технике выпаривание осуществляют либо в одном аппарате (однокорпусное выпаривание ), либо в нескольких последовательно соединенных между собой аппаратах (многокорпусное выпаривание ). Применяется также однокорпусное выпаривание с тепловым насосом.

2. Однокорпусные выпарные установки, материальный и тепловой балансы

При однокорпусном выпаривании раствор выпаривается от исходной до конечной концентрации в одном и том же аппарате. Однокорпусное выпаривание применяют либо в небольших по масштабу производствах, либо при агрессивных растворах, требующих для изготовления аппарата дефицитных материалов, либо если экономия пара не имеет существенного значения.

Процесс выпаривания проводится периодически или непрерывно . В периодически действующих аппаратах загрузка исходного раствора, выпаривание его до необходимой более высокой концентрации и выгрузка упаренного раствора производятся последовательно. Опорожненный аппарат вновь наполняется исходным раствором и процесс повторяется. В аппаратах непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается на выпаривание в аппарат, а упаренный раствор также непрерывно отводится из него. Они более экономичны в тепловом отношении, так как в них отсутствуют потери тепла на периодический нагрев самого аппарата. Периодическая выпарка целесообразна при выпаривании растворов с высокой температурной депрессией.

Выпарные аппараты с паровым обогревом можно объединить в три группы:

с естественной циркуляцией раствора;

с принудительной циркуляцией раствора (при выпаривании вязких растворов);

пленочные аппараты (для выпарки чистых некристаллизующихся растворов и растворов, чувствительных к высоким температурам).

Греющий пар для облегчения чистки поверхности нагрева от накипи (во всех конструкциях выпарных аппаратов) подается в межтрубное пространство греющей камеры 1. Конденсат отводится снизу камеры. Выпариваемый раствор, предварительно нагретый до температуры кипения в выносном теплообменнике, поступает в пространство над трубками 3 и опускается по циркуляционной трубе 4 вниз. Затем, поднимаясь

по греющим трубкам, раствор вскипает. Отделение вторичного пара от раствора происходит в сепарационной части аппарата 2. Для более полного отделения пара от брызг и капель предусмотренбрызгоотделитель (каплеотбойник) 5. Очищенный вторичный пар удаляется сверху сепаратора.

Вследствие разности плотности раствора в циркуляционной трубе ипарожидкостной эмульсии в греющих трубках раствор циркулирует по замкнутому контуру (естественная циркуляция). Возникновение достаточной разности плотностей при этом обусловлено тем, что на единицу объема раствора в трубке приходится большая поверхность, чем в циркуляционной трубе, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от ее диаметра, а объем раствора в трубе пропорционален квадрату ее диаметра. Значит, парообразование в греющих трубках должно протекать интенсивнее, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в циркуляционной трубе. Упаренный раствор удаляется из нижней части аппарата.

Материальный баланс: по всему веществу по абсолютно сухому веществу , находящемуся в растворе.

Тепловой баланс однокорпусного выпаривания.

Согласно схеме тепло в аппарат вносится:

Тепло из аппарата уносится:

с конденсатом греющего пара Q₅ =Dct_кон ;

при концентрировании раствора Q_к ;

с потерями в окружающую среду Q_к .

Уравнение теплового баланса принимает вид

Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренного растворителя, частное уравнение теплового баланса смешения при постоянной температуре кипения t_к раствора (температура упаренного раствора равна t_к ) в аппарате можно записать:

где с′ — удельная теплоемкость растворителя при температуре кипения раствора, Дж/ (кг·К). Тогда:

Подставляя правую часть уравнения (2) в уравнение (1), получим

Величина Qп в выпарных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3-5% полезно используемого тепла. Если раствор поступает в аппарат предварительно нагретый до температуры кипения, т.е. tн=·tк, то, пренебрегая суммой Qк+ Qп, получим из уравнения (4)

Практически i г -ct кон ≈ i в +с′·t к , поэтому D≈W, т.е. теоретически на выпаривание 1 кг воды расходуется приблизительно 1 кг греющего пара. Практически, с учетом потерь тепла, удельный расход греющего пара составляет 1,1-1,2 кг/кг воды.

3. Выпарные аппараты, конструкции, интенсификация процессов выпаривания

Триосн. Направления интенсификации:

1) интенсификация теплообмена — применение развитых поверхностей нагрева, напр. в виде набора стальных пластин, тонкостенных (1,2-1,5 мм) и ребристых труб, а также труб со спец. турбулизаторами в форме внутр. кольцевых выступов или проволочных спиральных вставок;

2) снижение накипеобразования — использование, напр., затравочных кристаллов, способствующих массовой кристаллизации в объеме р-ра, или антиадгезионных полимерных покрытий;

3) экономия энергозатрат — применение, напр., экстра-пара и конденсата для нагревания исходного р-ра либо его предварительное концентрирование с помощью мембранного разделения.

4. Движущая сила выпаривания, температурные потери, схема передачи тепла в выпарных установках

Движущая сила процессов выпаривания — разность температур

Разность температур между греющим и вторичным паром в выпарном аппарате называют общей или располагаемой разностью температур. Общая разность температур Δt_общ в многокорпусной выпарной установке определяется разностью между температурой Т₁ греющего пара в первом корпусе и температурой Т_к вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в конденсатор, т.е.

Полезная разность температур Δt_пол в выпарном аппарате меньше общей разности температур на величину температурных потерь:

где ∑Δ — сумма температурных потерь (потерь температурного напора). Для многокорпусной выпарки общая полезная разность температур равна общей (располагаемой) разности температур за вычетом суммы температурных потерь по всем корпусам установки

Температурные потери при выпаривании обусловлены следующими причинами:

температурной депрессией Δ′ — уменьшением упругости паров растворителя над раствором по сравнению с упругостью паров чистого растворителя — рассмотренной ранее;

гидростатической депрессией Δ′′ — повышением температуры кипения раствора вследствие гидростатического давления столба жидкости в греющих трубках аппарата;

гидравлической депрессией Δ′′′ — понижением давления вторичного пара за счет гидравлических сопротивлений в паропроводах между корпусами многокорпусной выпарной установки.

Гидростатическая депрессия Δ′′ вызывается тем, что давление на жидкость в выпарном аппарате по высоте трубок неодинаково. Это обусловливает различную температуру кипения раствора по всей его высоте. Так, например, если нагревать воду в трубе высотой 10 м, то верхний слой воды закипит при температуре 100°С, а нижний же слой, находящийся под абсолютным давлением 0,2 МПа, — при температуре 120°С.

Полная депрессия в аппарате ΣΔ равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессии

где T′ — температура вторичного пара в выпарном аппарате, °С.

5. Прямо и противоточные выпарные установки, явление самоиспаренияи

Многокорпусные выпарные установки различаются также по взаимному направлению движения греющего пара и выспариваемого раствора.

В прямоточной установке, ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Кроме наиболее широко распространенных установок с прямоточным движением пара и раствора (см. рис 2), применяются также противоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях. Исходный раствор подается насосом в последний по ходу греющего пара (третий) корпус, из которого упаренный раствор перекачивается во второй корпус, и т.д., причем из первого корпуса удаляется окончательно упаренный раствор. Свежий (первичный) пар поступает в первый корпус, а вторичный пар из этого корпуса направляется для обогрева второго корпуса, затем вторичный пар из предыдущего корпуса используется для обогрева последующего. Из последнего корпуса вторичный пар удаляется в конденсатор.

6. Материальный и тепловой балансы МВУ

Расход свежего (первичного) пара d₁ кг/сек, его энтальпия I_Г1 кдж/кг и температура θ₁ °C.

