Лекция №1 Выпаривание

9

Лекция №1. Выпаривание (14.01.15; 16.01.15)

Конспект лекций по курсу «ПАХТ – 2». МИТХТ им М.В. Ломоносова. Лектор курса В.М. Мясоеденков. Кафедра ПАХТ.

Лекция №1. Выпаривание.

Процесс выпаривания относится к числу широко распространенных. Последнее объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

Содержание лекции.

Определение. Суть процесса на примере выпарного аппарата с соосной греющей камерой. Обозначения. Температура кипения раствора, вторичного пара. Температурная депрессия. Правило Бабо. Поправка по таблице Стабникова. Расчет выпарного аппарата непрерывного действия. Выбор рабочего давления в выпарном аппарате. Выпаривание под вакуумом. Схема выпарной установки, снабженная барометрическим конденсатором смешения. Принцип действия барометрического конденсатора смешения. Температурная депрессия, вызванная гидравлическими потерями.

Определение. Суть процесса на примере выпарного аппарата с соосной греющей камерой. Обозначения. Модельные представления процесса выпаривания.

Выпаривание - процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде его паров. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата

W,i,θ

2

S,a,c,t

3

D_гр,h,T,

1

S₀,a_o,c_o,t_o

D_гр,i_к

Рис. 1.1 Схема выпарного аппарата с соосной греющей камерой: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба.

В межтрубное пространство греющей камеры аппарата поступает греющий пар, давление которого выше давления вторичного пара. В трубное пространство греющей камеры поступает раствор, температура которого равна температуре кипящего выпаренного раствора (в трубном пространстве раствор перемещается в режиме идеального смешения). В кипятильных трубах греющей камеры происходит выпаривание раствора от его начальной концентрации до конечной. Парожидкостная смесь из трубного пространства поступает в сепаратор, где происходит отделение раствора от вторичного пара. Раствор частично отводится из аппарата в виде выпаренного раствора, как готовый продукт, частично возвращается по циркуляционной трубе в трубное пространство греющей камеры (плотность раствора в циркуляционной трубе выше плотности парожидкостной смеси в кипятильных трубах, поэтому направление движения субстанции по контуру «циркуляционная труба – пучок кипятильных труб» соответствует стрелке на рисунке). Свежий раствор поступает в аппарат через штуцер циркуляционной трубы. Вторичный пар после отделения от капель раствора удаляется из аппарата через верхний штуцер сепаратора.

Греющий пар конденсируется на внешней поверхности кипятильных труб, так как его температура выше температуры кипящего раствора. Теплота конденсации греющего пара обеспечивает тепловой поток, направленный на выпаривание раствора в трубном пространстве. Движущей силой процесса выпаривания является разность температур между температурой греющего пара и температурой кипения раствора.

Конденсат греющего пара отводится из нижней части межтрубного пространства греющей камеры через соответствующий штуцер. На пути движения конденсата устанавливают конденсатоотводчик, с помощью которого предотвращают потери греющего пара.

Греющая камера в верхней части ее снабжена «воздушкой», необходимой для удаления из межтрубного пространства «избыточного» воздуха (на рисунке не показана).. Продувка межтрубного пространства производится время от времени и является обязательной процедурой для снижения термического сопротивления тепловому потоку со стороны греющего пара.

Обозначения.

S₀, S – расход, соответственно, исходного раствора и выпаренного раствора, кг/с;

t₀, t – температура исходного и выпаренного растворов, град.;

c_o, c – теплоемкость растворов, кДж/кг.град;

а_o, а – концентрация растворенного вещества, соответственно, в исходном и выпаренном растворах, кг В/кг раств (абсолютная массовая доля);

W, i – соответственно, расход и энтальпия вторичного пара, кг/с, кДж/кг;

D_гр – расход греющего пара (конденсата греющего пара), кг/с;

h, i_К – энтальпия, соответственно, греющего пара и конденсата греющего пара;

T – температура греющего пара, К;

d – удельный расход греющего пара, равный отношению D/W, кг гр пара/кг втор пара.

В соответствие с модельными представлениями процесса выпаривания в выпарном аппарате принимают: 1) температура вторичного пара равна температуре кипения растворителя при давлении над кипящим раствором, равным р; 2) структура потока раствора (парожидкостной смеси) в трубном пространстве греющей камеры соответствует модели идеального перемешивания, которая предполагает постоянство состава и температуры раствора во всех точках этого пространства. 3) в ходе выпаривания в паровую фазу переходит только растворитель, растворенное вещество полностью остается в растворе.

Температура кипения раствора, вторичного пара. Температурная депрессия. Правило Бабо. Поправка по таблице Стабникова.

Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя на величину температурной депрессии, , которая обусловлена свойствами компонентов, составляющих систему (раствор). На рис. 2.1 представлена зависимость температуры кипения раствора от концентрации растворенного вещества для давления в 760 мм рт. ст. над кипящим раствором. Разность между этой температурой и температурой кипения воды (100⁰С) образует так называемую стандартную депрессию, т.е. депрессию справедливую только для нормального давления над кипящим раствором.

Для определения температурной депрессии при давлениях отличающихся от нормального используют различные способы расчета. Правило Бабо – один из таких способов. Согласно правилу Бабо отношение давлений над раствором и растворителем при одинаковой температуре кипения обоих тел есть величина постоянная для данной концентрации раствора

; или . (1.1)

Рис. 2.1 Зависимость температуры кипения раствора некоторого вещества в воде при нормальном давлении над кипящим раствором.

Левая часть последнего равенства справедлива для давления над раствором равному нормальному, а правая часть этого равенства – для рабочего давления над раствором, т.е. давления реально существующего в сепараторе выпарного аппарата.

Выше было отмечено, что температура вторичного пара, , принимается равной температуре кипения чистого растворителя для данного давления. Следовательно, связь между температурами кипящего раствора и вторичного пара может быть выражена формулой

. (2.1)

Если пренебречь теплотой растворения, тогда теплоемкость раствора может быть рассчитана по правилу аддитивности

, (3.1)

где с_а и с_р теплоемкости растворенного вещества и растворителя.

Расчет выпарного аппарата непрерывного действия.

(Определение величины потока вторичного пара, потока выпаренного раствора, потока тепла через поверхность греющей камеры, потока греющего пара, потребной поверхности теплообмена аппарата при известных значениях: расхода исходного раствора, температуры исходного раствора, концентрации исходного раствора, концентрации выпаренного раствора, теплоемкости исходного раствора, давления греющего пара, давление вторичного пара).

Изображаем упрощенную схему выпарного аппарата с указанием материальных и тепловых потоков (рис. 3.1)

Рис. 3.1 Упрощенная схема выпарного аппарата.

Выделяем на упрощенной схеме два контура. Составляем уравнения материального баланса для 1-го контура: по смеси

, (4.1)

по растворенному веществу

. (5.1)

Решая совместно эти уравнения, получим

, (6.1)

. (7.1)

Составляем уравнение теплового баланса для 1-го контура, пренебрегая потерями тепла в окружающую среду

,

откуда

. (8.1)

Для упрощения полученного выражения воспользуемся правилом аддитивности в следующем виде

,

откуда

.

Подставляя полученное выражение в уравнение (8.1), получим

. (9.1)

Прочтем полученное выражение: потребный тепловой поток складывается из двух составляющих. Первая составляющая это тепловой поток, необходимый для нагревания исходного раствора от начальной температуры до температуры кипения выпаренного раствора. Вторая составляющая это тепловой поток, необходимый для обращения части растворителя во вторичный пар.

Составляем уравнение теплового баланса для второго контура, пренебрегая потерями тепла в окружающую среду

,

откуда

. (10.1)

Для определения потребной поверхности теплообмена воспользуемся основным уравнением теплопередачи в виде

, (11.1)

Рис. 4.1 Диаграмма распределения температур греющего пара и кипящего раствора вдоль поверхности теплообмена выпарного аппарата.

где К – коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору, а - полезная разность температур между теплоносителями выпарного аппарата (см. рис. 4.1)

Для справки:

Выбор рабочего давления в выпарном аппарате.

Выбор рабочего давления определяется двумя факторами. Первым фактором является стойкость растворенного вещества к воздействию высоких температур. Т.е., если вещество является термолабильным (лабильный – неустойчивый), тогда давление в аппарате будет определяться допустимой температурой кипения раствора, вплоть до создания в аппарате вакуума.

Вторым фактором является экономическая целесообразность. Т.е., если вещество является устойчивым к воздействию температур (термостабильным), тогда высокое давление в аппарате позволит получить вторичный пар высоких параметров, который может быть использован в других установках.

В то же время, вне зависимости от уровня стойкости растворенного вещества к воздействию высоких температур, всегда целесообразно проведение процесса выпаривания под вакуумом, если есть возможность в использовании греющего пара низких параметров, стоимость которого значительно ниже стоимости греющего пара высоких параметров.

Выпаривание под вакуумом. Схема выпарной установки, снабженная барометрическим конденсатором смешения. Принцип действия барометрического конденсатора смешения. Температурная депрессия, вызванная гидравлическими потерями.

