Схема розрахунку багатокорпусної випарної установки

1. Обчисливши загальну кількість води W, що випарюється в установці, розподіляють її по корпусах. При попередньому розрахунку W може бути розподілена нарівно між корпусами. Якщо число корпусів n, то в кожнім корпусі випарюється W/n кг води за одиницю часу.

2. З матеріального балансу по абсолютно сухій речовині знаходять кінцеві концентрації розчину в корпусах.

3. Загальний перепад тисків Dр в установці, рівний різниці між тиском р₁ первинної пари, гріючої перший корпус, і тиском пари р_к у конденсаторі, розподіляють попередньо нарівно між корпусами; тоді при n корпусах на кожен корпус приходиться перепад тисків Dр_кор=Dр/n.

4. По заданому тиску вторинної пари в конденсаторі і прийнятих перепадах його тиску в корпусах знаходять тиск вторинної пари р_вт у корпусах установки.

Підставляючи значення D₁ у вираз для W_n, знаходимо кількість води, що випарюється в останньому корпусі установки:

(56)

Звичайно екстра-пара з останнього корпуса не відбирається.

Наближеність розглянутого розрахунку обумовлена тим, що він не враховує тепло самовипару розчину, що звичайно є значним в останньому корпусі вакуум-випарної установки.

Уточнений розрахунок

Більш точний метод розрахунку багатокорпусних випарних установок - це метод І.А.Тищенко.

Якщо не враховувати теплоту концентрування і втрати тепла в навколишнє середовище, то рівняння теплового балансу можна записати для будь-якого n -го корпуса:

(57)

де D_n, I_гп - витрата і ентальпія пари, гріючої n -й корпус установки;

С_n, Q_n - питома теплоємність і температура парового конденсату, що видаляється з n -го корпуса.

Вирішуючи це рівняння відносно W_n, одержимо вираз для кількості води, що випарюється в n -му корпусі:

(58)

де – коефіцієнт випару (59)

– коефіцієнт самовипару (60)

a_n – показує, яка кількість вторинної пари може утворюватися в корпусі випарного апарату при використанні тепла 1 кг гріючої пари.

Коефіцієнт самовипару b_n дорівнює кількості вторинної пари, що може утворитися в корпусі випарного апарата за рахунок теплоти самовипару 1 кг розчину, що надходить на випарювання в цей корпус.

І так: у n -ому корпусі випаровується в одиницю часу W_n кг води, тобто утворюється W_n кг вторинної пори. Ця пара в загальному випадку поділяється на дві частини: одна частина D_n+1 направляється гріючою у наступний (n+1)-ий корпус, а інша частина Е_n видаляється на сторону як екстра-пара. У такий спосіб:

(61)

чи

(62)

З огляду на вирази, отримані раніше, запишемо:

(63)

Для визначення витрати пари, гріючої перший корпус випарної установки, виразимо кількості води, що випарюється по корпусах:

(64)

(65)

(66)

Значення витрати гріючої пари по корпусах, починаючи з другого, складають:

(67)

(68)

(69)

Число корпусів	2	3	4
Коефіцієнт при екстра- парі
	1
	-	1
	-	-	1
В І корпусі
В ІІ корпусі
…
В n-корпусі

Сума кількостей води, що випарюється по корпусах:

(70)

Вирішуючи спільно останні рівняння і припускаючи (без великої погрішності), що коефіцієнт випару a у всіх корпусах дорівнює одиниці, а добуток двох чи більшого числа коефіцієнтів самовипару дорівнюють нулю, розрахункова формула спрощується до вигляду:

, (71)

де , (72)

, (73)

де a – коефіцієнт випари, b – коефіцієнт самовипари;

k₁, k₂,…,k_n-1 -коефіцієнти при екстра-парі, значення яких залежать від числа корпусів випарної установки.

Далі по таблиці насичення водяної пари визначаємо температури вторинної пари в корпусах.

5. Знаходять величини температурних утрат по корпусах - від температурної депресії, гідростатичної депресії і гідравлічних втрат у трубопроводах вторинної пари між корпусами.

