Температурные потери при выпаривании

В процессе выпаривания растворов возникают температурные потери, общая величина которых складывается из

1. физико-химической (концентрационной) температурной депрессии

2. гидростатической депрессии и

3. гидравлической депрессии

1.2.1. Физико-химическая температурная депрессия

Физико-химическая температурная депрессия равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя (температурой вторичного пара) t_в.п при данном давлении.

Раствор кипит при более высокой температуре , чем чистый растворитель (tв.п).

Для раствора поваренной соли NaCI по мере повышения концентрации температура кипения повышается до тех пор, пока раствор не достигнет предельной концентрации 26 %. При такой концентрации и атмосферном давлении раствор закипит при температуре 107,5 оС, а выделяющиеся пары растворителя будут иметь температуру 100 оС, т.е. температуру кипения чистой воды.

Таким образом, при кипении раствора в выпарном аппарате температура выделяющегося пара всегда меньше температуры кипения раствора. Эту разность температур и называют физико-химической температурной депрессией или просто температурной депрессией и обозначают :

(1.6)

где температура кипения раствора;

t_{в.п –} температура выделяющихся паров растворителя (воды).

Температурная депрессия увеличивается с повышением концентрации раствора и различна для разных растворов.

В справочниках обычно приводятся значения температурной депрессии для кипящих растворов при нормальном атмосферном давлении.

Для расчета температурной депрессии растворов при давлениях, отличных от нормального, при наличии данных из таблиц для нормальной депрессии пользуются формулой И.А. Тищенко

(1.7)

где - температурная депрессия при данном давлении; - температурная депрессия при нормальном давлении; Т – абсолютная температура кипения воды при данном давлении; r – теплота парообразования воды при данном давлении.

Формула И.А. Тищенко (1.7) дает удовлетворительные результаты только для водных растворов, обладающих малой температурной депрессией.

Значения нормальной температурной депрессии для некоторых растворов в зависимости от их концентрации приведены на рис. 1.4.

При нахождении температурной депрессии по формуле (1.6) необходимо определять температуру кипения раствора Т при различных давлениях. Для этого можно использовать эмпирический закон Бабо, по которому отношение давления к давлению насыщения пара при той же температуре есть величина постоянная, для данной концентрации не зависящая от температуры кипения, т.е. [1]

. (1.8)

Рис. 1.4. Изменение температурной депрессии в зависимости от концентрации раствора при кипении:

1 - KOH; 2 - KCI; 3 - KJ; 4 – KNO3; 5 – K2CO3; 6 – MgCI2; 7 – MgSO4; 8 - NaOH; 9 – NaNO3; 10 - NaCI; 11 – Na2SO4; 12 – NH4NO3; 13 – C5H10O5; 14 – CaCI2; 15 – K2Cr2O7

Таким образом, если температура кипения раствора данной концентрации при атмосферном давлении известна, то вычислить температуру кипения его при любом другом давлении просто. Следует иметь в виду, что закон Бабо дает достаточно точные результаты только для разбавленных (слабо концентрированных) растворов.

На рис. 1.5. представлена схема и температурный график выпарной установки с учетом всех видов депрессий.

На оси абсцисс графика представлены температуры, а на оси ординат показаны положения температурных точек в установке.

В соответствии с вышеизложенными рассуждениями,
- точка 4 соответствует средней температуре кипения раствора,
- а разность между точками 4 и 7 характеризует все виды депрессий. Следовательно, разность между температурой греющего пара (точка 2) и температурой кипения раствора (точка 4) является полезной разностью температур.

Рис. 1.5. Схема аппарата и температурный график выпарной установки:

1-2-конденсация греющего пара (без учета охлаждения конденсата); 3-5- изменение температуры кипения под действием гидростатического столба жидкости; 4 – температура кипения раствора; 5-6 концентрационная температурная депрессия; 6-7-гидродинамическая температурная депрессия

Рис. 1.1. Схема однокорпусной выпарной установки:

1 – сепаратор; 2 – греющая камера; 3 – циркуляционная труба; 4 – барометрический конденсатор; 5 – барометрическая труба; 6 – вакуум-насос

При выпаривании циркулирующих растворов температурную депрессию следует вычислять по конечной концентрации раствора.