После первого корпуса отбирается Е₁ кг/сек и после второго корпуса Е₂ кг/сек экстра-пара. Соответственно расход вторичного пара из первого корпуса, направляемого в качестве греющего во второй корпус, составляет (W₁ -E₁ ) кг/сек и вторичного пара из второго корпуса, греющего третий корпус (W₁ -E₃ ) кг/сек, где W₁ и W₂ — количества воды, выпариваемой в первом и втором корпусах соответственно.

Уравнения тепловых балансов корпусов:

7. Общая полезная разность температур и распределение по корпусам

Складывая полезные разности температур отдельных корпусов, получим или:

б) Оценим распределение общей полезной разности температур при условии минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов.

При минимальной суммарной теплопередающей поверхности в каждом отдельном корпусе поверхность теплообмена будет различной. Различие поверхностей корпусов удорожает изготовление и эксплуатацию выпарной установки. Этот вариант рационален только при изготовлении выпарных аппаратов из дефицитных, дорогостоящих и коррозионностойких материалов.

8. Общая характеристика массообменных процессов, массоотдача и массопередача (аналогия с теплопередачей)

В химической технологии широко распространены и имеют большое значение процессы массопередачи, которые характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. С помощью таких процессов можно разделить как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, растворы жидкостей и т.п.). Причем наиболее часто процессы массопередачи используются для разделения гомогенных систем.

Перенос компонента, совершающийся в пределах фазы, и направленный либо из фазы к межфазной поверхности, либо от межфазной поверхности вглубь фазы, называется массоотдачей (по аналогии с теплоотдачей). А перенос компонента из данной фазы в смежную фазу называют массопередачей. При этом совершается перенос компонента через межфазную поверхность. Поэтому массопередачу можно рассматривать как состоящую в общем случае из следующих основных стадий: из двух стадий массоотдачи и находящейся между ними стадии передачи компонента через межфазную поверхность. В некоторых процессах одна из стадий массоотдачи может отсутствовать, например при кристаллизации.

Перенос компонентов в фазах осуществляется диффузией, поэтому промышленные массообменные процессы иногда называют диффузионными. Совокупность значений концентрации с какого-либо компонента во всех точках фазы называется полем концентрации этого компонента в данной фазе.

В промышленности используются, в основном, следующие процессы массопередачи.

Абсорбция — процесс разделения газовой или парогазовой смеси методом избирательного растворения ее компонентов в жидкости.

Адсорбция — процесс разделения газовой или парогазовой смеси или жидкого раствора методом избирательного поглощения твердым веществом. К этим процессам, называемым сорбционными, относится и десорбция, т.е. удаление поглощенных веществ из поглотителя.

Перегонка и ректификация — процессы разделения жидких смесей, основанные на различии в летучестях ее компонентов.

Экстракция — процесс разделения жидких смесей, основанный на различной растворимости компонентов жидкости в растворителе, который практически не смешивается с раствором или смешивается частично.

Сушка — процесс удаления влаги из твердых пористых материалов, основанный на переходе ее в паровую или парогазовую фазу.

Ионный обмен — избирательное извлечение ионов из растворов электролитов твердыми поглотителями.

Кристаллизация — процесс разделения раствора на растворитель и растворенное вещество за счет выделения растворенного вещества из его пересыщенного раствора или расплава.

Растворение — процесс перехода из твердой фазы в жидкую. Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием.

Мембранные процессы — избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки — мембраны.

9. Движущая сила МОП, способы выражения сотавов фаз

Движущая сила МОП — градиент концентрации.

Составы жидкой и газовой фаз могут быть выражены в мольных или

массовых соотношениях. Наиболее распространены следующие способы выражения состава:

1. Объемная концентрация — количество компонента, содержащегося в единице объема фазы, кг/м3, кмоль/м3.

2. Мольные или массовые доли — количество компонента, отнесенное к количеству фазы (выраженные в мольных или массовых единицах).

3. Относительная концентрация — отношение количества компонента к количеству носителя, кг/кг, кмоль/кмоль.

4. Парциальные давления — выражение состава газовой фазы, кПа, МПа.

с — мольная объемная концентрация;

массовая объемная концентрация;

x, y — мольная доля;

X, Y — мольная относительная концентрация;

массовая относительная концентрация;

10. Статика МОП, фазовые диаграммы

Правило фаз Гиббса:Ф+C=K+2. Оно указывает число параметров, которое можно менять произвольно (в известных пределах) при расчете равновесия в процессах массообмена. Применим это правило к реальным процессам:

1) каждая из двух взаимодействующих фаз содержит, помимо распределяемого компонента, инертный компонент носитель (абсорбция, экстракция) С=К+2-Ф=3+2-2=3 — можно изменять 3 параметра: концентрацию, давление и температуру

2) в каждой из двух фаз компонент носитель отсутствует (ректификация) С=К+2-Ф=2+2-2=2 — можно менять 2 параметра. При постоянном давлении с изменением концентрации фазы должна меняться температура, при постоянной температуре — разным концентрациям будут соответствовать разные давления.

Фазовая диаграмма — зависимость между независимыми переменными изображенные в линейных координатах.

В расчётах по массопередаче используют зависимости давления от концентрации (при t=const), температуры от концентрации (P=const) и между равновесными концентрациями фаз:

а) P=const, t=const б) P=const

11. Линия равновесия, уравнение линии равновесия, системы газ-жидкость, пар-жидкость

При равновесии достигается определенная зависимость между предельными (равновесными) концентрациями и концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, при которых осуществляется процесс массопередачи.

В условиях равновесия некоторому значению отвечает строго определенная равновесная концентрация в другой фазе. И наоборот. В общем виде это представляет собой зависимость.

Эта зависимость в графическом виде называется линией равновесия, которая является либо прямой либо кривой.

а) система газ-жидкость, P=const, t=constб) система пар-жидкость P=const

12. Законы Дальтона, Генри, Рауля, идеальные и неидеальные системы

Для случая бинарной газовой смеси, состоящей из распределяемого компонента А и газа-носителя В, взаимодействуют две фазы и три компонента. Поэтому по правилу фаз число степеней свободы будет равно

Это значит, что для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, при постоянных температуре и общем давлении зависимость между концентрациями в жидкой и газовой фазах будет однозначной.

Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление газа над раствором пропорционально мольной доле этого газа в растворе, т.е.

(H-кф. Генри, — парциальное давление поглощаемого компонента в газе) Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы газа и поглотителя и от температуры, но не зависят от общего давления.

Для идеальных растворов на диаграмме р_А — х_А зависимость равновесных давлений от концентраций изображается прямой с угловым коэффициентом, равным константе Генри.

Для идеальных растворов связь между мольными долями компонента в газе и в растворе можно оценить по закону Дальтона:

где Р — общее давление газа. Тогда уравнение равновесия примет вид:

m_A является коэффициентом распределения или константой фазового равновесия.

Смеси с неограниченной взаимной растворимостью компонентов делятся, на идеальные и неидеальные. Неидеальные смеси можно подразделить на смеси с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. Идеальные растворы следуют законам Рауля и Дальтона. Для бинарной смеси по закону Рауля.

В отличие от идеального раствора, для которого 1 = γ_A = γ_B , парциальные давления компонентов А и В неидеальной бинарной смеси составляют.

Для ряда смесей отклонения от закона Рауля настолько велики, что приводят к качественно новым свойствам смесей. При некотором составе подобные смеси имеют постоянную температуру кипения, которая может быть максимальной или минимальной. При этой температуре, согласно общему закону Коновалова, состав равновесного пара над смесью равен составу жидкости (у=х). Такие смеси называются азеотропными, или нераздельно кипящими.

