4.2. Однокорпусні випарні установки

4.2.1. Схема однокорпусної випарної установки

Однокорпусна випарна установка має один випарний апарат (корпус). Схему такого випарного апарата з природною циркуляцією розчину (з внутрішньою центральною циркуляційною трубою) показано на рис. 4.1. Апарат містить теплооб­мінний пристрій – нагрівальну (гріючу) камеру 1 та сепаратор 2, об’єднані в одному апараті (рис. 4.1). Існують конструкції з винесеною камерою і з’єднаною з сепара­тором трубами (див. далі). Камера обігрівається здебільшого водяною насиченою парою, що надходить у її міжтрубний простір. Конденсат відводять знизу камери.

Рис. 4.1. Схема однокорпусного випарного апарата: 1 – нагрівальна камера; 2 – сепаратор; 3 – кип’ятильні труби; 4 – циркуляційна труба

Піднімаючись трубами 3, випарюваний розчин нагрівається і кипить з утворенням вторинної пари. Відділення пари від рідини відбувається в сепараторі 2. Вивільнена від крапель вторинна пара видаляється з верхньої частини сепаратора. Частина рідини опускається циркуляційною трубою 2 під нижню трубну решітку гріючої камери. Внаслідок різниці густин розчину в трубі 2 та парорідинної емульсії в трубах 3 рідина циркулює замкненим контуром. Випарений розчин видаляється через штуцер в днищі апарата.

У разі проведення процесу випарювання під вакуумом вторинну пару відсмоктують в конденсатор парів, з’єднаний з вакуум-насосом.

4.2.2. Матеріальний баланс однокорпусної випарної установки

На випарювання надходить G_поч кг/с вихідного розчину з концентрацією b_поч. мас. % і видаляється G_к кг/с випареного розчину з концентрацією b_к. мас. % (рис. 4.1). Якщо в апараті випарюється W кг/с розчинника (води), то загальний матеріальний баланс апарата

G_поч = G_к + W. (4.1)

Матеріальний баланс за абсолютно сухою речовиною, що знаходиться в розчині

. (4.2)

Три з п’яти змінних, що входять у рівняння (4.1) та (4.2), повинні бути заданими. Найчастіше задають: витрату вихідного розчину G_поч, його концентра­цію b_поч. та необхідну кінцеву концентрацію випареного розчину b_к. Тоді на основі рівнянь (4.1) та (4.2) визначають продуктивність апарата:

за випареним розчином

; (4.3)

за випарюваною водою

. (4.4)

4.2.3. Тепловий баланс однокорпусної випарної установки

Позначимо: D – витрата гріючої пари, І, І_r, і_поч = с_почt_поч, і_к = с_кt_к – ентальпії вторинної та гріючої пари, вихідного і випареного розчину відповідно; – ентальпія парового конденсату; с_п, с_к і – середні питомі теплоємності вихідного розчину, кінцевого і конденсату гріючої пари; t_п, t_к, – температури вихідного і кінцевого розчинів і насичення гріючої пари конденсату відповідно.

Для складання теплового балансу визначимо прихід і витрату тепла відповідно до схеми рис. 4.1:

Прихід тепла	Витрата тепла
З вихідним розчином..…......Gпоч · і поч	З випареним розчином..……......................G к · і к
З гріючою парою...................D · Iг	З вторинною парою ………........................W · I
	З паровим конденсатом.……......................
	Теплота концентрування.……......................Qконц
	Втрати тепла в навколишнє середовище......Qвтр

Відповідно рівняння теплового балансу має такий вигляд:

. (4.5)

Розглядаючи вихідний розчин як суміш упареного розчину і випарюваної вологи і приймаючи, що теплоємність вихідного розчину в межах температур від початкової до кінцевої є величиною сталою, запишемо рівняння теплового балансу змішування за постійної температури кипіння t_к розчину в апараті:

, (4.6)

де – питома теплоємність води за температури t_к, кДж/(кгград);

. (4.7)

Підставляючи значення і_поч, і_{к ,} і′ та G_к · с_к в рівняння (4.5), отримаємо вираз

,

з якого визначимо теплове навантаження Q випарного апарата (кількість тепла, що підводиться за одиницю часу з теплоносієм (гріючою парою)):

. (4.8)

Перша складова правої частини рівняння (4.7) виражає витрату тепла в апараті на нагрівання вихідного розчину до температури кипіння, друга – витрату тепла на випарювання вологи з матеріалу. Також тепло витрачається на концентрування розчину (якщо тепловий ефект концентрування від’ємний) і на компенсування втрат тепла в оточуюче середовище. Останню величину приймають у вигляді частки від теплового навантаження апарата: переважно . Зменшення теплових втрат в оточуюче середовище досягають тепловим ізолюванням апарата певної товщини.

З рівняння (4.7) визначимо витрату гріючої пари:

. (4.9)

Теплота концентрування, яка входить в рівняння (4.8) Q_конц, виражає тепловий ефект концентрування розчину. Вона дорівнює різниці інтегральних теплот розчинення вихідного (розбавленого) і концентрованого розчинів, взятої з протилежним знаком.

Оскільки під час концентрування розчину тепло може або поглинатися, або виділятися, то Q_конц може входити не лише в праву, але й у ліву частину теплового балансу. Теплота концентрування враховується в тепловому балансі випарного апарата, якщо її величина значна і знехтувати нею не можна.

З рівняння (4.8) можна, нехтуючи величинами Q_конц та Q_втр, визначити теоретичну витрату пари на випарювання 1 кг розчинника (води). Якщо прийняти, що вихідний розчин надходить в апарат попередньо нагрітим до температури кипіння, тобто t_поч = t_к, то

, (4.10)

де – теплота конденсації гріючої пари; – теплота випаро­вування води з киплячого розчину, яка може бути прийнята такою, що дорівнює .

Тобто наближено: в однокорпусному апараті на випарювання 1 кг води потрібно затратити 1 кг гріючої пари (без врахування втрат тепла в оточуюче середовище), з врахуванням втрат теплоти, питома витрата гріючої пари становить 1,1 – 1,2 кг/кг води.

Поверхня нагрівання безперервно працюючого випарного апарата визначається на основі рівняння теплопередачі:

,

де Q – теплове навантаження апарата; К – коефіцієнт теплопередачі; – рушійна сила процесу (корисна різниця температур).

Під час розрахунку коефіцієнта теплопередачі за рівнянням (1.114) приймають, що – коефіцієнт тепловіддачі від пари, яка конденсується до стінки, – коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячого розчину. Коефіцієнт тепловіддачі знижується з підвищенням концентрації (в’язкості розчину), а також зі зменшенням температури кипіння розчину.

Корисною різницею температур у випарному апараті називають різницю температури конденсації Т ⁰С гріючої пари та температури кипіння t_к ⁰С випарюваного розчину:

. (4.11)

В апаратах з циркуляцією розчину, що забезпечує його майже повне перемішування, є величиною сталою.

У випарних апаратах з природною циркуляцією концентрація маси циркуляційного розчину є близькою до кінцевої, тому розрахункову величину t_к приймають за кінцевою концентрацією розчину.