Процесс выпаривания растворов (стр. 2 из 7)
Уравнение теплового баланса принимает вид
Q1+Q2=Q3+Q4+Q5+Qк+Qк
или
Gнcнtн+Diг= Gкcкtк+ Wiв+ Dctкон+ Qк+ Qп. (1)
Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренного растворителя, частное уравнение теплового баланса смешения при постоянной температуре кипения tк раствора (температура упаренного раствора равна tк) в аппарате можно записать:
Gнcнtн=Gкcк·tк+ Wс′·tк
где с′ - удельная теплоемкость растворителя при температуре кипения раствора, Дж/ (кг·К). Тогда:
Gкcк=Gнcн - Wс′ (2)
Подставляя правую часть уравнения (2) в уравнение (1), получим
Gнcнtн+Diг= Gнcнtк+ Wс′·tк+Wiв + Dctкон+ Qк+ Qп. (3)
Из уравнения (3)
D (iг-ctкон) =Gнcнtк+ +W (iв+с′·tк) + Qк+ Qп. (4)
Величина Qп в выпарных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3-5% полезно используемого тепла. Если раствор поступает в аппарат предварительно нагретый до температуры кипения, т.е. tн=·tк, то, пренебрегая суммой Qк+ Qп, получим из уравнения (4)
Практически iг-ctкон≈ iв+с′·tк, поэтому D≈W, т.е. теоретически на выпаривание 1 кг воды расходуется приблизительно 1 кг греющего пара. Практически, с учетом потерь тепла, удельный расход греющего пара составляет 1,1-1,2 кг/кг воды.
3. Выпарные аппараты, конструкции, интенсификация процессов выпаривания
Триосн. Направления интенсификации:
1) интенсификация теплообмена - применение развитых поверхностей нагрева, напр. в виде набора стальных пластин, тонкостенных (1,2-1,5 мм) и ребристых труб, а также труб со спец. турбулизаторами в форме внутр. кольцевых выступов или проволочных спиральных вставок;
2) снижение накипеобразования - использование, напр., затравочных кристаллов, способствующих массовой кристаллизации в объеме р-ра, или антиадгезионных полимерных покрытий;
3) экономия энергозатрат - применение, напр., экстра-пара и конденсата для нагревания исходного р-ра либо его предварительное концентрирование с помощью мембранного разделения.
4. Движущая сила выпаривания, температурные потери, схема передачи тепла в выпарных установках
Движущая сила процессов выпаривания - разность температур
Δtпол=tГП-tК. Р-РА
Разность температур между греющим и вторичным паром в выпарном аппарате называют общей или располагаемой разностью температур. Общая разность температур Δtобщ в многокорпусной выпарной установке определяется разностью между температурой Т1 греющего пара в первом корпусе и температурой Тк вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в конденсатор, т.е.
Δtобщ= Т1-Тк
Полезная разность температур Δtпол в выпарном аппарате меньше общей разности температур на величину температурных потерь:
Δtпол=Δtобщ - ∑Δ
где ∑Δ - сумма температурных потерь (потерь температурного напора). Для многокорпусной выпарки общая полезная разность температур равна общей (располагаемой) разности температур за вычетом суммы температурных потерь по всем корпусам установки
∑Δtпол=Δtобщ - ∑Δ
Температурные потери при выпаривании обусловлены следующими причинами:
температурной депрессией Δ′ - уменьшением упругости паров растворителя над раствором по сравнению с упругостью паров чистого растворителя - рассмотренной ранее;
гидростатической депрессией Δ′′ - повышением температуры кипения раствора вследствие гидростатического давления столба жидкости в греющих трубках аппарата;
гидравлической депрессией Δ′′′ - понижением давления вторичного пара за счет гидравлических сопротивлений в паропроводах между корпусами многокорпусной выпарной установки.
Гидростатическая депрессия Δ′′ вызывается тем, что давление на жидкость в выпарном аппарате по высоте трубок неодинаково. Это обусловливает различную температуру кипения раствора по всей его высоте. Так, например, если нагревать воду в трубе высотой 10 м, то верхний слой воды закипит при температуре 100°С, а нижний же слой, находящийся под абсолютным давлением 0,2 МПа, - при температуре 120°С.