13. Классификация массообменных аппаратов

В основу классификации массообменных аппаратов положен принцип образования межфазной поверхности:

1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта (насадочные и пленочные аппараты, а также аппараты (для сушки, с псевдоожижением), в которых осуществляется взаимодействие газа (жидкости) с твердой фазой);

2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков; среди аппаратов этого типа наиб. распространены тарельчатые, для которых характерно дискретное взаимодействие фаз по высоте аппарата; (насадочные колонны, работающие в режиме эмульгирования фаз, и аппараты, в которых осуществляется М. в системе жидкость — жидкость (экстракция));

3) аппараты с внешним подводом энергии (аппараты с мешалками, пульсационные аппараты, вибрационные роторные аппараты и др.)

14. Материальный баланс МОП

Для текущей концентрации:

уравнение рабочей линии процесса

15. Уравнение линий рабочих концентраций, рабочие линии, направление МОП

Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным. Зависимость между рабочими концентрациями в координатах х-у — рабочая линия процесса

Решая, получим:

Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание выше равновесного в фазу, в которое концентрация этого вещества ниже равновесной. Направление переноса вещества определяется по линии равновесия и рабочей линии.

Если рабочая линия ниже линии равновесия — из жидкой в паровую (Ректификация).

Если рабочая линия выше линии равновесия — из газовой в жидкую (Абсорбция).

16. Кинетика МОП, молекулярная и конвективная диффузия, градиент концентраций

Перенос вещества внутри фазы: молекулярная диффузия, либо молекулярная+конвективная.

Молекулярная диффузия-перенос распределяемого вещества, обусловленный тепловым движением. Описывается первым законом Фика:

Масса вещества, придифундировавшая за время dtчерез элементарную поверхность dt, пропорциональная градиенту концентрации этого вещества:

dM=-D dFdt (dc/dx) =-D dFdt grad c.

D-коэффициент молекулярной диффузии.

Конвективная диффузия-перенос вещества вследствие конвективного переноса и молекулярной диффузии.

МD (x) =-D dzdydt grad c

Аналогично по yи z

МD (x+dx) = — Ddzdydt

МК (x+dx) = [w_x C+] dzdydt

Суммируем по трем осям

dM=dTdVв результате решения:

-уравнение конвективной диффузии

17. Модели массопереноса

1. Общее сопротивление переносу из фазы в фазу складывается из сопротивления двух фаз

2. На поверхности фазы находятся в равновесии, равновесие на границе фаз устанавливается быстрее изменения средней концентрации в ядре фазы.

18. Уравнение массопередачи, движущая сила

19. Основы расчета массообменной аппаратуры, расчет диаметра и высоты массообменного аппарата

Расчет диаметра производится по уравнению расхода: Q=Sw₀ (Q-объемный расход фазы, w₀ -фиктивная скорость фазы). Для круглого аппарата: значит D=. Скорость определяется исходя из технико-экономических расчетов.

Высота массообменного аппарат определяется в зависимости от типа контакта фаз.

Высота аппаратов с непрерывным контактом . Высота определяется на основе уравнения массопередачи, выраженного через объемный коэффициент массопередачи. M=К_y αVΔy_ср . Рабочий объем аппаратеV=SH. H=M/ (К_y αSΔy_ср ) =h_{0 y} n_{0 y} .

Высота аппаратов со ступенчатым контактом. Для определения числа ступеней используют графические и аналитические методы. Рабочую высоту аппарата находят через число действительных ступеней, пользуясь зависимостью: H=n_д h (h-расстояние между ступенями).

20. Определение коэффициента массопередачи

Уравнение аддитивности фазовых сопротивлений

При кривой линии равновесия mи коэффициенты Kизменяются по длине аппарата. В этом случае при расчете его обычно разбивают на участки, в пределах каждого из которых mпринимают постоянной величиной и используют среднее для всего аппарата значение K.

21. Определение движущей силы МОП, ЧЕП, ВЕП

Определение средней движущей силы процесса массопередаче

Число единиц переноса выражается интегралами (), которые могут быть решены аналитически и графически. Методом граф. интегрирования через площадь fи масштабов M₁ и M₂ : n_{0 y} =fM₁ M₂ .

Упрощенный граф. метод.

Высота единиц переноса.

ВЕП обратна пропорциональна объемному коэффициенту массопередачи.

22. Определение числа ступеней (теоретическая и действительная тарелки КПД — локальный тарелки, колонны)

Теоретическая тарелка — такая ступень или тарелка, которая соответствует некоторому участку аппарата, на котором жидкость полностью перемешиваются, а концентрации удаляющихся фаз являются равновесными.

Существуют графические и аналитические методы.

Метод кинетической кривой.

Делят их в отношении к-та извлечения E_y

Нt учитывается влияние перемешивание.

При E_y =1кинетическая кривая совмещена с кривой равновесия.

Определение числа теоретических тарелок.

Для перехода к числу действительных тарелок — КПД колоны n_д =n_т /КПД. КПД — учитывает реальную кинетику массообмена на действительных тарелках, на которых никогда не достигается равновесия.

КПД зависит от скорости движения фаз, перемешивания, направления движения, физ. свойств фаз.

КПД тарелки — отношение изменения концентрации данной фазы на тарелке к движущей силе на входе той же фазы в ступень.

23. Метод кинетической кривой

Делят их в отношении к-та извлечения E_y

Нt учитывается влияние перемешивание.

При E_y =1кинетическая кривая совмещена с кривой равновесия.

24. Абсорбция, общие сведения, типы абсорберов, насадки, требования к насадкам и абсорбентам, гидродинамические режимы работы абсорберов

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. В случае образования химического соединения между абсорбтивом и абсорбентом процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима, на чем основано выделение поглощенного компонента из абсорбента — десорбция.

Абсорбционные процессы широко распространенны в химической технологии, например: поглощение водой серного ангидрида, хлористого водорода и двуокиси азота с образованием соответствующих серной, соляной и азотной кислот; поглощение паров бензола в коксохимическом производстве, поглощение компонентов природного и попутного газов в нефтехимии и нефтепереработке и т.д.

По способу создания этой поверхности абсорберы условно делят на следующие группы:

1. Поверхностные и пленочные.

3. Барботажные (тарельчатые).

Требования к насадкам:

обладать большой поверхностью в единице объема (удельной поверхностью);

хорошо смачиваться орошающей жидкостью;

оказывать малое гидравлическое сопротивление потоку газа;

равномерно распределять орошающую жидкость;

быть стойкой к химическому воздействию среды в колонне;

иметь малый насыпной вес;

обладать высокой механической прочностью;

быть достаточно дешевой.

пленочный — наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Заканчивается он в переходной точке А, которая называется точкой подвисания.

подвисание. В режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения и брызги, т.е. создаются условия перехода к барботажу. Это способствует увеличению интенсивности массообмена. Этот режим заканчивается в переходной точке В.

эмульгирование — возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки.

Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает, что характеризуется отрезком ВС

режим уноса — отвечает обратному движению жидкости, выносимой из аппарата потоком газа. Режим аварийный и на практике не используется.

25. Статика процесса абсорбции, влияние температуры и давления на процесс абсорбции

При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, от общего давления, температуры и парциального давления распределяемого компонента.

Для случая бинарной газовой смеси, состоящей из распределяемого компонента А и газа-носителя В, взаимодействуют две фазы и три компонента. Поэтому по правилу фаз число степеней свободы будет равно

Это значит, что для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах.

Следовательно, при постоянных температуре и общем давлении зависимость между концентрациями в жидкой и газовой фазах будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление газа над раствором пропорционально мольной доле этого газа в растворе.

,

Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы газа и поглотителя и от температуры, но не зависят от общего давления.