6. Обчислюють загальну різницю температур установки - різниця між температурою пари Т₁, гріючої перший корпус, і температурою конденсації вторинної пари в конденсаторі Т_конц.

7. Визначають загальну корисну різницю температур S∆t_пол випарної установки і розподіляють її по корпусах. У попередньому розрахунку приймають теплові навантаження Q₁, Q₂, …, Q_n рівними для всіх корпусів і задаються орієнтовно коефіцієнтами теплопередачі по корпусах k₁, k₂, …, k_n...

Загальну корисну різницю S∆t_пол звичайно розподіляють виходячи з рівності поверхонь нагрівання корпусів.

8. Після розподілу S∆t_пол по корпусах знаходять температури гріючої пари, вторинної пари і температури кипіння розчину в корпусах.

Корпус	Температура граючої пари, Т	Температура кипіння розчину, t	Температура вторинної пари, T
I
II
n - корпус
конденсатор

Dt_пол – полезная разность t.

Розрахункова температура конденсації вторинної пари в конденсаторі Т_конц повинна збігатися із заданою.

Таблиця приведена для багатокорпусної вакуум-установки з паралельним рухом пари і розчину.

Далі по таблиці за температурами пара знаходять ентальпію пари.

9. Визначивши з довідкової літератури по концентрації розчинів їх питомі теплоємності і теплоти концентрування і задавшись втратами тепла в навколишнє середовище, складаємо рівняння теплового балансу по корпусах.

Знаходимо кількості води, що випарюється, W₁, W₂…,W_n і витрату D₁ пари, гріючої перший корпус.

10. По відомих витратах гріючої пари по корпусах визначають теплові навантаження Q₁, …, Q_n корпусів і розраховують коефіцієнти теплопередачі k₁, …k_n у корпусах.

11. По загальному рівнянню теплопередачі знаходять поверхні нагрівання F₁ … F_n корпусів.

12. Якщо величини, отримані розрахунком, не збігаються з попередньо прийнятими, у результаті чого поверхні нагрівання корпусів не рівні один одному, то роблять перерахунок, задаючись новим співвідношенням кількостей води, що випарюється по корпусах (помилка 3-5%).

Остаточні значення поверхні нагрівання корпусів округляють до нормалізованих значень

3.Сушіння

3.1. Загальні відомості

Видалення вологи з твердих і пастоподібних матеріалів дозволяє зменшити вартість їх транспортування, додати їм необхідні властивості, а також зменшити корозію апаратури і трубопроводів при збереженні чи наступній обробці цих матеріалів.

Теплове сушіння - випар вологи і відвід пари, що утвориться.

У хімічних виробництвах, як правило, застосовується штучне сушіння матеріалів у спеціальних сушильних установках, тому що природне сушіння на відкритому повітрі процес занадто тривалий.

По своїй фізичній сутності сушіння є складним дифузійним процесом, швидкість якого обумовлена швидкістю дифузії вологи з глибини матеріалу, що висушується, у навколишнє середовище. Процес сушіння є сполученням зв'язаних процесів тепло- і масообміну, тому що видалення вологи при сушінні зводиться до переміщення тепла і речовини (вологи) усередині матеріалу і їхнього переносу з поверхні матеріалу в навколишнє середовище.

По способу підведення тепла до матеріалу, що висушується, розрізняють наступні види сушіння:

1) конвективне сушіння - шляхом безпосереднього зіткнення матеріалу, що висушується, із сушильним агентом, яким звичайно використовують нагріте повітря чи топічні гази;

2) контактне сушіння - шляхом передачі тепла від теплоносія до матеріалу через поділяючу їх стінку;

3) радіаційне сушіння - шляхом передачі тепла інфрачервоними променями;

4) діелектричне сушіння - шляхом нагрівання в полі струмів високої частоти;

5) сублімаційне сушіння - сушіння в замороженому стані при глибокому вакуумі.

По способу передачі тепла цей вид сушіння аналогічний контактному, але своєрідність процесу змушує сублімаційне сушіння виділяти в особливу групу.