Для получения вакуума в выпарных аппаратах вторичный пар необходимо конденсировать. Для этого вторичный пар направляют либо в поверхностный конденсатор, либо в конденсатор смешения

Поверхностные конденсаторы целесообразно применять в случае, когда в паре содержатся агрессивные вещества, загрязняющие промышленные стоки, или, если в качестве охлаждающего теплоносителя используют, например, исходный раствор. В остальных случаях наиболее целесообразно применение конденсаторов смешения, которые более просты по конструкции, имеют меньшие размеры и менее металлоемки, отличаются простотой ремонта и эксплуатации.

В конденсаторах смешения меньше расход охлаждающей воды, так как они обеспечивают возможность получения более высоких температур смеси (конденсат, охлаждающая вода). Последнее объясняется тем, что разность между температурой конденсации вторичного пара и конечной температурой выходящей смеси в конденсаторах смешения составляет 2 – 3 градуса, а в поверхностных конденсаторах 7 – 10 градусов. Однако конденсаторы смешения требуют более высокого расхода электроэнергии на удаление инертных газов, так как помимо газа, содержащегося в паре, в растворе и попадающем через неплотности воздуха, дополнительно выделяется воздух из охлаждающей воды (в 1 литре воды при температуре 20⁰С содержится 25 мг воздуха).

Рис. 5.1 Схема однокорпусной выпарной установки, снабженной барометрическим конденсатором смешения.

Для выпарных установок, предназначенных для выпаривания солесодержащие растворы, наиболее широко применяют конденсаторы смешения. Принцип действия любого конденсатора базируется на существенной разности плотностей пара и конденсата.

Вторичный пар из сепаратора выпарного аппарата направляется под нижнюю полку конденсатора. На верхнюю полку конденсатора поступает охлаждающая вода. Каждая из полок выполнена из стального перфорированного листа с переливными бортиками. С верхней полки вода переливается через бортик и через отверстия полки, попадая на нижележащие полки. Таким образом, создается плотная водяная завеса, препятствующая проскоку пара. Образующаяся смесь конденсата пара и воды отводится из конденсатора по барометрической трубе последовательно сначала в барометрический ящик и далее в линию оборотной воды.

Для отбора парогазовой смеси из верхней части конденсатора используется водокольцевой вакуум-насос.

Расчетными параметрами барометрического конденсатора являются: расход охлаждающей воды, G_в; производительность вакуумного насоса, V_пг; высота барометрической трубы, Н_тр, и ее диаметр,d_тр.

Для определения расхода охлаждающей воды составим уравнение теплового баланса для 1-го контура, пренебрегая потоком тепла с парогазовой смесью (см. рис. 5.1).

, (12.1)

где - температура охлаждающей воды на входе в барометрический конденсатор смешения, - температура смеси конденсата вторичного пара с охлаждающей водой, - энтальпия вторичного пара на входе в конденсатор, которая зависит от гидравлических потерь потока вторичного пара на участке «выпарной аппарат – конденсатор», т.е. является функцией температуры вторичного пара на входе в конденсатор, .

Рекомендуется использовать оборотную воду в качестве источника охлаждающей воды. Температура оборотной воды на входе в конденсатор для летних условий может быть принята равной 20⁰С (вообще говоря, зависит от географического расположения установки).

Температура смеси охлаждающей воды и конденсата вторичного пара принимается равной температуре вторичного пара на входе в конденсатор за вычетом 2х, 3х градусов

, (13.1)

(максимальная температура воды ограничена; одна из причин ограничения – интенсивное отложение солей из воды в конденсаторе и в барометрической трубе при температурах превышающих 50⁰С),

где , (14.1)

при этом, - температурная депрессия, вызванная гидравлическими потерями потока вторичного пара при его движении от сепаратора выпарного аппарата к конденсатору.

Согласно уравнению (12.1) расход охлаждающей воды будет равен

. (15.1)

Диаметр барометрической трубы определяется по уравнению расхода для потока смеси в барометрической трубе

, (16.1)

где -скорость движения смеси в барометрической трубе, принимаемая равной м/с; ρ_в – плотность смеси охлаждающей воды и конденсата вторичного пара.

Высота барометрической трубы определяется с помощью уравнения Бернулли, записанного для сечений «1-1» и «2-2» (см. рис. 5.1)

, (17.1)

где p₀ – атмосферное давление; p_к – остаточное давление в конденсаторе, определяемое по температуре вторичного пара на входе в конденсатор.

Объемный поток парогазовой смеси, откачиваемой из конденсатора, может быть рассчитан с помощью уравнения Менделеева – Клайперона, записанного для одного из компонентов смеси, а именно – для газа (воздуха)

, (18.1)

где G_г - массовый поток воздуха, определяемый по уравнению

. (19.1)

R_г – газовая постоянная воздуха, равная .

T_пг – температура парогазовой смеси, равная t_пг + 273,

где . (20.1)

p_г – парциальное давление газа (воздуха), равное

, (21.1)

где p_п – парциальное давление пара, определяемое по температуре парогазовой смеси.