Зависимость константы Генри от температуры выражается уравнением

,

где q — дифференциальная теплота растворения газа;

С — постоянная, зависящая от природы газа и абсорбента.

Для идеальных растворов связь между мольными долями компонента в газе и в растворе можно оценить по закону Дальтона,

Тогда уравнение равновесия примет вид

ma-коэффициент распределения или константа фазового равновесия.

26. Материальный баланс абсорбции, влияние удельного расхода абсорбента на размеры аппаратов

Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого компонента в относительных единицах.

Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:

Увеличение удельного расхода ведет к снижению высоты аппарата и увеличению его диаметра. Оптимальный удельный расход определяется технико-экономическим расчетом.

27. Скорость процесса абсорбции

Скорость процесса абсорбции характеризуется уравнением:

Мольные концентрации газовой фазы можно заменить парциальными давлениями газа в долях общего давления: М=К_Х FΔp_ср

28. Схемы абсорбционных установок

29. Перегонка жидкостей, общие сведения

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка. В широком смысле перегонка представляет процесс частичного испарения и последующей конденсации образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В результате получается жидкость, состав которой существенно отличается от исходной смеси.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности.

В простейшем случае исходная смесь является бинарной, т.е. состоящей только из двух компонентов. Получаемый при ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НКК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НКК. Неиспарившаяся жидкость имеет состав относительно более богатый труднолетучим или высококипящим компонентом (ВКК). Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, — дистиллятом или ректификатом.

Степень обогащения паровой фазы НКК при прочих равных условиях зависит от вида перегонки. Существуют два принципиально отличных вида перегонки:

а) простая перегонка, или дистилляция;

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для смесей, летучести компонентов которых существенно различаются. Обычно ее используют для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.д.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НКК, которым обогащаются пары, а из пара конденсируется преимущественно ВКК, переходящий в жидкость. Такой обмен компонентами, повторяющийся многократно, позволяет получить почти чистые НКК и ВКК. Пары после конденсации в отдельном конденсаторе разделяются на дистиллят и флегму — жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения остатка, являющегося почти чистым ВКК.

30. Классификация бинарных систем, фазовые диаграмма P=f (x); t-x,y; y-x, азеотропные смеси

Ограниченно растворимые друг в друге

3 и 5 — азеотропные, 3-5 – гомогенные

t-x,yдиаграмма — совмещенный график зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета равновесных составов паровой и жидкой фаз. Вначале в координатах t-х наносят точки, соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х. Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии кипения жидкости. Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие температурам кипения и равновесным составам пара У * . Полученные точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или конденсации)

31. Простая перегонка, перегонка с дефлегмацией, материальный баланс

Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляется периодическим или непрерывным способом. Если процесс проводится периодически, то в ходе отгонки НКК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем изменяется и состав дистиллята, который обедняется НКК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной перегонкой.

Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времени содержится L кг перегоняемой смеси, имеющей текущую концентрацию по НКК х. Количество НКК в жидкости в этот момент равно Lx. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dτ испарится dL кг смеси и концентрация жидкости в кубе изменится на dx. При этом образуется dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию у* количество НКК в паре будет dLy*. Соответственно остаток жидкости в кубе составит (L-dL) кг, а его концентрация будет (x-dx). Тогда материальный баланс по НКК выразится уравнением Lx= (L-dL) (x-dx) +dLy* Раскрывая скобки и отбрасывая бесконечно малые высших порядков, после разделения переменных получим . Это дифференциальное уравнение можно проинтегрировать в пределах от начального количества L=F до конечного L=W и при изменении концентрации НКК в кубе от xF до xW. После интегрирования получим . Средний состав получаемого дистиллята рассчитывают по уравнению материального баланса по НКК:

, откуда .

Для повышения степени разделения смеси простую перегонку осуществляют, обогащая дополнительно дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного куба 1 поступают в дефлегматор 2, где они частично конденсируются. Из пара конденсируется преимущественно ВКК и получаемая жидкость, так называемая флегма, сливается в куб. Пары, обогащенные НКК, поступают в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборники 4. Окончание операции контролируют по температуре кипения жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка.

32. Ректификация, принцип ректификации

В основе разделения жидких смесей летучих компонентов ректификацией используется принцип последовательно повторяющихся процессов однократного испарения. В свою очередь разделение жидких смесей однократным испарением основано на различии в летучестях компонентов (давлениях насыщенных паров чистых компонентов, взятых при одной и той же температуре). Процесс однократного испарения и принцип ректификационного разделения достаточно наглядно иллюстрируется схемами:

Процесс разделения жидких смесей ректификацией представляет собой ряд последовательно соединенных между собой процессов однократного испарения. Жидкость, содержащая НК в количестве Х₁ , нагревается до температуры t_кип.1. Образуется насыщенный пар с равновесным содержанием НК У₁ * . Сконденсировав этот пар, получаем жидкость с содержанием НК Х₂ =У₁ * . Вновь нагреваем эту жидкость до соответствующей температуры кипения t_кип.2 . Образуется новый насыщенный пар с повышенным содержанием низкокипящего компонента, который вновь конденсируется и полученная жидкость вновь испаряется. В результате последовательно повторяющихся процессов однократного испарения пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость — высококипящим компонентом.

Как следует из вышеизложенного, для практической реализации идеи многократных последовательно протекающих процессов испарения и конденсации необходимо проведение процессов теплообмена: в первом случае необходим подвод теплоты для испарения жидкости, а во втором — отвод теплоты для конденсации пара.

Выпаривание

11.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Выпаривание — процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего растворителя и отвода образовавшихся паров.

В промышленности выпаривание обычно проводят при кипении раствора.

При выпаривании растворов твердых веществ в ряде пищевых производств достигают насыщения раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, в результате которой выделяется растворенное вещество.

Выпаривание применяют для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.

Процесс выпаривания широко используют в сахарном и консервном производствах при концентрировании сахарных и томатных соков, молока и др.

В пищевой технологии выпаривают, как правило, водные растворы.

Выпаривание проводят в выпарных аппаратах. Процесс выпаривания может проводиться непрерывно и периодически. Аппараты периодического действия используют в основном в производствах малого масштаба.

В крупнотоннажных производствах применяют непрерывнодействующие выпарные установки, площадь поверхности нагрева которых достигает 6000…10000 м2. При таких поверхностях нагрева решающим фактором, который определяет экономичность установки, является расход греющего пара и воды.

Выпаривание осуществляют как под вакуумом, так и при атмосферном и избыточном давлениях.

При выпаривании под вакуумом в аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного (сокового) пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса.

Выпаривание под вакуумом позволяет снизить температуру кипения раствора, что особенно важно при выпаривании пищевых растворов, которые особенно чувствительны к высоким температурам. Применение вакуума позволяет увеличить движущую силу теплопередачи и, как следствие, уменьшить площадь поверхности выпарных аппаратов, а следовательно, их материалоемкость.

При выпаривании под атмосферным давлением образующийся вторичный пар сбрасывается в атмосферу. При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления теплиц и т. п. Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения раствора, поэтому применение данного способа в пищевой технологии ограничено свойствами растворов и температурой теплоносителя.

11.2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫПАРИВАНИЯ

В процессе выпаривания увеличивается концентрация раствора и, как следствие, изменяются его теплофизические свойства.

Рассмотрим некоторые свойства растворов, представляющих особый интерес для расчета, конструирования и эксплуатации выпарных установок.

Температурная депрессия — разность между температурами кипения раствора и растворителя . Из теории растворов известно, что при одной и той же температуре T давление паров над чистым растворителем больше, чем давление паров над раствором , и соответственно при одном и том же давлении температура кипения чистого растворителя ниже температуры кипения раствора.

