14.1.Однокорпусное (однократное) выпаривание

Процесс однократного выпаривания проводят в одном аппарате (см. рис. 14-1). Материальный баланс выпарного аппарата для непрерывного процесса записывают при допущении, что отсутству­ет унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими из кипящего раствора во вторичный пар. Для этих условий материаль­ный баланс по общему количеству продуктов представляют в сле­дующем виде:

(14.1)

по нелетучему продукту-

(14.2)

где , . расходы соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с; х_н и х_ж- концентрации соответственно растворенного продукта в исходном и упаренном растворе, кг продукта на 1 кг раствора; W- выход вторичного пара, кг/с.

Из уравнений (14.1) и (14.2) подлежат определению расходы

упаренного раствора и выход растворителя (вторичного пара):

(14.3) (14.4)

а также конечная концентрация упаренного раствора:

(14.5)

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравне­ния теплового баланса, записанного в следующем виде:

(14.6)

где D-расход греющего пара, кг/с; , -энтальпии соответственно греющего и вторичного паров, Дж'кг; , , энтальпии соответственно исходного и упаренного растворов и конденсата греющего пара, Дж/кг; - потери теплоты в окружающую среду, Дж/с.

Вводя упрощающие допущения, уравнение (14.6) приводят к ви­ду, более удобному для пользования. Запишем тепловой баланс смешения упаренного раствора и испаренной воды при температуре кипения , сделав допущение о постоянстве в интервале темпера­тур от до , в виде

(14.6а)

где с_н, , с_в теплоемкости соответственно исходного и упаренного растворов и растворителя, Дж/кг; теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от х_н до , Дж/с.

Теплота концентрирования численно равна теплоте растворения, но с обратным знаком.

Выразим энтальпии растворов и пара в уравнении (14.6) следую­щим образом: , где r-теплота парообразования при соответствующем давлении. Тогда с учетом (14.6а) уравнение

(14.6) можно представить в виде равенства

(14.7)

где - теплоемкость конденсата греющего пара; -температура конденсации.

Левая часть равенства (14.7) показывает количество теплоты, выделяющейся в выпарном аппарате при конденсации D, кг/с греющего пара. Правая часть показывает, на что эта теплота расходуется: первый член-расход теплоты на нагревание исходного раствора от начальной температуры до температуры кипения, второй-расход теплоты на испарение растворителя из раствора при температуре кипения, далее-расход теплоты на компенсацио теп­лоты концентрирования и потерь теплоты в окружающую среду.

При сравнительно небольшой степени концентрирования рас­твора и высоком качестве тепловой изоляции величинами Q_кон и Q_п можно пренебречь, учитывая значительное количество теплоты, выделяющейся при конденсации греющего пара. Если же предпо­ложить, что раствор поступает на выпаривание при температуре кипения в аппарате, т.е. t_н = t_К, то

(14.8)

или

(14.8а)

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водя­ной пар, а упаривают водный раствор, то приблизительно r« r_г. Это означает, что на испарение 1 кг растворителя затрачивается примерно 1 кг греющего пара, т.е. D/W 1. В действительности r > r_т, а если учесть потерю теплоты на компенсацию Q_кон и Q_п, реальное значение D/W 1,05 - 1,15.

Уравнение (14.7) в расчетной практике используют для определе­ния расхода греющего первичного пара D и расхода теплоты для проведения процесса Q. Последняя величина позволяет определить потребную поверхность теплопередачи в выпарном аппарате

. Коэффициент теплопередачи К находят по уравнению (11.72), определение полезной разности температур сводится к нахождению температуры кипения раствора t_к.