Нагревание водяным паром. Теплообменные аппараты.

Нагревание прим-ся для ускорения массообменных процессов. Водяной пар получают в паровых котлах, где происходит нагрев и испарение воды под давле­нием.При подведении к воде тепла температура ее воз­растает до температуры кипения, зависящей от дав­ления, при котором идет подогрев.

Нагревание «острым» паром. Насыщенный пар вводится в обогреваемую жидкость по трубе или трубкам с мелкими отверстия­ми. Поступающий греющий пар отдает нагре­ваемой жидкости всю теплоту и полностью конденси­руется, затем обогреваемая жидкость закипает.

Нагревание «глухим» паром» применяют, когда контакт между нагреваемой жидкостью и конденсатом пара недопустим (разбавление, взаимодействие и др.). Нагрев жидкости осуществляют через разделяющую их стен­ку в аппаратах с рубашками, змеевиками и т. п.

Паровые рубашки используют для обогрева котлов, реакторов. Греющий пар отделен от обогреваемой жидкости (мазевая основа. сироп, водная вытяжка). высота пар.рубашки должна быть не меньше высоты уровня обогреваемой жидкости. теплопередача осуществляется через стенку с небольшой поверхностью.

Трубчатые теплообменники.

Кожухотрубный теплобменник представляет собой цилиндр (кожух) внутри которого расположен пучок труб. Концы труб закреплены в трубных решетках. Между трубными решетками образуется камера, в которую греющий пар поступает и выходит через штуцер. Нагреваемая жидкость поступает противотоком, проходит внутрь трубок, нагревается и выходит. Недостаток: трудность очистки межтрубного пространства и малодоступность для осмотра и ремонта.

Теплообменник "труба в трубе» включает в себя несколько расположеных друг над другом элементов. Каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большого диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра. Холодная вода поступает для нагрева в трубу малого диаметра, греющий пар противотоком в трубу большого диаметра. Недостаток - громоздкость и трудность очистки.

Змеевиковый погружной теплообменник имеет вид цилиндрического сосуда, в который погружена трубка, изогнутая в виде змеевика. Один из теплоносителей направляется по змеевику, другой омывает его снаружи, входя в случае противотока в нижний штуцер и выходя через верхний. Для прямотока д б обратное направление одного из теплоносителей. Недостаток: громоздкость и трудность внутренней очистки змеевика.

Теплообменники с ребристыми поверхностями применяют для теплообмена между газом и жидкостью или паром, между двумя газами. Поверхности теплообмена в них сделаны из труб с различными ребрами дл увеличения теплопередачи. Поверхность ребер д б параллельна направлению потока теплоносителя.

7. Выпаривание растворов при атм давлении и под вакуумом. При выпаривании происходит уменьшение количества жидкого летучего растворителя и повышение концентрации твердых нелетучих веществ. Пар, образующийся над кипящей жидкостью, называется вторичным (вода, этанол и др.)

Выпаривание растворов при атмосферном давлении в открытых выпарных чашах применяется редко, так как удаляющийся вторичный пар загрязняет произ­водственное помещение, а концентрируемый водный раствор подвергается риску перегре­ва и потери термолабильных действующих веществ (витамины, алкалоиды, гликозиды). С целью сохранения действующих веществ выпаривание с кипением жидкости осуществляют выпаривание под вакуумом. Преимущества: снижается температура кипения раствора, улавливается ценный вторичный пар, для нагрева выпарного аппарата можно использовать пар низкого давления.

Вакуум-выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой и естественной циркуляцией раствора. В кипятильных трубках образуется парожидкостная эмульсия, плотность которой меньше плотности нагреваемой жидкости. В циркуляционной трубе тоже проходит выпаривание жидкости, но плотность паро-жидкостной эмульсии больше плотности эмульсии в кипятильных трубках, вследствие чего в аппарате про­исходит упорядоченное движение кипящей жидкости (в циркуляционной трубе — сверху вниз, в узких труб­ках—снизу вверх), т. е. естественная циркуляция. Отделение капель жидкости от вторичного пара происходит в сепараторе, вторичный пар при этом по­падает в конденсатор.

Вакуум-выпарные аппараты с при­нудительной циркуляцией упариваемой жидкости. Из кипя­тильных труб упариваемый раствор выбрасывается в сепаратор, отделяет часть вторичного пара, а частич­но упаренный раствор возвращается по циркуляцион­ной трубе во всасывающую линию циркуляционного насоса и смешивается с новой порцией жидкости для упаривания.

