3. Випарювання

(лекція)

Мета: ознайомитися з матеріальним та тепловим балансами випарювання апаратів.

План

1. Матеріальний баланс випарного апарату.

2. Тепловий баланс випарного апарату.

3. Визначення поверхні теплоносія.

Матеріальний баланс випарного апарату

Позначимо початкову (до випарки) та кінцеву (після випарки) кількість розчину (в кг) через G₁ і G₂, його початкову і кінцеву концентрацію (в вагових долях) через а₁ і а₂ і кількість випареної води (в кг) через W. Тоді можна написати рівняння матеріального балансу за усією кількістю речовини:

G₁ = G₂ + W (1)

і за розчиненою речовиною:

G₁ а₁ = G₂ а₂ (2)

В приведених рівняннях входять п’ять величин; три величини повинні бути задані, а останні дві можна визначити із цих рівнянь. Зазвичай бувають відомі G₁ а₁ і а₂, тоді, вирішуючи сумісно рівняння (1) та (2), знаходимо:

(3), = >

W= G₁ – G₂ = G₁ (1 - )

Іноді бувають задані G₁, W і а₁, тоді із рівняння (1) та (2) розраховуємо кінцеву концентрацію розчину:

,

а з рівняння (1) знаходимо G₂.

Тепловий баланс випарного апарату

Складемо рівняння теплового балансу випарного апарату для розчину, що випарюється:

1. Прихід тепла.

- віддається нагріваючим агентом – Q.

- з розчином, що потрапляє – G₁ · C₁ · t_о.

2. Витрата тепла.

- з вторинною парою – W · i

- з розчином, що уходить – G₂ · C₂ · t

- на дегідратацію – Q_дег.

- втрати в довкілля – Q_втр.

Таким чином:

Q + G₁ · C₁· t_o = W · i + G₂ · C₂ · t +

Q_дег. + Q_в. (4)

де С₁ та С₂– питомі теплоємності розчинів, що потрапляють та уходять.

t_о і t - температури розчинів, що поступають та уходять, град.

i – ентальпія вторинної пари, Дж/ кг.

Теплота дегідратації представляє собою витрату тепла на підвищення концентрації розчину; вона дорівнює за величиною і обернена за знаком теплоті розбавлення розчину. Таким чином, якщо при розбавленні розчину водою виділяється тепло, то при його концентровані тепло поглинається. Зазвичай теплота дегідратації невелика і тому не враховується.

Розглядаючи розчин, що поступає як суміш упареного розчину і випареною води, можна написати:

G₁ · C₁ · t = G₂ · C₂ · t + W · C_в. · t

Звідки:

G₂ · C₂ = G₁ · C₁ - W · C_в.

де С_в – питома теплоємність води, Дж/ кг · град.

Підставляючи значення G₂ · C₂ в рівняння (4), отримаємо:

Q = G₁ · C₁(t – t_о) + W(i – C_в. · t) +

Q_дег. + Q_втр. (5)

Якщо не врахувати теплоту дегідратації і втрати тепла, то рівняння (5) запишеться так:

Q = G₁ · C₁(t – t_о) + W(i – C_в. · t) (6)

В цьому рівнянні член G₁ · C₁(t – t_о) представляє собою витрати тепла на підігрівання розчину, який поступає, до температури кипіння, а член W(i – C_в. · t) – витрата тепла на випаровування води.

Питома теплоємність розчину, що входить до рівняння теплового балансу, могла бути підрахована в залежності від його концентрації а за приближеною формулою:

С = С_тв ·а + С_в.(1 – а),

де С_тв. – питома теплоємність безводної твердої розчиненої речовини.