Температурная депрессия зависит от свойств растворенного вещества и растворителя; она повышается с увеличением концентраций раствора и давления. Определяется температурная депрессия экспериментальным путем.

Если известна температурная депрессия при атмосферном давлении , депрессию при других давлениях можно определить по приближенной формуле Тищенко

(11.1)

где: и — соответственно абсолютная температура кипения (в К) и теплота испарения (в Дж/кг) для воды при данном давлении,

,

где .

Значения К в зависимости от давления приведены ниже.

Абсолютное давление, кПа

Абсолютное давление, кПа

Теплоемкость растворов — функция температуры и концентрации растворенного вещества. Для большинства растворов теплоемкость не имеет аддитивных свойств и не может быть вычислена по теплоемкости растворенных веществ и растворителей. Отклонение от свойств аддитивности тем больше, чем больше концентрация растворенного вещества.

При выполнении расчетов пользуются опытными данными, которые в виде графиков и таблиц помещены в справочниках физико-химических величин.

Теплота растворения зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, а также от концентрации раствора. При растворении твердых веществ во многих случаях разрушается кристаллическая решетка, что связано с необходимостью затраты энергии, при этом наблюдается охлаждение раствора. Если же растворяемое вещество вступает в химическое взаимодействие с растворителем, образуя гидраты, то выделяется теплота. Теплота растворения, таким образом, представляет собой сумму теплот плавления и химического взаимодействия.

Вещества, легко образующие гидраты, имеют положительные теплоты растворения; вещества, не образующие гидратов, имеют отрицательные теплоты растворения в воде.

Интегральной теплотой растворения называют количество теплоты, поглощающейся или выделяющейся при растворении 1 кг твердого вещества (или раствора, в котором содержится 1 кг твердого вещества) в большом количестве растворителя.

Если известны интегральная теплота растворения раствора концентрацией х1 и интегральная теплота растворения раствора концентрацией х2, то на основании закона Гесса (который устанавливает, что тепловой эффект процесса зависит только от начального и конечного состояния системы, но не зависит от пути, по которому протекает процесс) можно записать

Тепловой эффект положителен при разбавлении раствора от концентрации до , отрицателен при повышении концентрации раствора от до .

При выпаривании пищевых растворов теплота растворения мала и может не учитываться при расчете выпарных установок.

11.3 СПОСОБЫ ВЫПАРИВАНИЯ

В пищевых производствах применяют однократное выпаривание, которое проводят непрерывным способом или периодически, многократное выпаривание, проводимое непрерывно, и выпаривание с использованием теплового насоса.

Все указанные процессы проводят как под давлением, так и под вакуумом в зависимости от параметров теплоносителя и свойств выпариваемых растворов.

В качестве теплоносителя обычно используют насыщенный водяной пар. В редких случаях используют электрический обогрев, а также нагревание промежуточными теплоносителями (перегретой водой, дифенильной смесью, маслом).

Выпариваемый раствор нагревают в большинстве случаев путем передачи теплоты от теплоносителя через стенку, разделяющую их.

Однократное выпаривание проводят в установке, показанной на рис. 11.1. Такие установки применяют в малотоннажных производствах. Однократное выпаривание можно проводить непрерывно или периодически. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не используется, а конденсируется в конденсаторе.

Основные аппараты установки — выпарной аппарат, подогреватель, барометрический конденсатор и насосы.

Выпарной аппарат состоит из верхней части — сепаратора и нижней — греющей камеры, которая представляет собой кожухотрубный теплообменник. В трубном пространстве находится кипящий раствор, а в межтрубное подается греющий пар.

Рис. 11.1 Установка однократного выпаривания непрерывного действия:

1, 8 — насосы; 2 — расходомер; 3 — теплообменник; 4 — выпарной аппарат; 5 — барометрический конденсатор; 6 — ловушка; 7 — барометрическая труба

В сепараторе с отбойниками капельки отделяются от вторичного пара, которые затем конденсируются. Конденсат вместе с охлаждающей водой удаляется через барометрическую трубу в колодец. Концентрированный раствор с заданной концентрацией хк непрерывно откачивается из нижней части выпарного аппарата в хранилище готового продукта.

Материальный баланс однократного выпаривания (рис. 11.2) выражается двумя уравнениями:

по всему веществу

и по растворенному твердому веществу

, (11.4)

где: , — массовые расходы соответственно поступающего раствора и упаренного раствора, кг/ч; — количество выпариваемой воды, кг/ч; и — соответственно начальная и конечная концентрации раствора, мас. %.

Рис. 11.2. К составлению материального и теплового балансов однократного выпаривания

Из сопоставления уравнений (11.3) и (11.4) найдем количество выпаренной воды при изменении концентрации раствора от до или конечную концентрацию раствора, если количество выпаренной воды задано технологическим регламентом:

; (11.5)

(11.6)

Тепловой баланс однократного выпаривания согласно схеме тепловых потоков, показанных на рис. 11.2, выразится уравнением

(11.7)

Заменив в последнем равенстве на , имеем

(11.8)

где: и — соответственно начальная и конечная температуры раствора, ; D — массовый расход греющего пара, кг/ч; , , — удельные энтальпии соответственно вторичного пара, конденсата и греющего пара, кДж/кг; — потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Из уравнения (11.8) находят массовый расход греющего пара

(11.9)

Из равенства (11.9) следует, что расход пара определяется тремя слагаемыми правой части: расходом пара на изменение энтальпии выпариваемого раствора, расходом пара на собственно выпаривание растворителя и расходом пара на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду.

Расчеты показывают, что расход пара на выпаривание определяется вторым слагаемым в уравнении (11.9). Первое и третье слагаемые невелики по сравнению со вторым, следовательно,

. (11.10)

Надо иметь в виду, что . Отсюда следует, что для испарения 1 кг воды требуется затратить 1,1. 1,2 кг греющего насыщенного водяного пара.

Площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата определяют из основного уравнения теплопередачи , где — полезная разность температур, равная разности температур конденсации греющего насыщенного водяного пара и кипящего раствора.

Полезную разность температур находят по общей разности температур и температурным депрессиям.

Общей разностью температур называется разность между температурой греющего пара, подаваемого в греющую камеру выпарного аппарата, и температурой вторичного пара в конце паропровода, отводящего пар из выпарного аппарата (или на входе в конденсатор, если такой имеется):

(11.11)

где: — температура греющего пара, °С; — температура вторичного пара в конце отводящего паропровода или на входе в конденсатор, °С.

Полезная разность температур

(11.12)

где: — сумма потерь общей разности температур (депрессий), °С.

, (11.13)

где: — гидростатическая потеря разности температур — депрессия (представляет собой разность между температурами кипения раствора посередине греющих труб в выпарном аппарате и на поверхности, °С; — гидродинамическая потеря разности температур (учитывает снижение температуры вторичного пара на входе в барометрический конденсатор по сравнению с температурой на выходе из выпарного аппарата в трубопроводе), °С.

Гидродинамическая потеря разности температур невелика и принимается при расчетах выпарных установок равной 1. 1,5 °С. Гидростатическая потеря разности температур

, (11.14)

где: — температура кипения раствора посередине греющих труб при давлении ,°С; — давление раствора у середины греющих труб; — давление в выпарном аппарате; — температура кипения раствора на поверхности выпариваемого раствора, т. е. при давлении , °С.

; (11.15)

,

где: — плотность парожидкостной эмульсии в греющих трубах; кг/м3; ; — плотность раствора, кг/м3; — расстояние от уровня раствора в аппарате до трубной решетки, м; — длина греющих труб, м.

