3. Устройство выпарных аппаратов.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей: 1. Кипятильник (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора; 2. Сепаратор – пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают: 1) в.а. со свободной циркуляцией; 2) в.а. с естественной цирк-ей; 3)в.в. с принудительной цирк-ей; 4) пленочные в.а.

В.а. со свободной циркуляцией. В этих аппаратах неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб. В растворе возникают неупорядоченные конвекционные токи, обусловленные свободной конвекцией. Применяются редко.

В.а. с естественной цирк-ей: 1). В.а. с центральной циркуляционной трубой. 2).В.а. с подвесной греющей камерой 3) В.а. с выносным кипятильником (рис. слева). Аппарат имеет выносной кипятильник 1 и сепаратор 3. В кипятильнике, состоящем из пучка труб, обогреваемых снаружи паром, образуется парожидкостная смесь, поступающая в сепаратор по трубе 2. В сепараторе происходит отделение вторичного пара от жидкости, которая по циркуляционной трубе 4 возвращается в кипятильник.

В.а. с принудительной цир-ей (рис. справа).

Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом 2. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора 4. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. (на рис: 1 – кипятильник, 3 – циркуляционная труба.) Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений, а не на подъем жидкости. Достоинства: высокий коэф-т теплопередачи, отсутствие загрязнений поверхности теплообмена и возможность работы при небольших разностях температур. Недостаток – затраты энергии на работу насоса.

Пленочные в.а. В п.в.а. раствор движется вдоль поверхности теплообмена в виде тонкой пленки. П.а. с вертикальными трубами (рис.) состоят из пучка кипятильных труб, обогреваемых снаружи паром и присоединенных вверху к сепаратору. Жидкость подается снизу, уровень ее поддерживается на 1/4-1/5 высоты труб. Остальная часть заполнена парожидкостной смесью, расслаивающейся на пленку жидкости (около стенок) и пар (в центре). Трением о струю пара жидкая пленка увлекается вверх (аппараты с поднимающейся пленкой). ( на рис:. 1 – кипятильник, 2 – сепаратор.)

4. Расчет выпарных аппаратов.

Температура кипения растворов

Давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем давление над чистым растворителем. Вследствие этого температура кипения выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, вода кипит под атмосферным давлением при 100 ^оC, так как давление ее пара при этой температуре равно 1 ат; для 30% раствора NaOH давление водяного пара над раствором будет при 100 ^оC ниже 1ат, и раствор закипит при более высокой температуры (117 ^оC), когда давление пара над ним достигнет 1ат.

Разность между температурами кипения раствора (t) и чистого растворителя называемой температурной депрессией

_{Температурная депрессия зависит от свойств растворенного вещества и растворителя ; она повышается с увеличением концентрации раствора и давления. Определяется температурная депрессия опытным путем (большинство опытных данных относится к температурной депрессии при атмосферном давлении).}

_{Если известна температурная депрессия при атмосферном давлении ,можно найти депрессию и при давлениях по приближенной формуле Тищенко; , где Т и r абсолютная температура кипения(в К) и теплота испарения (Дж/кг) для воды при данном давлении. Обозначая величину} через K, получим k находим по таблицам.

Повышение температуры кипения раствора определяется не только температурной депрессией, но так же гидростатической и гидравлической депрессиями.

Гидростатическая депрессия вызывается тем, что ниже слои жидкости в аппарате закипают при более высокой температуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев). Расчет гидростатической депрессии в выпарных аппаратах невозможен, так как жидкость в них находится в движении. С повышением уровнем жидкости в аппарате гидростатическая депрессия возрастает. В среднем на 1-3градуса.

_{Гидравлическая депрессия} учитывает повышение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара через ловушку и выходной трубопровод. При расчетах принимают равной 1^оC

_{Полная депрессия равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессий : . Температура кипения раствора t определяется, в зависемости от температуры насыщения вторичного пара по формуле:}

_{Материальный баланс выпарного аппарата}

Обозначим начальное и конечное количество раствора (в кг) через G₁ и G₂, его начальную и конечную концентрацию через а₁ и а₂ и количество выпаренной воды (в кг) через W. Тогда можно написать уравнения материального баланса по всему количеству вещества:

_{и по растворенному веществу:}

Рассматривая поступающий раствор как смесь упаренного раствора и испаренной воды, можно написать:

_откуда

где с_в — удельная теплоемкость воды, дж/кг • град.

Подставляя значение G₂c₂ в уравнение, получим

Если пренебречь теплотой дегидратации и потерями тепла, то предыдущее уравнение запишется в виде:

Определение поверхности теплообмена

Необходимая поверхность теплообмена выпарного аппарата определяется по общему уравнению в зависимости от тепловой нагрузки Q. Температурный напор принимается равным разности температуры насыщения греющего пара T и тем­пературы кипения раствора.