3.2. Однокорпусное (однократное) выпаривание

Процесс однократного выпаривания проводят в одном аппарате в непрерывном режиме (рис. 3.1). Схема массовых и тепловых потоков приведена на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема массовых и тепловых потоков ВА

Материальный баланс по общему количеству продуктов

. (89)

Здесь  расход исходного и упаренного растворов, ;  выход вторичного пара, .

Материальный баланс по нелетучему продукту

, (90)

где x_н,к  концентрация растворенного продукта в исходном и упаренном растворе на 1 кг продукта.

В этих уравнениях искомые величины: вычисляются по формулам

; (91)

.

По двум исходным уравнениям три величины найти невозможно, поэтому одной из величин, например, задаемся.

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса

. (92)

Здесь  расход греющего пара, ;  энтальпия, ;  потери теплоты в окружающую среду, . Индексы н – начальное, к – конечное, вп – вторичный пар, п – потери, г  греющий пар, гк – конденсат греющего пара.

Вводя упрощающие допущения в уравнение (92), приведем его к виду более удобному для пользования. Запишем тепловой баланс смешения, рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренной влаги при постоянной температуре кипения, сделав допущение о постоянстве с_н в интервале температур Т_н и Т_к

, (93)

где с_в – удельная теплоемкость воды при температуре Т_к; – теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от х_н до х_к. Теплота концентрирования равна теплоте разбавления с обратным знаком, тогда получим

. (94)

Здесь – количество теплоты, выделяющееся в выпарном аппарате при конденсации; .  теплота на нагревание исходного сырья от до ;  теплота на испарение растворителя при . При небольшой степени концентрирования и хорошей изоляции выражение мало и им можно пренебречь. Если предположить, что T_н = T_к, т.е. раствор поступает в аппарат при температуре кипения, то

,

отсюда

, (95)

где r_п  теплота парообразования растворителя; r_к  теплота конденсации греющего пара.

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водяной пар, а упаривают водный раствор, то . Это означает, что на испарение 1 кг растворителя затрачивается 1 кг греющего пара. Реально, , т.е. пара необходимо больше в 1,051,15 раз. Уравнение (94) используется для определения тепловой нагрузки. Потребная площадь теплопередачи определяется по основной расчетной формуле

.

Здесь искомая величина , а K  коэффициент теплопередачи определяется по известным формулам. Возникает проблема расчета полезной разности температур .

3.3. Температурные потери

Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления греющего и вторичного паров, т.е. их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарных аппаратов

. (96)

Общая разность температур связана с полезной разностью температур соотношением

. (97)

Здесь   концентрационная температурная депрессия;   гидростатическая температурная депрессия;  определяют как разницу температур кипения раствора Т_{кип. р} и чистого растворителя Т_{кип. чр} при p = = const

 = Т_{кип. р} – Т_{кип. чр}, Т_{кип. чр},  = Т_{кип. р}  T_вп. (98)

Температура образующегося при кипении раствора вторичных паров ниже, чем температура кипения самого раствора, т.е. 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.

Здесь p_a  давление в аппарате; _пж  плотность парожидкостной смеси в кипятильных трубах ; H  высота кипятильных труб.

 = T_ср  T_вп, (99)

где T_ср  температура кипения растворителя при p = p_ср; T_вп  температура вторичного пара при давлении p_а.