Пленочный выпарной аппарат с естественной цир­куляцией. При кипении выпари­ваемой жидкости все сечение трубки заполняется па­ром. Жидкость у стенки трубки находится в виде тонкой пленки. Выпаривание происходит в пленке при однократном прохождении упариваемого раствора по кипятильным трубкам. Смесь вторичного пара и ка­пель сгущенного раствора попадает в сепаратор с отбойниками. Под действием центробежной силы капельки упарен­ной жидкости отделяются от вторичного пара и со­бираются в нижней части сепарационной камеры.

 

8. Центробежные роторно-пленочные выпарные автоматы. Побочные явления при выпаривании. Концентрируемый раствор находится в зоне нагрева кратковременно в небольшом количестве и благодаря вакууму упаривание кипящих жидкостей происходит при низкой температуре (35—50 °С) без разложения и снижения качества термолабильных веществ.

Основной частью аппарата является теплообменник, представляющий собой блок конических полых тарелок, вращающихся на общем пустотелом валу. Выпариваемый раствор подается на внутреннюю поверхность вращающихся тарелок, образуя тонкие слои жидкости. Греющий пар по валу поступает в паровую рубашку, оттуда — на наружную поверхность тарелок, отдавая тепло кипящему раствору, находящемуся внутри их. Образующийся в результате теплообмена конденсат отбрасывается на периферию тарелок и удаляется по трубе. Упаренный раствор выводится по напорной трубе. Вторичный пар по патрубку отводится в конденсатор.

Обязательным условием является равномерное смачивание всей поверхности теплообмена упариваемым раствором.

Побочные явления:

- Инкрустация (уменьшается растворимость вещества). У стенок теплопередающих по­верхностей выпадают осадки. Они резко ухудшают коэффициент теплопередачи, уменьшают сечение трубок для прохо­да упариваемой жидкости в аппарате и нередко за­грязняют ее.

- Температурная депрессия и гидростатический эф­фект. Разность между температурами кипения раствора и растворителя Δ’=Т_А-Т_В называют температурной депрессией. Влияние вышележащих слоев выпариваемой жид­кости на повышение температуры кипения называется гидростатическим эффектом. Слои жидкости в нижней части имеют точку кипения выше, чем слои на поверхности. Концентрирование жидкости происходит с разной скоростью, возникает опасность ее перегрева.

- Пенообразование и брызгоунос отри­цательно сказываются на работе вакуум-выпарных ус­тановок (переброс жидкости в конденсатор) и на эко­номических показателях по готовому продукту.

 

 

9. Сушка, теор основы.

Сушка - процесс удаления влаги из твер­дых, пастообразных материалов, суспензий или кон­центрированных растворов путем ее испарения и отво­да образующихся паров. Осущ-ся двумя способами: нагре­ванием влажных материалов теплоносителем через не­проницаемую стенку, проводящую тепло, т. е. контакт­ная сушка; и путем непосредственного соприкосно­вения влажных материалов с горячим газовым тепло­носителем (воздухом), т. е. конвективная или воздуш­ная сушка.

Теор.основы.

Статика

Для сушки давление паров влаги у поверхности вы­сушиваемого материала Р_м должно быть больше давления чистого пара Рп, т.е. Р_м>Рп. В течение времени влажность материала приближается к пределу Р_м=Рп, тогда процесс сушки прекращается.

Свойства влажного воздуха:

Температура воздуха. Влажный материал можно сушить холодным воздухом, но горячий воздух способствует более быстрому прогреву мате­риала и легкому испарению влаги.

Влажность воздуха. Количество водяных паров, со­держащихся в 1 м³ влажного воздуха - абсолютная влажность. При понижении температуры или увлажнении воздуха пар ста­новится насыщенным. Отношение абсолютной влаж­ности к максимально возможному количеству пара в 1 м³ воздуха, при той же температуре и данном баро­метрическом давлении, называется относительной влажностью. Влагосодержание воздуха – кол-во водяного пара в 1 кг, приходящееся на 1 кг абсолятно сухого воздуха.

Теплосодержание. Влажный воздух характеризует энтальпией (теплосодержанием), равной сумме энтальпии сухого воздуха и водяного пара. Без учета тепловых потерь теплосодержание воздуха в процессе сушки остается постоянным.

Кинетика – это изменение влагосодержания и температуры воздуха с течением времени. Позво­ляет определить количество влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени τ и продолжительность периодиче­ского процесса сушки.

где U — скорость сушки, кг/м²·с