ПАХТ (все лекции)
.pdfЕсли Тб ~ Т м , то Т ср |
Т б |
Т м |
. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
В аппаратах с противотоком |
Т ср больше, чем в аппаратах с прямотоком. |
|
||||||||
Определение коэффициента теплопередачи K: |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
( ) |
1 |
|
(4.88) |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
К |
1 |
1 |
2 |
|
Значение К (приближенное) можно брать из справочников, или же определить (приближенно) по критериальным уравнениям типа Nu f (...) .
По известным Q, Т ср , K определяют предварительное значение Fср.
|
Поверочный расчет |
|
Расчет тепловой нагрузки |
||
теплообменника |
||
|
||
|
Расчет теплового баланса |
|
Проверочный |
расчет |
теплообменника |
|
|
|
||||
|
|
||||
Определение Тср |
|
проводят |
после |
выбора |
конструкции |
|
теплообменника |
(нормализованного). |
|||
|
|
||||
|
|
||||
|
|
Производят |
уточненный расчет i , K, Fрасч . |
||
Приближенная оценка αi , K , Fср |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Далее сопоставление Fрасч и Fнорм , если |
|||
Выбор нормального варианта |
|
Fнорм Fрасч расчет прекращают. |
Если Fнорм<Fрасч |
||
конструкции Fнорм. |
|
||||
|
необходимо брать ТО большей площадью и все |
||||
|
|
||||
|
|
повторить. |
|
|
|
Уточненный расчет αi , K , Fср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопоставление Fрасч. , Fнорм. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.3. Выпаривание
Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления летучего растворителя в виде паров. Выпаривание обычно проводится при кипении. Обычно из раствора удаляется только часть растворителя, так как вещество должно оставаться в текучем состоянии.
Существует три метода выпаривания:
-поверхностное выпаривание, которое осуществляется путем нагревания раствора на теплообменной поверхности за счет подвода тепла к раствору через стенку от греющего пара;
-адиабатическое выпаривание, которое происходит путем мгновенного испарения раствора в камере, где давление ниже, чем давление насыщенного пара;
-выпаривание путем контактного испарения, при котором нагревание раствора осуществляется при прямом контакте между движущимся раствором и горячим теплоносителем (газом или жидкостью).
В промышленной технологии, в основном применяется, первый метод выпаривания. Далее о первом методе. Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. Разность температур между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур.
В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах применяется насыщенный водяной пар (греющий или первичный). Выпаривание – типичный теплообменный процесс – перенос теплоты за счет конденсации насыщенного водяного пара к кипящему раствору.
В отличии от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис.4.32):
-греющей камеры или кипятильника,
-сепаратора.
Сепаратор предназначен для улавливания капель раствора из пара, который образуется при кипении. Этот пар называется вторичным или соковым. Температура вторичного пара всегда меньше температуры кипения раствора.
Для поддержания постоянного вакуума в конденсаторе необходимо отсасывать парогазовую смесь вакуум-насосом.
В зависимости от давления вторичного пара различают выпаривание при ратм, ризб, рвак. Выпаривание при рвак - снижается температура кипения раствора, при pизб-вторичный пар используется в технологических целях. Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Например, для насыщенного водного раствора NaCl (26%) Т кип 1100 С , для воды Т кип 1000 С .
Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд,
называется экстра паром.
1
исходный
раствор
2
конденсат
неконденсирующие газы
пар |
вода |
4
Вакуумный
насос
|
|
|
греющий |
5 |
|
|
пар |
|
|
|
3
упаренный
раствор
Рис.4.32. Однокамерная выпарная установка. 1-сепаратор, 2-греющая камера,
3-циркуляционная труба, 4-конденсатор, 5-барометрическая труба.
|
|
вторичный |
|
|
пар |
исх.раствор |
|
|
греющий |
п.пар |
|
|
|
|
пар |
|
|
к |
|
к |
исходный |
|
|
раствор |
|
|
вода
вт. пар |
|
к |
к |
|
|
|
Упаренный |
|
раствор |
к вакуумнасосу
Рис.4.33 Многокорпусная выпарная установка прямоточного типа.