При периодическом выпаривании коэффициент теплопередачи К и потери общей разности температур являются величинами переменными, зависящими от концентрации.

При расчете поверхности нагрева периодически действующего выпарного аппарата по основному уравнению теплопередачи величины К и надлежит определять как средние, пользуясь приемами графического интегрирования:

; (11.16)

. (11.17)

Многократное выпаривание проводят в ряде последовательно установленных выпарных аппаратов. Такие установки называют многокорпусными. С целью экономии греющего пара в выпарных установках многократного выпаривания в качестве греющего пара во всех корпусах, кроме первого, используется пар из предыдущего корпуса.

Удельный расход греющего насыщенного водяного пара составляет: для однокорпусной установки 1,1. 1,2 кг пара на 1 кг выпаренной воды; для двухкорпусной установки около 0,55, для трехкорпусной — около 0,4, для четырехкорпусной установки около 0,3 кг пара на 1 кг выпаренной воды.

Многократное выпаривание можно осуществить при использовании греющего пара высокого давления либо при применении вакуума в выпарной установке.

Давление в корпусах установки должно поддерживаться таким образом, чтобы температура поступающего в корпус пара была выше, чем температура кипения раствора в этом корпусе. Оптимальное давление греющего пара в последнем корпусе определяется технико-экономическим расчетом.

Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому требуется греющий пар более высокого давления. Этот способ выпаривания применяют при концентрировании термически стойких растворов.

При выпаривании под избыточным давлением требуется автоматическое регулирование пара и плотности упаренного раствора, но установка в целом несколько упрощается, так как отпадает необходимость в постоянно действующем конденсаторе.

Многокорпусные выпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора на прямоточные, противоточные и комбинированные. На рис. 11.3 показана схема прямоточной многокорпусной выпарной установки. Исходный раствор в количестве кг/ч с концентрацией мас. % из хранилища насосом подается в теплообменник, где подогревается до температуры кипения (на схеме не показаны), и поступает на выпаривание в первый корпус, в котором концентрируется до заданной концентрации хк1. При этом из первого аппарата удаляется кг/ч вторичного пара. Далее раствор поступает в последующие корпуса установки, где концентрируется во втором корпусе до концентрации хк2, в третьем — до хк3 и так до конечной заданной концентрации. Соответственно из корпусов удаляется вторичного пара , ,…, кг/ч, где п — число корпусов. Из последнего корпуса вторичный пар поступает в барометрический конденсатор.

Рис. 11.3. Схема прямоточной многокорпусной установки

Как видно из схемы, выпариваемый раствор и вторичный пар движутся в одном направлении.

Преимуществом прямоточной схемы является то, что раствор самотеком перетекает из корпуса с более высоким давлением в корпус с меньшим давлением.

Недостатком прямоточных установок является более низкий средний коэффициент теплопередачи, чем в противоточных установках.

В первом корпусе слабый раствор получает теплоту от греющего пара наиболее высоких рабочих параметров, а в последнем корпусе концентрированный раствор выпаривается вторичным паром наиболее низкого давления. С увеличением концентрации раствора и падением давления от корпуса к корпусу уменьшаются коэффициенты теплопередачи, в результате чего снижается общий коэффициент теплопередачи.

Схема противоточной выпарной установки показана на рис. 11.4. Греющий пар из котельной поступает, как и в предыдущем случае, только в первый корпус, а вторичные пары обогревают все последующие корпуса. Выпариваемый раствор вводится в последний корпус и перемещается противотоком вторичному пару к первому корпусу. Вследствие того что давление от четвертого корпуса к первому постепенно возрастает, для перекачки раствора устанавливают центробежные насосы.

Рис. 11.4. Схема противоточной многокорпусной установки

Противоточные установки используют в основном для выпаривания растворов, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации, а также если возможно выпадение твердого вещества из раствора в последнем корпусе.

Ряд выпарных установок работает с отбором части вторичного пара для обогрева других технологических аппаратов, отопления цехов, теплиц, бань и т. д. Эта часть вторичного пара называется экстрапаром.

Количество выпаренной воды в многокорпусной выпарной установке (МВУ) при заданных начальной и конечной хк концентрациях находят по уравнению (11.5), конечную концентрацию на выходе из каждого корпуса — по уравнению

, (11.18)

где: — количество воды, выпаренное в данном и предыдущих корпусах; п –число корпусов.

Очевидно, что общее количество выпаренной воды

(11.19)

где: , , . — количество воды, выпариваемое в 1, 2 . — м корпусах.

Если в каждом корпусе выпаривается одинаковое количество воды, то

(11.20)

Конечная концентрация раствора на выходе из — го (последнего) корпуса

(11.21)

Для любого — го корпуса расход греющего пара определяется по уравнению, аналогичному (11.9):

(11.22)

С другой стороны, количество вторичного пара, поступающего на обогрев — го корпуса, равно количеству воды, выпаренной в ( — 1) — м корпусе:

(11.23)

Если установка работает с отбором экстрапара, то , где— количество экстрапара, отбираемого в (—1)-м корпусе.

Приведенные уравнения позволяют рассчитать МВУ методом итераций.

Общую разность температур вычисляют так же, как и в однокорпусных установках, по уравнению (11.11).

Общая потеря разности температур в МВУ складывается из суммы потерь (депрессий) в каждом корпусе.

Суммарная разность температур

(11.24)

где: — общая полезная разность температур, °С; , — температуры греющего и вторичного пара в конце отводящего пар паропровода или на входе в конденсатор, °С; , , — суммы депрессий (потерь полезной разности температур) во всех корпусах за счет температурной депрессии, гидростатического эффекта и гидродинамических потерь, °С.

Суммарная полезная разность температур наиболее часто распределяется по корпусам так, чтобы все корпуса имели равные площади поверхности нагрева, т. е. чтобы аппараты были взаимозаменяемыми:

(11.25)

Определив площади поверхности теплопередачи каждого корпуса по основному уравнению теплопередачи (3.1.1), получим

(11.26)

где: , ,…, — коэффициенты теплопередачи в 1, 2. -м корпусах.

Из соотношения (11.26) получим

; ;.

Суммируя левые и правые части последних равенств, находим

. (11.27)

Аналогично полезная разность температур для 2-го корпуса ;

для любого — го корпуса

. (11.28)

В данном случае суммарная полезная разность температур распределяется по корпусам пропорционально отношениям тепловых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.

Другим способом распределения полезной разности температур по корпусам является такой, который обеспечивает минимальную площадь поверхности теплопередачи установки.

Площадь поверхности теплопередачи, например, двухкорпусной выпарной установки

(11.29)

где .

. (11.30)

Для определения минимальной площади поверхности теплопередачи выпарной установки продифференцируем (11.30) по и производную приравняем нулю.

Тогда соотношение полезных разностей температур в корпусах

(11.31)

и на основании свойств получим:

.

Из последнего выражения получим

(11.32)

Аналогично для второго корпуса

. (11.33)

Для многокорпусной выпарной установки распределение полезной разности температур по корпусам, обеспечивающее минимальную суммарную площадь поверхности нагрева всех корпусов, определяется уравнением

(11.34)

В данном случае суммарная полезная разность температур распределяется по корпусам пропорционально квадратным корням из отношений тепловых нагрузок к коэффициентам теплопередачи.

Определим рациональное количество корпусов в многокорпусных выпарных установках. Увеличение ограничено потерями полезной разности температур, которые возрастают с увеличением количества корпусов.

Многокорпусная установка может работать при условии

. (11.35)

Предельное количество корпусов в МВУ определяется положительным значением полезной разности температур, т. е. .

На практике количество корпусов находят путем технико-экономического расчета, т. е. в зависимости от суммарных затрат на проведение процесса выпаривания. Суммарные затраты включают капитальные и амортизационные расходы, затраты на ремонт, энергозатраты, затраты на эксплуатацию.

