Какие три вида температурных депрессий приходится учитывать при расчете выпарной установки и какая из них имеет наибольшее значение?

В процессе выпаривания растворов возникают температурные потери, общая величина которых складывается из

1. физико-химической (концентрационной) температурной депрессии

2. гидростатической депрессии  и

3. гидравлической депрессии

1.2.1. Физико-химическая температурная депрессия

Физико-химическая температурная депрессия равна разности между температурой кипения раствора  и температурой кипения чистого растворителя (температурой вторичного пара)t_в.ппри данном давлении.

Раствор кипит при более высокой температуре , чем чистый растворитель (tв.п).     t_k>t_в.п

Например, для раствора поваренной соли NaCI по мере повышения концентрации температура кипения  повышается до тех пор, пока раствор не достигнет предельной концентрации 26 % (равно растворимости). При такой концентрации и атмосферном давлении раствор закипит при температуре =107,5^оС, а выделяющиеся пары растворителя будут иметь температуру =100^оС, т.е. температуру кипения чистой воды. =107,5-100=7,5^оС.

Таким образом, при кипении раствора в выпарном аппарате температура выделяющегося пара всегда меньше температуры кипения раствора. Эту разность температур и называют физико-химической температурной депрессией или просто температурной депрессией и обозначают :

                                      (1.6)

где температура кипения раствора;

t_{в.п –} температура выделяющихся паров растворителя (воды).

Температурная депрессия увеличивается с повышением концентрации раствора и различна для разных растворов.

В справочниках обычно приводятся значения температурной депрессии для кипящих растворов при нормальном атмосферном давлении.

Для расчета температурной депрессии растворов при давлениях, отличных от нормального, при наличии данных из таблиц для нормальной депрессии пользуются формулой И.А. Тищенко

                          (1.7)

где  - температурная депрессия при данном давлении;  - температурная депрессия при нормальном давлении; Т – абсолютная температура кипения воды при данном давлении; r – теплота парообразования воды при данном давлении.

Формула И.А. Тищенко (1.7) дает удовлетворительные результаты только для водных растворов, обладающих малой температурной депрессией.

Значения нормальной температурной депрессии для некоторых растворов в зависимости от их концентрации приведены на рис. 1.4.

При нахождении температурной депрессии по формуле (1.6)  необходимо определять температуру кипения раствора Т при различных давлениях. Для этого можно использовать эмпирический закон Бабо, по которому отношение давления пара  к давлению насыщения пара  при той же температуре есть величина постоянная, для данной концентрации не зависящая от температуры кипения, т.е. [1]

.                           (1.8)

Рис. 1.4. Изменение температурной депрессии в зависимости от концентрации раствора при кипении:

1 - KOH; 2 - KCI; 3 - KJ; 4 – KNO3; 5 – K2CO3; 6 – MgCI2; 7 – MgSO4; 8 - NaOH; 9 – NaNO3; 10 - NaCI; 11 – Na2SO4; 12 – NH4NO3; 13 – C5H10O5; 14 – CaCI2; 15 – K2Cr2O7

Таким образом, если температура кипения раствора данной концентрации при атмосферном давлении известна, то вычислить температуру кипения его при любом другом давлении просто. Следует иметь в виду, что закон Бабо дает достаточно точные результаты только для разбавленных (слабо концентрированных) растворов.

На рис. 1.5. представлена схема и температурный график выпарной установки с учетом всех видов депрессий.

На оси абсцисс графика представлены температуры, а на оси ординат показаны положения температурных точек в установке (по высоте h).

В соответствии с вышеизложенными рассуждениями,
- точка 4 соответствует средней температуре кипения раствора,
- а разность между точками 4 и 7 характеризует все виды депрессий. Следовательно, разность между температурой греющего пара (точка 2) и температурой кипения раствора (точка 4) является полезной разностью температур.

Рис. 1.5. Схема аппарата и температурный график выпарной установки:

1-2-конденсация греющего пара (без учета охлаждения конденсата); 3-5- изменение температуры кипения под действием гидростатического столба жидкости; 4 – температура кипения раствора; 5-6 концентрационная температурная депрессия; 6-7-гидродинамическая температурная депрессия

Рис. 1.1. Схема однокорпусной выпарной установки:

1 – сепаратор (паровое пространство?); 2 – греющая камера (рекуперативный теплообменник); 3 – циркуляционная труба; 4 – барометрический конденсатор (например, теплообменник смешения); 5 – барометрическая труба; 6 – вакуум-насос

При выпаривании циркулирующих растворов температурную депрессию следует вычислять по конечной концентрации раствора.

При отсутствии циркуляции, т.е. при однократном прохождении раствора, температурную депрессию следует вычислять по средней его концентрации в корпусе.

1.2.2. Повышение температуры кипения растворов вследствие гидростатического давления (гидростатическая депрессия)

В выпарном аппарате давление на жидкость в верхних и нижних слоях неодинаково, следовательно, температура кипения раствора по всей высоте аппарата также различна. Пузырьки пара, находящиеся в нижних слоях жидкости, и, следовательно, должны иметь большее давление, чем на поверхности. Этим объясняется более высокая температура кипения жидкости в нижних слоях.

Гидростатическое давление в среднем слое будет равно, Па,

                     (1.9)

где  плотность раствора в п-ном корпусе, кг/м³;

высота столба жидкости в аппарате, м;

g- ускорение силы тяжести, м/с².

Если прибавить это гидростатическое давление к давлению в паровом пространстве аппарата, то получают общее давление на средней глубине жидкости , и по таблицам насыщенного водяного пара находят температуру кипения воды, соответствующую этому давлению. Вычитая из найденной температуры температуру кипения воды при данном давлении в паровом пространстве, получим температурную потерю вследствие гидростатического давления. В дальнейшем эту потерю по отдельным корпусам будем обозначать через

Практически гидростатическое давление оказывает меньшее влияние на температурные потери, чем это следует из формулы (1.9), так как при кипении образуется смесь пара с жидкостью (двух фазная среда), и поэтому значительно уменьшается плотность столба смеси пара с жидкостью в трубах.

Гидростатический эффект стремятся свести к минимуму, конструируя выпарные аппараты таким образом, чтобы процесс выпаривания протекал в весьма тонком слое. Можно считать, что в выпарных аппаратах пленочного типа влияние гидростатического давления практически полностью устранено [2].

1.2.3. Охлаждение вторичного пара в паропроводах между корпусами (гидравлическая депрессия ).

Вторичный пар, двигаясь из парового пространства предыдущего корпуса в нагревательную камеру следующего корпуса, должен преодолеть некоторое гидравлическое сопротивление; это вызывает уменьшение его давления, приводящее к понижению температуры пара (согласно уравнению состояния p*V=R*T).

При этом, чем больше скорость движения пара в паропроводе и чем длиннее паропровод, тем большим будет снижение температуры пара.

На основании опытных данных падение температуры в паропроводах между всеми корпусами без большой ошибки принимают обычно одинаковым и равным =0,5-1,5 ^оС для каждого аппарата [2].