Останні 3 види сушіння застосовуються відносно рідко і звичайно називаються спеціальними видами.

3.2. Основні параметри вологого повітря

При конвективному сушінні сушильний агент передає матеріалу тепло і несе вологу, що випаровується з матеріалу за рахунок цього тепла, тобто сушильний агент відіграє роль тепло - і вологоносія. При інших методах сушіння вологий газ, що знаходиться в контакті з матеріалом (звичайно повітря), використовується лише для видалення вологи, що випарувалася, тобто виконує роль вологоносія.

Вологе повітря характеризується наступними основними параметрами: абсолютною і відносною вологістю, вологовмістом і ентальпією (тепломісткістю).

Абсолютна вологість - визначається кількістю водяної пари (у кг), що міститься в 1 м³ вологого повітря. З достатньої для технічних розрахунків точністю можна вважати, що вологе повітря підкоряється законам ідеальних газів. Тому абсолютна вологість дорівнює масі 1 м³ пари, чи густини водяної пари r_n (кг/м³) при температурі повітря і парціальному тиску r_n.

Відносною вологістю, чи ступенем насичення повітря φ називається відношення маси водяної пари в 1 м³ вологого повітря r_n за даних умов, температурі і загальному барометричному тиску до максимально можливої маси водяної пари в 1 м повітря r_н (густини насиченої пари) за тих самих умов:

φ= . (74)

Якщо температура повітря нижче або дорівнює температурі насичення, що відповідає загальному (барометричному) тиску (тобто нижче приблизно 100°С), то максимально можливий тиск водяної пари дорівнює тиску сухої насиченої пари, що може бути узяте з Міжнародних таблиць водяної пари при даній температурі повітря.

Відносна вологість φ є однією з найважливіших характеристик повітря як сушильного агента, що визначає його вологоємність, тобто здатність повітря до насичення парами вологи.

Кількість водяної пари (у кг), що міститься у вологому повітрі і приходиться на 1 кг абсолютно сухого повітря, називається вологовмістом повітря:

, (75)

де m_п і m_с.в. – маса водяної пари і маса абсолютно сухого повітря в даному об'ємі вологого повітря, кг;

r_с.в. - густина абсолютно сухого повітря, кг/м³.

Для встановлення зв'язку між вологовмістом x і відносною вологістю φ скористаємося попереднім рівнянням і рівнянням Менделеєва-Клапейрона:

, (76)

, (77)

де Т – абсолютна температура, °С;

М_п – маса 1 кмоль водяної пари, рівна 18 кг/кмоль;

R – універсальна газова постійна 8314 Дж/(кмоль×град)»1,99 ккал/кмоль×град;

Р_н – тиск насиченої водяної пари при даній температурі (у °К ) і загальному барометричному тиску, Н/м²;

, (78)

де р_с.в. - парціальний тиск абсолютно сухого повітря;

М_с.в. - маса 1 кмоль абсолютно сухого повітря, рівна 29 кг/кмоль.

За законом Дальтона р_с.в. дорівнює різниці загального тиску вологого повітря р_n і парціального тиску водяної пари в ньому:

. (79)

З іншого боку:

. (80)

Тоді:

. (81)

Ентальпія I вологого повітря відноситься до 1 кг абсолютно сухого повітря і визначається при даній температурі повітря t (у °С) як сума ентальпій абсолютно сухого повітря с_с.в. t і водяної пари xi_п:

, (82)

де c_сп – середня питома теплоємність абсолютно сухого повітря, що може бути прийнята приблизно рівною 1000 Дж/(кг×град) [0,24ккал/кг×град];

i_п - ентальпія водяної пари, Дж/кг.

Водяна пара знаходиться в процесі сушіння в перегрітому стані в суміші з повітрям.

Позначимо ентальпію водяної пари при 0°С через r₀ (r₀ = 2493 кДж/кг) і приймемо середню питому теплоємність перегрітої водяної пари С_п»1,97×10³ Дж/кг×град.

Тоді ентальпія перегрітої пари:

Дж/кг. (83)