С увеличением количества корпусов растет металлоемкость установки, но понижается ее энергоемкость. Затраты на обслуживание с введением системы автоматического управления почти не зависят от количества корпусов. Капитальные и амортизационные затраты пропорциональны количеству корпусов.

Каждый корпус многокорпусной установки имеет нагрузку , а общая полезная разность температур составляет для одного корпуса. Следовательно, площадь поверхности теплопередачи каждого корпуса многокорпусной установки при той же производительности равна площади поверхности теплопередачи однокорпусной установки:

.

Тогда общая площадь поверхности теплопередачи МВУ в п раз больше площади поверхности теплопередачи однокорпусной установки: .

Минимум суммарных затрат на проведение процесса выпаривания определяется на основании результатов расчетов для различного количества корпусов МВУ.

На рис. 11.5 показано, как изменяются различные статьи расходов с изменением числа корпусов.

Минимальные суммарные затраты, соответствующие минимуму кривой 1 на рис. 11.5, определяют рациональное количество корпусов МВУ. Обычно промышленные установки многократного выпаривания включают 3, 4 или более корпуса. При проектировании МВУ определяют производительность и площадь поверхности нагрева отдельных аппаратов, режимные параметры, коэффициенты теплопередачи, тепловые схемы количество выпарных аппаратов, а также выполняют технико-экономические расчеты.

Основная задача поверочных расчетов заключается в проверке возможности использования имеющихся аппаратов в заданных условиях, определении фактической производительности и режимов работы установки. При поверочных расчетах обычно решают задачи, возникающие в ходе эксплуатации выпарных установок.

При проектных расчетах площади поверхности нагрева выпарных аппаратов являются определяемыми величинами, а при поверочных — заданными.

Общий метод расчета производительности отдельных аппаратов МВУ на основе совместного решения уравнений материального и теплового балансов разработан .

Рис. 11.5. К определению оптимального количества корпусов выпаривания n:

1 — суммарные затраты; 2 — энергозатраты (по производству пара); 3 — капитальные и амортизационные расходы; 4 — затраты на эксплуатацию

Этот метод основан на допущении, что . Необходимость предварительного задания температурного режима, распределения полезной разности температур по корпусам является недостатком этого метода и вызвана тем, что система уравнений материального и теплового балансов не является полной и для ее замыкания необходимо использовать уравнение теплопередачи для всех аппаратов. Расчет проводят методом итераций (последовательных приближений). Метод итераций заключается в том, что неизвестными величинами предварительно задаются, а затем уточняют их по ходу расчета.

Расчет МВУ заключается в определении тепловых нагрузок у поверхностей теплопередачи корпусов установки и суммарной площади поверхности теплопередачи. Расчет начинают с вычисления количества воды, выпариваемой всей установкой, затем в первом приближении принимают, что в каждом корпусе выпаривается одинаковое количество воды, т. е. . Зная количество воды, выпариваемой в каждом корпусе, определяют концентрации растворов в этих корпусах по уравнению (11.6) и потери общей разности температур вследствие гидростатического эффекта и температурной депрессии.

Определив потери общей разности температур, рассчитывают полезную разность температур и распределяют ее по корпусам согласно уравнениям (11.24), (11.28), (11.35). Затем определяют параметры температуры растворов и паров и соответственно их тепловые параметры.

Далее по уравнению (11.21) находят расход греющего пара для корпуса, в котором раствор имеет наибольшую концентрацию.

На основании равенства (11.22) вычисляют количество выпаренной воды в (п—1)-м корпусе. Продолжая последовательные расчеты, определяют количество выпаренной воды и расход пара в каждом корпусе. Находят коэффициент теплопередачи по (9.47) на основании коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений аппарата и определяют площадь поверхности теплопередачи каждого корпуса. Если площади поверхностей теплопередачи корпусов сильно различаются, проводят второй уточненный расчет, принимая за исходные данные результаты первого приближения — количество выпаренной воды.

Режим работы МВУ определяется системой взаимосвязанных параметров, рассчитываемых на основе замкнутых систем уравнений. При уточненных расчетах необходимо решать более сложные уравнения и использовать численные методы. Большинство уравнений, описывающих МВУ, нелинейно, и решение их в аналитической форме невозможно. Поэтому возникает необходимость применения методов математического моделирования с использованием ЭВМ.

Уточненный расчет МВУ основан на решении системы уравнений статики. Эта система решается итерационными методами. При разработке алгоритмов возможно два варианта: совместное решение замкнутой системы уравнений, описывающих МВУ, и решение системы уравнений для одного аппарата с последующим использованием этого алгоритма для определения параметров работы других аппаратов.

Выпаривание с применением теплового насоса основано на использовании вторичного пара в качестве греющего в том же выпарном аппарате. Для этого температура вторичного пара должна быть повышена до температуры греющего пара. Повышение температуры вторичного пара достигается сжатием его в компрессоре или паровом инжекторе. В качестве компрессора обычно используется турбокомпрессор (рис. 11.6). Вторичный пар давлением рвт и энтальпией , выходящий из выпарного аппарата, засасывается в турбокомпрессор, в котором сжимается до давления . Энтальпия при этом возрастает до . Таким образом, за счет сжатия пар приобретает теплоту . Сжатый пар поступает из турбокомпрессора в греющую камеру выпарного аппарата.

Рис. 11.6 Выпарной аппарат (1) с турбокомпрессором (2)

Тепловой баланс процесса

, (11.36)

откуда расход греющего пара

(11.37)

где: — удельная энтальпия вторичного пара после сжатия в турбокомпрессоре, кДж/кг.

Из сравнения уравнений (11.9) и (11.37) видно, что при выпаривании с использованием теплового насоса расход греющего пара снижается за счет повышения энтальпии вторичного пара на величину :

(11.38)

Однако наряду с экономией греющего пара необходимы затраты электроэнергии на приведение в действие турбокомпрессора.

, (11.39)

где: — адиабатический КПД турбокомпрессора; — механический КПД электродвигателя и привода.

Установка удорожается также на стоимость турбокомпрессора. В установках с паровым инжектором (рис. 11.7) греющий пар из котельной поступает в паровой инжектор. Паровой инжектор представляет собой несложное устройство типа сопла Вентури, при изготовлении которого не требуется значительных затрат металла. В результате создания вакуума в инжектор засасывается из выпарного аппарата вторичный пар давлением и энтальпией .

Рис. 11.7. Выпарной аппарат (1) с инжекторным тепловым насосом (2)

Каждая массовая единица греющего пара засасывает массовых единиц вторичного пара. В результате получают греющий пар в количестве с давлением меньшим, чем давление греющего пара, но большим, чем вторичного пара. Часть пара, равная , сбрасывается с установки на побочные нужды.

Тепловой баланс процесса описывается равенствами

(11.40)

(11.41)

Сопоставление равенств (11.40) и (11.41) с уравнением теплового баланса выпаривания (11.9) показывает, что в этом процессе расход греющего пара уменьшается в раз по сравнению с процессом простого выпаривания.

Обычно коэффициент инжекции m составляет 0,5. 1,0.

Выпарные установки с инжектором применяют для выпаривания растворов с низкой температурной депрессией и высоким давлением вторичного пара. С уменьшением давления вторичного пара увеличивается адиабатический перепад теплоты при сжатии и соответственно уменьшается коэффициент инжекции. При этом расход греющего пара увеличивается и использование выпарных установок с паровым инжектором становится нерациональным.

