3.1.3 Основные величины, характеризующие работу

выпарного аппарата

Интенсивность выпаривания, в первую очередь, зависит от температур­ного перепада (температурного напора), который представляет собой раз­ность между температурами греющего (первичного) пара и кипящего раство­ра.

Введем понятия полной и полезной разности температур. Полной раз­ностью температур ∆t_полн будем называть разность между температурами первичного t_п и вторичного пара в конце паропровода, отводящего его из сепаратора:

. (3.1)

Процесс теплопередачи при выпаривании происходит за счет полезной разности температур, которая меньше полной на величину температурных потерь ∆:

. (3.2)

В свою очередь, температурные потери складываются из трех составляющих:

. (3.3)

где – гидравлическая депрессия, вызываемая гидравлическими сопротивлениями, которые должен преодолеть вторичный пар при своем движении через сепаратор и паропровод; вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры; обычно гидравлическая депрессия вызывает необходимость повышения температуры кипения раствора на 0,5…1,5 °С;

∆г - гидростатическая депрессия, представляет собой разность между температурами раствора посередине высоты греющих труб и на поверхности; обычно она равна 1…3°С;

∆ф - физико-химическая депрессия, равная разности между температурами кипения раствора и чистого растворителя при одинаковом давлении.

Ввиду температурных потерь температура кипения раствора должна быть больше температуры вторичного пара, находящегося над ним:

. (3.4)

Тогда полезную разность тем­ператур можно выразить сле­дующим образом:

. (3.5)

Тепловой поток по­следовательно преодолевает термические сопротивления, встречающиеся на его пути,

, (3.6)

где ∆t₁ - перепад температур на участке конденсации первичного пара на наружной поверхности кипятильных труб;

∆t_ст - перепад температур при прохождении тепловым потоком толщи стенок кипятильных труб;

∆t_н - перепад температур в слое накипи, расположенной на внутренней поверхности кипятильных труб;

∆t₂ - перепад температур на участке теплоотдачи от слоя накипи к кипящему раствору.

Как следует из вышесказанного, возрастание значений температурных потерь неизбежно приводит к повышению температуры кипения раствора и, как следствие, к уменьшению полезной разности температур ∆t, обеспечивающей процесс выпаривания.

3.1.4 Элементы расчета однокорпусной выпарной установки

3.1.4.1 Материальный баланс

Н а выпаривание поступает G_H кг/с исходного раствора концентрацией х_н и отводится G_K кг/с упаренного раствора с концентрацией х_к. Если в аппарате выпаривается W кг/с воды, то материальный баланс можно записать в виде двух уравнений:

по всему веществу:

; (3.7)

по растворенному сухому веществу:

. (3.8)

Из пяти переменных, входящих в эти уравнения, три должны быть зада­ны. Обычно известны: расход исходного раствора G_H , его концентрация x_H и требуемая концентрация упаренного раствора x_K.

Т

Рисунок 3.6 – К составлению материального и теплового балансов.

огда с помощью выражений (3.7) и (3.8) определим производитель­ность аппарата:

по упаренному раствору

, (3.9)

по выпариваемой воде

. (3.10)

3.1.4.2 Тепловой баланс

Введем следующие обозначения: Д - расход грею­щего пара, кг/с; I, I_вт - энтальпии греющего и вторичного пара, Дж/кг; i_H, i_K - энтальпии исходного и упаренного растворов, Дж/кг; I_n.k.=c'·Θ - энтальпия парового конденса­та, где с'- удельная теплоемкость, Дж/кг, а Θ - температура конденсата, °С. Определим приход и расход тепла (рисунок 3.6).

Приход тепла:

– с исходным раствором: ;

– с греющим паром: Д·I.

Расход тепла:

– с упаренным раствором: ;

– с вторичным паром: W·I_вт;

– с паровым конденсатом: Д·с'·Θ;

Потери тепла в окружающую среду Q_n.

Тогда тепловой баланс однокорпусной выпарной установки выразится следующим уравнением:

(3.11)

Здесь энтальпия исходного раствора (с_Н – удельная теплоемкость, а t_H - температура), а упаренного раствора (t_K - температура кипения раствора). Заменив в последнем выражении G_H на сумму G_K+ W , получим:

(3.12)

Из уравнения (3.12) находим расход греющего пара:

. (3.13)

Отсюда можно сделать вывод, что расход пара зависит от величины трех слагаемых правой части:

а) расхода пара на изменение энтальпии выпариваемого раствора;

б) расхода пара на непосредственное выпаривание растворителя (например, воды);

в) расхода пара на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.

Если принять, что исходный раствор поступает в аппарат предварительно нагретым до температуры кипения, т.е. t_H = t_K, а потери тепла в окру­жающую среду составляют как обычно от 2 до 5%, то значениями первого и третьего слагаемых в первом приближении можно пренебречь.

Тогда:

. (3.14)

Поверхность нагрева непрерывно действующего выпарного аппарата определяется из основного уравнения теплопередачи:

, (3.15)

где - тепловая нагрузка аппарата, Вт;

- коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К;

∆t - полезная разность температур, К;

α₁ - коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке, Вт/м²·К;

α₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору, Вт/м²·К.

Следует помнить, что значение коэффициента теплопередачи снижает­ся по мере повышения концентрации и вязкости раствора, а также с пониже­нием температуры его кипения.