При отсутствии циркуляции, т.е. при однократном прохождении раствора, температурную депрессию следует вычислять по средней его концентрации в корпусе.

1.2.2. Повышение температуры кипения растворов вследствие гидростатического давления (гидростатическая депрессия)

В выпарном аппарате давление на жидкость в верхних и нижних слоях неодинаково, следовательно, температура кипения раствора по всей высоте аппарата также различна. Пузырьки пара, находящиеся в нижних слоях жидкости, и, следовательно, должны иметь большее давление, чем на поверхности. Этим объясняется более высокая температура кипения жидкости в нижних слоях.

Гидростатическое давление в среднем слое будет равно, Па,

(1.9)

где плотность раствора в п-ном корпусе, кг/м³;

высота столба жидкости в аппарате, м;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

Если прибавить это гидростатическое давление к давлению в паровом пространстве аппарата, то получают общее давление на средней глубине жидкости , и по таблицам насыщенного водяного пара находят температуру кипения воды, соответствующая этому давлению. Вычитая из найденной температуры температуру кипения воды при данном давлении в паровом пространстве, получим температурную потерю вследствие гидростатического давления. В дальнейшем эту потерю по отдельным корпусам будем обозначать через

Практически гидростатическое давление оказывает меньшее влияние на температурные потери, чем это следует из формулы (1.9), так как при кипении образуется смесь пара с жидкостью, и поэтому значительно уменьшается плотность столба жидкости в трубах.

Гидростатический эффект стремятся свести к минимуму, конструируя выпарные аппараты таким образом, чтобы процесс выпаривания протекал в весьма тонком слое. Можно считать, что в аппаратах пленочного типа влияние гидростатического давления практически полностью устранено [2].

1.2.3. Охлаждение вторичного пара в паропроводах между корпусами (гидравлическая депрессия ).

Вторичный пар, следуя из парового пространства предыдущего корпуса в нагревательную камеру следующего корпуса, должен преодолеть некоторое сопротивление; это вызывает уменьшение его давления, приводящее к понижению температуры пара. При этом, чем больше скорость пара в паропроводе и длиннее паропровод, тем большим будет снижение температуры. На основании опытных данных падение температуры в паропроводах между всеми корпусами без большой ошибки принимают обычно одинаковым и равным 0,5-1,5 ^оС для каждого аппарата [2].

1.3. Типовые конструкции выпарных аппаратов [1-5]

В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

А. по расположению поверхности нагрева

А.1) горизонтальные,

А.2) вертикальные и, реже,

А.3) наклонные;

Б. по роду теплоносителя

Б.1) с паровым обогревом,

Б.2) с газовым обогревом,

Б.3) с обогревом высокотемпературными теплоносителями

Б.3.1) масло

Б.3.2) даутерм (нагревательная система даутерм: парами высококипящей жидкости)

Б.3.3) вода под высоким давлением,

Б.4) с электрообогревом.

Чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом;

В. по способу подвода теплоносителя

В.1) с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или

В.2) с подачей теплоносителя в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);

Г. по режиму циркуляции

Г.1) с естественной циркуляцией и

Г.2) с искусственной (принудительной) циркуляцией;

Д. по кратности циркуляции

Д.1) с однократной циркуляцией и

Д.2) с многократной циркуляцией;

Е. по типу поверхности нагрева

Е.1) с паровой рубашкой,

Е.2) змеевиковые и, наиболее распространенный,

Е.3) с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

Ж. по характеру движения растворов в аппарате и кратности циркуляции растворов. Более существенным признаком классификации выпарных аппаратов является характер движения растворов в аппарате и кратность его циркуляции.