4.3.1.Классификация и конструкция выпарных установок
Вслучае, если в выпарной установке имеется лишь один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной (рис.4.32).
Если же в выпарной установке имеется 2 или более выпарных аппаратов, то такую установку называют многокорпусной (многократной, многоступенчатой). В этом случае, вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что экономно. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса, образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и.т.д.
Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и до высоких концентраций раствора. Выпарные установки, в основном, работают в непрерывном режиме.
Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточ ными и комбинированными.
Прямоточные выпарные установки распространены наиболее широко
(рис.4.33).
Их преимущество - для подачи раствора на следующий корпус не требуется насоса, поскольку перетекание раствора из корпуса в корпус, благодаря разности давлений, идет самотеком. Температура кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор
|
кг |
|
|
|
кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
растворов, |
|
; W выход вторичного пара, |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
||
с |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Материальный баланс по нелетучему продукту: |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
х |
L х |
(4.90) |
||||||||
где x , концентрация растворенного продукта в исходном и упаренном |
|||||||||||||
растворе, кг на 1кг продукта. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В этих уравнениях искомые величины: L ,W , x . |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
L L |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
x |
|
|
|
|
|
(4.91) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
W |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
L 1 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
||||
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
x |
|
L |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
L |
W |
|
|
|
|
|
|
||
По двум исходным уравнениям три величины найти невозможно, |
поэтому |
одной из величин, например, x задаемся.
Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса (рис.4.37):
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D H L H L H |
W H D H Q |
|
|
(4.92) |
||||||
|
|
|
|
кг |
|
|
Дж |
|
|
|
|
Здесь |
D расход |
греющего |
пара, |
; |
H энтальпия, |
; |
Q |
|
потери |
||
|
|
П |
|||||||||
|
|
|
|
с |
|
|
кг |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
теплоты в окружающую среду, Дж .
с
Индексы н – начальное, к – конечное, вп – вторичный пар, п – потери, г -
греющий пар, гк – конденсат греющего пара.
•
W, HВП втор.пар
•
• QП
исх.р-р LH , xH , HH
•
гр.пар D , HГ
•
D , HГК конденсат
• |
|
LK ,HK , xK |
упар.р-р |
Рис.4.37. Схема массовых и тепловых потоков ВА
Здесь искомая величина FП , К коэффициент теплопередачи определяется по известным формулам. Возникает проблема расчета полезной разности температур Т П .
4.3.3. Температурные потери
Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления греющего и вторичного паров, то есть их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарных аппаратов:
Т ОБЩ Т Г Т ВП |
(4.96) |
Общая разность температур Т ОБЩ связана с полезной разностью температурТ П соотношением:
Т П |
ТОБЩ |
|
|
|
|
|
|
|
(4.97) |
|
|
|
|
|
Здесь концентрационная температурная депрессия,
гидростатическая температурная депрессия.
определяют как разницу температур кипения раствора Ткип.р и чистого
растворителя Ткип.чр при p const :
Ткип.р – Ткип.чр , Ткип.чр=Твп , = Ткип.р- Твп. |
(4.98) |
Таким образом, температура образующегося при кипении раствора вторичных паров ниже, чем температура кипения самого раствора, то есть часть температур теряется бесполезно.
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 .
|
|
|
|
pср |
ра |
пж |
gH |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь |
ра давление в |
|
аппарате, пж плотность |
парожидкостной смеси в |
|||||||
кипятильных трубах ( пж |
|
|
), Н высота кипятильных труб. |
|
|||||||
2 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Тср |
Твп |
|
|
(4.99) |
||
где Т ср |
температура |
кипения |
растворителя при |
р рср , |
Т вп температура |
||||||
вторичного пара при давлении ра . |
|
|
|
|
|
|
|