11.4 УСТРОЙСТВО ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Наибольшее распространение в пищевых производствах получили трубные выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией при площади поверхности нагрева 10. 1800. В зависимости от расположения греющей камеры аппараты бывают с соосной или с вынесенной греющими камерами.

Кроме перечисленных аппаратов применяют различные конструкции пленочных выпарных аппаратов.

При выборе конструкции выпарного аппарата учитывают теплофизические свойства раствора, склонность к кристаллизации, чувствительность к высоким температурам, полезную разность температур в каждом корпусе, площадь поверхности теплообменного аппарата, технологические особенности.

Выпарные аппараты изготовляют из углеродистой, коррозиестойкой и двухслойной стали.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты по конструкции и применяются для выпаривания растворов невысокой вязкости, не склонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с соосной и вынесенной греющими камерами (рис. 11.8, а, б).

Рис.11.8 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора:

а – с соосной греющей камерой; б – с вынесенной греющей камерой; 1 — греющая камера; 2 — сепаратор; 3 — циркуляционная труба; , , — диаметры соответственно сепаратора, камеры и циркуляционной трубы; — длина камеры

Выпарной аппарат состоит из сепаратора, греющей камеры и циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают отбойники различной конструкции. Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубного теплообменника, в межтрубное пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в этих трубах образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, масса столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы — паровое пространство — циркуляционная труба — трубы и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.

Для естественной циркуляции требуются два условия: 1) достаточная высота уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси и создать необходимую скорость; 2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

Представленные на рис. 11.8 аппараты выгодно отличаются от устаревших конструкций аппаратов с центральной циркуляционной трубой. Наличие обогреваемой центральной циркуляционной трубы приводило к снижению интенсивности циркуляции.

Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 10 .

Выпарные аппараты, показанные на рис. 11.8, имеют площадь поверхности теплопередачи от 01.01.01 , длину кипятильных труб от 3 до 9 м в зависимости от их диаметра. Диаметр кипятильных труб составляет 25, 38 и 57 мм. Избыточное давление в греющей камере 0,3.. .1,6 МПа, а в сепараторе вакуум примерно 93,0 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры составляет не менее 0,3.

На рис. 11.9 показано размещение кипятильных труб в трубной решетке.

Рис. 11.9. Размещение кипятильных труб в распределительной решетке греющей камеры

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией характеризуются простотой конструкции и легкодоступны для ремонта и очистки.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи.

На рис. 11.10 показаны такие аппараты с соосной и вынесенной греющими камерами.

Рис. 11.10. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора:

а – с соосной греющей камерой; б – с вынесенной греющей камерой; 1 — греющая камера; 2 — сепаратор; 3 – циркуляционная труба; 4 – насос. Остальные обозначения см. на рис. 11.8

Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений.

Давление в низу кипятильных труб больше, чем в верху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Из-за этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 1,5. 3,5 м/с. Она определяется производительностью циркуляционного насоса, поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3. 5 °С) и при выпаривании растворов большой вязкости.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией имеют площадь поверхности теплопередачи от 01.01.01 м2, длину кипятильных труб от 4 до 9 м в зависимости от их диаметров, которые составляют 25, 38, 57 мм. Избыточное давление в греющей камере составляет от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе — 93 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры не менее 0,9.

Преимущества аппаратов с принудительной циркуляцией: высокие коэффициенты теплопередачи (в раза больше, чем при естественной циркуляции), а следовательно, и значительно меньшие площади поверхности теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур.

Недостаток этих аппаратов — затраты энергии на работу насоса.

Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

Пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании растворов, чувствительных к высоким температурам. При необходимом времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается. Выпаривание в пленочных аппаратах происходит за один проход раствора через трубы.

Пленочные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой и падающей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой.

Рис 11.11 Пленочные выпарные аппараты:

а – с восходящей пленкой и соосной греющей камерой; б – с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой; 1 – сепаратор; 2 — греющая камера

Пленочные аппараты, как и описанные выше, состоят из греющей камеры и сепаратора (рис. 11.11). В греющей камере расположены трубы длиной от 5 до 9 м, которые обогреваются греющим паром.

На рис. 11.11, а показан пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и соосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20. 25% высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.

На рис. 11.11, б показан аппарат с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора.

Пленочные выпарные аппараты изготовляют с площадью поверхности теплопередачи от 01.01.01 с диаметром труб 36 и 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе 93 кПа.

Недостаток пленочных аппаратов — неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с принудительной циркуляцией.

Роторно-пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании пищевых растворов, а также суспензий.

Роторно-пленочный аппарат представляет собой цилиндрический или конический корпус с обогреваемой рубашкой (рис. 11.12). Внутри корпуса вращается ротор, распределяющий раствор по цилиндрической поверхности корпуса в виде пленки, а в некоторых случаях — в виде струй и капель. Роторно-пленочные аппараты выполнены, как правило, из нержавеющей стали Х18Н10Т и углеродистой стали. Высота аппаратов достигает 12,5 м при диаметре 1,0 м, площадь поверхности теплообмена от 0,8 до 16 .

Рис.11.12 Роторно-пленочный выпарной аппарат:

1 — привод; 2 — уплотнение; 3 — ротор; 4 — флажок; 5 — корпус; 6 — рубашка

Для расчета коэффициентов теплоотдачи предложено уравнение

,

где: — частота вращения ротора; — динамическая вязкость; — теплопроводность среды.

Коэффициент теплоотдачи может быть определен и по другой зависимости:

,

где: ; — число лопастей ротора.

Роторно-пленочные аппараты бывают с жестким или размазывающим ротором. Жесткий ротор изготовляют пустотелым с лопастями. Зазор между лопастью и стенкой аппарата составляет от 0,4 до 1,5 мм. Исходный продукт подается в верхнюю часть аппарата и лопастями распределяется по цилиндрической стенке в виде пленки. Окружная скорость лопастей достигает 12 м/с. При работе под вакуумом (при давлении до 100 Па) вал ротора уплотняется специальным торцевым уплотнением. Нижний подшипник смазывается перерабатываемым материалом. Принципиальное отличие испарителя с размазывающим ротором заключается в применении ротора с шарнирно закрепленными на валу флажками. При вращении ротора флажки прижимаются центробежной силой к внутренней поверхности корпуса и размазывают по ней продукт в виде пленки. Такие аппараты применяют также для проведения совмещенного процесса концентрирования и сушки. Диаметр аппаратов достигает 1 м, площадь — от 0,8 до 12 , окружная скорость вращения ротора с флажками — 5 м/с.

Конструкция аппаратов позволяет благодаря осевому перемещению ротора регулировать толщину пленки и тем самым скорость процесса.

Роторно-пленочные аппараты имеют более высокие коэффициенты теплопередачи, чем аппараты с падающей пленкой, они достигают значений, равных 2300. 2700 Вт(), в то время как в аппаратах с падающей пленкой — 1500Вт/().

1. В чем заключается процесс выпаривания? Какие растворы концентрируют выпариванием? 2. От чего зависит температурная депрессия и как она рассчитывается? 3. Какими методами в промышленности осуществляется процесс выпаривания? 4. От чего зависит количество выпаренной воды? 5. Как определяется расход греющего пара при выпаривании? На что в основном расходуется греющий пар? 6. Чем отличается полезная разность темпера тур от общей разности? 7. Из чего складывается сумма потерь общей разности температур (депрессий)? 8. Перечислите способы экономии греющего пара при выпаривании. 9. За счет чего происходит экономия греющего пара в многокор­пусных выпарных установках? 10. В чем заключается расчет выпарных установок? 11. Какие конструкции выпарных установок применяют в промышленности? 12. Дайте технико-экономическую оценку работы выпарных установок с естественной и принудительной циркуляцией раствора.