Однокорпусное (однократное) выпаривание

Процесс однократного выпаривания проводят в одном аппарате
в непрерывном режиме (рис. 3.1). Схема массовых и тепловых потоков приведена на рис. 3.6.

, Hгк

к, Hк, xк

, Hвп

, xн, Hн

, Hг

Рис. 3.6. Схема массовых и тепловых потоков ВА

Материальный баланс по общему количеству продуктов

.                                          (89)

Здесь - расход исходного и упаренного растворов, ;  - выход вторичного пара, .

Материальный баланс по нелетучему продукту

,                                       (90)

где x_н,, x_к - концентрация растворенного продукта в исходном и упаренном растворе на 1 кг продукта.

В этих уравнениях искомые величины:

                                      (91)

По двум исходным уравнениям три величины найти невозможно, поэтому одной из величин, например,  задаемся.

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса

.              (92)

Здесь  - расход греющего пара, ;  - удельная энтальпия, ;  - потери теплоты в окружающую среду, . Индексы н – начальное, к – конечное, вп – вторичный пар, п – потери, г - греющий пар, гк – конденсат греющего пара.

Вводя упрощающие допущения в уравнение (92), приведем его к виду более удобному для пользования. Запишем тепловой баланс смешения, рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренной влаги при постоянной температуре кипения, сделав допущение о постоянстве с_н в интервале температур Т_н и Т_к

,                          (93)

где с_в – удельная теплоемкость воды при температуре Т_к;  – теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от х_н до х_к. Теплота концентрирования равна теплоте разбавления с обратным знаком

Тогда получим

. (94)

Здесь  – количество теплоты, выделяющееся в выпарном аппарате при конденсации пара;  - теплота на нагревание исходного сырья от  до ;  - теплота на испарение растворителя при . При небольшой степени концентрирования и хорошей изоляции выражение  мало и им можно пренебречь. Если предположить, что T_н = T_к, т.е. раствор поступает в аппарат при температуре кипения, то

,

отсюда

,                                 (95)

где r_п - теплота парообразования растворителя; r_к - теплота конденсации греющего пара.

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водяной пар, а упаривают водный раствор, то . Это означает, что на испарение 1 кг растворителя затрачивается 1 кг греющего пара. Реально, ,
т.е. пара необходимо больше в 1,05-1,15 раз.

Лекция 6

Уравнение (94) используется для определения тепловой нагрузки. Потребная площадь теплопередачи определяется по основной расчетной формуле

.

Здесь искомая величина , а K - коэффициент теплопередачи определяется по известным формулам. Возникает проблема расчета полезной разности температур .

Температурные потери

Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления греющего и вторичного паров, т.е. их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарных аппаратов

.                                          (96)

Общая разность температур  связана с полезной разностью температур  соотношением

.                                      (97)

Здесь D¢ - концентрационная температурная депрессия; D¢¢ - гидростатическая температурная депрессия.

D¢ определяют как разницу температур кипения раствора Т_{кип. р} и чистого растворителя Т_{кип. чр} при p = = const

D¢ = Т_{кип. р} – Т_{кип. чр}, Т_{кип. чр} = T_вп, D¢ = Т_{кип. р} - T_вп.                     (98)

Температура образующегося (при кипении раствора) вторичного пара ниже, чем температура кипения самого раствора, т.е. часть температур теряется бесполезно.

D¢¢ характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением гидростатического давления. Обычно по высоте кипятильных труб определяют среднее давление, и для этого давления определяют среднюю температуру кипения растворителя Т_ср.

Здесь p_a - давление в аппарате (в сепараторе);  r_пж - плотность парожидкостной смеси; - паросодержание в кипятильных трубах; H - высота кипятильных труб.

D² = T_ср - T_вп,                                        (99)

где T_ср - температура кипения растворителя при p = p_ср; T_вп - температура вторичного пара при давлении p_а.

Многокорпусное выпаривание

В многокорпусной выпарной установке вторичный пар (рис. 3.2, 3.3) предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара
в последующем корпусе.

Такая организация выпаривания приводит к значительной экономии греющего пара. Если принять  по всем корпусам, то общий расход греющего пара на процесс уменьшается пропорционально числу корпусов. Практически, в реальных условиях такое соотношение не выдерживается, оно, как правило, выше.

Далее рассмотрим многокорпусную выпарную установку.

Уравнения материальных и тепловых балансов для многокорпусной выпарной установки (см. рис. 3.2), представляют собой систему уравнений, записанных для каждого корпуса в отдельности.

Уравнения материальных балансов позволяют определить количество испаренной воды в установке и концентрацию растворенного вещества
по корпусам при условии, если задан закон распределения испаренной воды по корпусам.

Общее количество испаренной воды в установке определяется как

                                        (100)

Очевидно, что  равно сумме количеств воды, выпариваемой
по корпусам

.                                         (101)

Концентрацию растворов на выходе из каждого корпуса можно определить по уравнению (91):

– для первого корпуса:

                                        (102)

– для второго корпуса:

;                                  (103)

– для n-го корпуса:

.                                         (104)

Уравнение теплового баланса для n-го корпуса (рис. 3.7) имеет вид (аналогично (92), (93))

Рис. 3.7. Схема тепловых потоков для n-го аппарата

.

Здесь:

-  - расход греющего пара для n-го корпуса;

-  - расход вторичного пара;

-  - расход исходного раствора;

- - расход упаренного раствора;

-  - энтальпия греющего пара;

-  - энтальпия исходного раствора;

-  - энтальпия упаренного раствора;

-  - энтальпия вторичного пара;

-  - энтальпия конденсата греющего пара.

С помощью системы уравнений тепловых балансов для всех корпусов
и уравнения баланса испаренной жидкости определяют расход греющего пара в первом корпусе, расходы выпаренной воды в каждом корпусе
и их тепловые нагрузки.