Температурные потери при выпаривании

Расчет температурных потерь, возникающих при выпаривании растворов и транспортировке пара в многоступенчатых выпарных установках, является важным этапом при анализе работы выпарных установок и их проектировании. Различают три вида температурных потерь: физико-химическую, гидравлическую и гидростатическую.

Физико – химическую температурную депрессию θ определяют как разность между температурой кипения раствора и чистого растворителя при постоянном давлении.

Θ = Т_Р – t                                              (2.1)

где: Тр - температура кипения раствора, К; t - температура образующихся паров воды, К.

Физико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением концентрации вещества в водном растворе. Величину Θ можно определить по справочнику или специальным графикам. На рис. 2.8 показана зависимость нормальной физико- химической температурной депрессии щелоков целлюлозного производства от концентрации сухих веществ. На рис. 2.9 - зависимость поправки на величину внешнего давления от температуры насыщенного пара.

Рис. 2.8. Зависимость нормальной физико-химической температурной депрессии щелоков целлюлозного производства от концентрации сухих веществ: 1 - черный сульфатный щелок; 2 - нейтральные сульфитные щелока; 3 - сульфатный щелок на кальциевом основании

Рис. 2.9. Зависимость поправки на величину внешнего давления от температуры насыщенного пара

 Справочные данные обычно относятся к условиям кипения жидкости при атмосферном давлении. На практике выпаривание ведут как под давлением, так и под вакуумом. Поправка на температуру при определении физико-химической температурной депрессии Θ может быть вычислена по приближенной формуле Тищенко:

(2.2.)

где:

Θ - физико-химическая температурная депрессия, взятая из таблиц при давлении 760 мм рт.ст., град;

Т - абсолютная температура кипения раствора, К;

r - теплота фазового перехода при давлении выпаривания, кДж/кг.

Гидростатическая температурная депрессияΔi определяется столбом раствора, находящимся в выпарном аппарате. Так как давление раствора в нижней части выпарного аппарата больше, чем в верхней части, то температура кипения, в ней будет выше, чем в верхней. При высоте труб 10м и выше эта разность может быть весьма существенной. Эта разность имеет место в выпарных аппаратах с заполненным раствором кипятильных труб.

В инженерных расчетах учет повышения температуры кипения раствора от добавочного столба жидкости принимают температуру кипения среднего слоя раствора в кипятильных трубках. Гидростатическое давление для средних слоев раствора может быть определено из выражения:

ΔР = ρ_ж · h / 2,     (2.3.)

где ΔР - гидростатическое давление для средних слоев раствора, кгс/м²; ρ_ж - плотность парожидкостной смеси в выпарном аппарате, кг/м³ ; h - высота столба раствора, м.

Истинное значение гидростатической депрессии меньше, чем определенное по формуле. Эта формула верна для неподвижного раствора и при отсутствии кипения. Ею можно пользоваться для расчетов выпарных аппаратов с вползающей пленкой, где раствор на 0,1 - 0,2 высоты кипятильных движется с незначительной скоростью. Для аппаратов с многократной циркуляцией раствора рекомендуется принимать потерю разности температур от гидростатической депрессии в пределах 0,6 - 2,0 градусов или пренебречь ею. Заметное влияние гидростатическая депрессия оказывает на температурные потери в аппаратах, работающих под вакуумом.

Для определения температурной потери от гидростатического давления по формуле (2. ) следует просуммировать давление в паровом пространстве с гидростатическим давлением и по таблицам насыщенного водяного пара определить температуру кипения воды при общем давлении. Разность между этой температурой и температурой кипения воды при давлении в паровом пространстве отвечает искомой температурной потере. Для чисто пленочных аппаратов, как, например, аппаратов с падающей пленкой, гидростатическая депрессия не учитывается.

Гидродинамическая депрессия определяется как снижение давления, а, следовательно, температуры вторичного пара за счет гидравлических сопротивлений. Эти сопротивления возникают при прохождении пара через сепарационные устройства, а также при его переходе из корпуса в корпус выпарной установки. В среднем падение температуры от гидравлических сопротивлений составляет 1,0 - 1,5 град. на каждый корпус многокорпусной установки.

Общий температурный напор определяется разностью температур между температурой греющего пара на входе в кипятильник первого корпуса Т₁ и температурой Т_Nв вторичного пара в кипятильнике последнего по ходу пара корпусе, т.е.

ΔТобщ = Т₁ - Т_Nв, град  (2.4.)

Полезный температурный напор, определяющий производительность выпарной батареи, вычисляется как разность температур греющего пара на входе в кипятильник первого корпуса Т₁ и температурой Т_Nр кипения раствора в кипятильнике последнего по ходу пара корпусе, т.е.

ΔТ = Т₁ - Т_Nр = Т₁ - (Т_Nв + θ + Δi)            (2.5 )

Для многоступенчатой выпарной установки с N ступенями выпаривания

-      (2.6)

Одним из определяющих факторов работы выпарной установки является производительность по выпаренной воде. Количество выпаренной воды можно вычислить по формуле:

· ,       (2.7.)

где W-выпаренная вода в выпарной установке, кг/с; S₀ и Sn - массовый расход упариваемого раствора в начале и конце процесса, кг/с; b₀ и bк - массовые концентрации раствора на входе и выходе из выпарной установки, %.

Концентрация раствора в n-ой ступени выпаривания можно получить из выражения

,                   (2.8). 

где - выпаренная вода в выпарной установке