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.

, H гк

к, H к, x к

, H вп

, x н, H н

, H г

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 .

 

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 D¢ - концентрационная температурная депрессия; D¢¢ - гидростатическая температурная депрессия; D¢ определяют как разницу температур кипения раствора Т _{кип. р} и чистого растворителя Т _{кип. чр} при p = = const

 

D¢ = Т _{кип. р} – Т _{кип. чр}, Т _{кип. чр}, D¢ = 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; D¢¢ 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; r_пж - плотность парожидкостной смеси
в кипятильных трубах ; H - высота кипятильных труб.

 

D² = T _ср - T _вп, (99)

 

где T _ср - температура кипения растворителя при p = p _ср; T _вп - температура вторичного пара при давлении p _а.

 

Многокорпусное выпаривание

 

В многокорпусной выпарной установке вторичный пар (рис. 3.2, 3.3) предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара
в последующем корпусе. Такая организация выпаривания приводит
к значительной экономии греющего пара. Если принять по всем корпусам, то общий расход греющего пара на процесс уменьшается пропорционально числу корпусов. Практически, в реальных условиях такое соотношение не выдерживается, оно, как правило, выше. Далее рассмотрим уравнения материальных и тепловых балансов для многокорпусной выпарной установки (см. рис. 3.2), которые представляют собой систему уравнений, записанных для каждого корпуса в отдельности.

Уравнения материальных балансов позволяют определить количество испаренной воды в установке и концентрацию растворенного вещества
по корпусам при условии, если задан закон распределения испаренной воды по корпусам.

Общее количество испаренной воды в установке определяется как

 

(100)

Очевидно, что равно сумме количеств воды, выпариваемой
по корпусам

 

. (101)

 

Концентрацию растворов на входе из каждого корпуса можно определить по уравнению (91):

– для первого корпуса:

 

(102)

 

– для второго корпуса:

 

; (103)

 

 

– для n -го корпуса:

. (104)

Уравнение теплового баланса для n -го корпуса (рис. 3.7) имеет вид

 

.

 

Здесь:

- - расход греющего пара для n -го корпуса;

- - расход вторичного пара;

- - расход исходного раствора;

- - расход упаренного раствора;

- - энтальпия греющего пара;

- - энтальпия исходного раствора;

- - энтальпия упаренного раствора;

- - энтальпия вторичного пара;

- - энтальпия конденсата греющего пара.

 

 

Рис. 3.7. Схема тепловых потоков для n -го аппарата

С помощью системы уравнений тепловых балансов для всех корпусов
и уравнения баланса испаренной жидкости определяют расход греющего пара в первом корпусе, расходы выпаренной воды в каждом корпусе
и их тепловые нагрузки.