2018-02-14
1572
Рис. 2.1. Схема однокорпусного випарного апарата
1 – гріюча камера;
2 – сепаратор;
3 – кип’ятильні труби;
4 – циркуляційна труба.
Розглянемо принципову схему одиночного (однокорпусного) беззупинно діючого апарата з природною циркуляцією розчину на прикладі апарата з внутрішньою центральною циркуляційною трубою (рис.2.1).
Апарат складається з теплообмінного пристрою - нагрівальної (гріючої) камери 1 і сепаратора 2. Камера обігрівається звичайно водяною парою, що надходить в її міжтрубний простір. Конденсат відводять знизу камери.
Піднімаючись по трубах 3, розчин що випарюється нагрівається і кипить з утворенням вторинної пари. Відділення пари від рідини проходить в сепараторі 2. Звільнена від бризів і крапель вторинна пара видаляється з верхньої частини сепаратора. Частина рідини опускається по циркуляційній трубі 4 під нижні трубні ґрати нагріваючої камери. У наслідок різниці густини розчину в трубі 4 і парорідинної емульсії в трубах 3 рідина циркулює по замкнутому контуру. Упарений розчин видаляється через штуцер у днище апарата.
|
|
|
Матеріальний баланс
Відповідно до малюнка, на випарювання надходить Gн (кг/сек) вихідного розчину концентрацією вн (вагові. %) і відділяється Gк (кг/сек) упареного розчину концентрацією вк (вагов. %). Якщо в апараті випарюється W (кг/сек) розчинника (води), то загальний матеріальний баланс виражається рівнянням
Gн = Gк + W (3)
Матеріальний баланс по абсолютно сухій речовині, що знаходиться в розчині:
(4)
У рівняння (3) і (4) входять 5 змінних, з яких три величини повинні бути задані. Найбільш часто бувають задані: витрата вихідної речовини Gн, його концентрація вн і необхідна кінцева концентрація вк упареного розчину. Тоді, виходячи з рівнянь (3) і (4) визначають продуктивність апарата по упареному розчині:
(5)
По воді, що випарюється:
(6)
2.2.2. Тепловий баланс
Приймемо наступні позначення:
D - витрата гріючої пари;
I, Iг, iн, iк - ентальпія вторинної і гріючої пари, вихідного й упареного розчинів відповідно;
Iп.к.= с'q - ентальпія парового конденсату, де с' - питома теплоємність, q - температура конденсату.
Для складання теплового балансу визначимо прихід і витрати тепла
Прихід тепла
з вихідною парою Gнiн
з гріючою парою D × Іг
|
|
|
Витрата тепла
з упареним розчином Gкiк
з вторинною парою WI
з паровим конденсатом Dc'q
Теплота концентрування Qконц
Втрати тепла в навколишнє середовище Qп
Відповідно рівняння теплового балансу буде мати вигляд:
Gн × iн + D × Iг = Gк × Iк + W × I + Dc'q + Qконц + Qп (7)
У рівнянні: энтальпія вихідного розчину
, (8)
де сн і tн - його питома теплоємність і температура;
энтальпія упареного розчину
, (9)
де ск і tк - його питома теплоємність і температура, рівна температурі кипіння розчину в апараті.
Розглядаючи вихідний розчин як суміш упареного розчину і випаруваної вологи, можна записати наступне рівняння теплового балансу змішання при постійній температурі кипіння tк розчину в апараті:
, (10)
де с' - питома теплоємність води при температурі tк.
Звідси
. (11)
Підставляючи значення iн, iк, Gкcк у рівняння (7), одержимо
(12)
(13)
З цього рівняння визначимо кількість тепла, яке підводиться в одиницю часу з теплоносіями (гріючою парою) чи теплове навантаження Q випарного апарата.
Отже, перший член правої частини рівняння (13), виражає витрату тепла в апараті на нагрівання вихідного розчину до температури кипіння, другий член правої частини - витрату тепла на випар вологи з матеріалу. Крім того, тепло витрачається на концентрування розчину (якщо тепловий ефект концентрування негативний), і на компенсацію втрат тепла в навколишнє середовище.
З рівняння (2.7) може бути визначена витрата гріючої пари:
, (14)
де Iг - с'q = r (величина r - теплота конденсації гріючої пари).
Вхідна в рівняння (14), теплота концентрування Qконц виражає тепловий ефект концентрування розчину. Вона дорівнює різниці інтегрованих теплот розчинення вихідного (розведеного) і концентрованого розчинів, узятої зі зворотним знаком.
Оскільки при концентруванні розчину тепло може поглинатися, то Qконц може входити не тільки у витратну, але й у прибуткову частину теплового балансу. Теплота концентрування враховується в тепловому балансі випарного апарата, якщо її величина значна, і нею зневажати не можна.
Величину Qп звичайно приймають у виді частки від теплового навантаження Q апарата; звичайно задаються Qп=(0.03..0.05) Q. Цю величину втрат тепла в навколишнє середовище забезпечують, розраховуючи необхідну товщину теплової ізоляції апарата.
З рівняння (14) можна, зневажаючи Qконц і Qп, визначити теоретичну витрату пари на випарювання 1 кг розчинника (води). Якщо прийняти, що вихідний розчин надходить в апарат попередньо нагрітим до температури кипіння, тобто tн= tк
, (15)
Це означає, що кількість (у кг) гріючої пари, що витрачається дорівнює кількості (у кг) води, що випарюється, чи приблизно: в однокорпусному апараті на випарювання 1 кг води треба затратити 1 кг гріючої пари.
Практично, з урахуванням втрат тепла, питома витрата гріючої пари, підвищується і складає 1.1..1.2 кг/кг води.
Поверхня нагрівання
Поверхня нагрівання беззупинно діючого випарного апарата визначається на підставі рівняння теплопередачі
, (16)
де Q - теплове навантаження апарата;
k - коефіцієнт теплопередачі;
Dtпол - рушійна сила процесу (корисна різниця температур).
У даному випадку величина a1 (що входить у рівняння для визначення k) - коефіцієнт тепловіддачі від пари, що конденсується, до стінки, a2 - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячого розчину. Коефіцієнт теплопередачі знижується з підвищенням концентрації і відповідно в'язкості розчину, а також зі зниженням температури кипіння розчину.
|
|
|
Корисна різниця температур у випарному апараті Dtпол являє собою різницю температури конденсації Т°С гріючої пари і температури кипіння tк°С розчину, що випарюється
, (17)
В апаратах з циркуляцією розчину, що забезпечують його досить повне перемішування, Dtпол є величиною постійної.
У випарних апаратах із природною циркуляцією концентрація маси розчину, що обертається в апараті, близька до кінцевого, тому розрахункову величину tк приймають по кінцевій концентрації розчину.