Ж.1) аппараты с естественной циркуляцией раствора;

Ж.1) аппараты с принудительной циркуляцией и

Ж.1) аппараты пленочные.

Контактные выпарные аппараты с погружными горелками занимают особое положение.

К конструкции выпарных аппаратов предъявляются следующие требования:

- простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;

- стандартизация узлов и деталей;

- соблюдение требуемого режима (температура, давление, время пребывания раствора в аппарате),

- получение полупродукта или продукта необходимого качества и требуемой концентрации,

- устойчивость в работе,

- по возможности более длительная работа аппарата между чистками при минимальных отложениях осадков на теплообменной поверхности,

- удобство обслуживания, регулирования и контроля за работой;

- высокая интенсивность теплопередачи (высокое значение К),

- малый вес и

- невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.

Итак, некототорые выводы из вышесказанного:

1. Контактные выпарные аппараты с погружными горелками занимают особое положение.

2. Чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом;

3.Более существенным признаком классификации выпарных аппаратов является характер движения растворов в аппарате и кратность его циркуляции.

Тогда можно классифицировать выпарные аппараты:

-аппараты с естественной циркуляцией раствора;

-аппараты с принудительной циркуляцией и

-аппараты пленочные.

1.3.1. Циркуляция растворов в выпарных аппаратах [4, 5]

Циркуляция растворов в выпарных аппаратах улучшает теплообмен и уменьшает отложения солей на стенках труб.

Образующиеся в растворе кристаллы выделяются из пульпы в специальных солеотделителях, фильтрах и центрифугах.

Для устранения инкрустации поверхности нагрева скорость раствора на входе в греющие трубы должна быть не менее 2,5 м/с.

В аппаратах может быть применена однократная и многократная циркуляция раствора, причем многократная циркуляция может быть естественной и принудительной.

Кратностью циркуляции К называют отношение количества раствора G, кг/ч, проциркулировавшего через сечение растворного пространства выпарного аппарата, к количеству выпаренной влаги W, кг/ч:

К=G/W. (1.10)

Естественная циркуляция (рис. 1.6) возникает из-за разности плотностей кипящего раствора в опускных каналах и кипящего раствора в подъемных трубах .

Движущий напор (р_дв)в циркуляционном контуре длиной L можно выразить следующей формулой:

р_дв=L( ). (1.11)

где - плотность парожидкостной смеси

- плотность пара

L- длина циркуляционного контура.

При установившемся режиме циркуляции этот напор уравновешен суммой гидравлических сопротивлений в опускном и подъемном каналах контура:

р_дв = (1.12)

Чем меньше , т.е. чем больше доля пара в парожидкостной смеси, тем больше движущий напор и тем выше скорость циркуляции. С увеличением скорости раствора растет гидравлическое сопротивление тракта. Скорость циркуляции раствора может быть найдена при совместном решении уравнений (1.11) и (1.12), если движущий напор и сопротивления в контуре будут выражены в виде функции скорости циркуляции. Расчет производится с учетом следующих допущений:

1. Скорость пара относительно раствора равна нулю.

2. Коэффициент теплопередачи и температурный напор между греющим паром и раствором по высоте труб приняты постоянными.

3. Введено понятие приведенной скорости - скорости одной из фаз, отнесенной к полному сечению канала.

Так, приведенная скорость пара, образующегося на выходе из кипятильной трубы, выражается равенством

=W

где W= - паропроизводительность кипятильной трубы, кг/с;

- плотность пара, кг/м3;

r – теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг;

d_вн и L₁ – внутренний диаметр и длина кипятильной трубы, м;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2· К);

- температурный напор между греющим паром и кипящим раствором, К.

Движущий напор

Движущий напор, Па, выражается уравнением

(1.13)

Рис. 1.6. Схема циркуляционного контура вертикального выпарного аппарата с естественной циркуляцией