Полная депрессия в аппарате ΣΔ равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессии
tк=T′ - ΣΔ,
где T′ - температура вторичного пара в выпарном аппарате, °С.
5. Прямо и противоточные выпарные установки, явление самоиспаренияи
Многокорпусные выпарные установки различаются также по взаимному направлению движения греющего пара и выспариваемого раствора.
В прямоточной установке, ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.
Кроме наиболее широко распространенных установок с прямоточным движением пара и раствора (см. рис 2), применяются также противоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях. Исходный раствор подается насосом в последний по ходу греющего пара (третий) корпус, из которого упаренный раствор перекачивается во второй корпус, и т.д., причем из первого корпуса удаляется окончательно упаренный раствор. Свежий (первичный) пар поступает в первый корпус, а вторичный пар из этого корпуса направляется для обогрева второго корпуса, затем вторичный пар из предыдущего корпуса используется для обогрева последующего. Из последнего корпуса вторичный пар удаляется в конденсатор.
6. Материальный и тепловой балансы МВУ
Расход свежего (первичного) пара d1кг/сек, его энтальпия IГ1кдж/кг и температура θ1 °C.
После первого корпуса отбирается Е1 кг/сек и после второго корпуса Е2кг/сек экстра-пара. Соответственно расход вторичного пара из первого корпуса, направляемого в качестве греющего во второй корпус, составляет (W1-E1) кг/сек и вторичного пара из второго корпуса, греющего третий корпус (W1-E3) кг/сек, где W1 и W2 - количества воды, выпариваемой в первом и втором корпусах соответственно.
Уравнения тепловых балансов корпусов:
первый корпус
второй корпус
третий корпус
7. Общая полезная разность температур и распределение по корпусам
а) F1=F2=…
Складывая полезные разности температур отдельных корпусов, получим или:
б) Оценим распределение общей полезной разности температур при условии минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов.
При минимальной суммарной теплопередающей поверхности в каждом отдельном корпусе поверхность теплообмена будет различной. Различие поверхностей корпусов удорожает изготовление и эксплуатацию выпарной установки. Этот вариант рационален только при изготовлении выпарных аппаратов из дефицитных, дорогостоящих и коррозионностойких материалов.
8. Общая характеристика массообменных процессов, массоотдача и массопередача (аналогия с теплопередачей)
В химической технологии широко распространены и имеют большое значение процессы массопередачи, которые характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. С помощью таких процессов можно разделить как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, растворы жидкостей и т.п.). Причем наиболее часто процессы массопередачи используются для разделения гомогенных систем.
Перенос компонента, совершающийся в пределах фазы, и направленный либо из фазы к межфазной поверхности, либо от межфазной поверхности вглубь фазы, называется массоотдачей (по аналогии с теплоотдачей). А перенос компонента из данной фазы в смежную фазу называют массопередачей. При этом совершается перенос компонента через межфазную поверхность. Поэтому массопередачу можно рассматривать как состоящую в общем случае из следующих основных стадий: из двух стадий массоотдачи и находящейся между ними стадии передачи компонента через межфазную поверхность. В некоторых процессах одна из стадий массоотдачи может отсутствовать, например при кристаллизации.
Перенос компонентов в фазах осуществляется диффузией, поэтому промышленные массообменные процессы иногда называют диффузионными. Совокупность значений концентрации с какого-либо компонента во всех точках фазы называется полем концентрации этого компонента в данной фазе.
В промышленности используются, в основном, следующие процессы массопередачи.
Абсорбция - процесс разделения газовой или парогазовой смеси методом избирательного растворения ее компонентов в жидкости.
Адсорбция - процесс разделения газовой или парогазовой смеси или жидкого раствора методом избирательного поглощения твердым веществом. К этим процессам, называемым сорбционными, относится и десорбция, т.е. удаление поглощенных веществ из поглотителя.