Теплообменный аппараты со смешиванием теплоносителей. 4 страница

2. С принудительной циркуляцией

V По способу установки на месте эксплуатации

1. Горизонтальные

2. Вертикальные

3. Наклонные

VI По давлению внутри ВА

1. Аппараты, работающие под вакуумом, применяются когда:

а) раствор не допускает перегрева

б) низкие параметры греющего теплоносителя

2. Аппараты, работающие при атмосферном давлении. Применяются, когда нет ограничивающих условий.

3. Аппараты, работающие при повышенном двлении. Применяются когда:

а) вязкость раствора при низких температурах слишком высокая

б) когда на выходе из аппарата греющий теплоноситель должен иметь достаточно высокие параметры для его дальнейшего полезного использования.

7. Уловные обозначения ВА

(рис.10)

Рис.10 условные обозначения выпарного аппарата

1- корпус ВА

2,3- подвод и отвод раствора

4- выход вторичного пара

5,6- вход и выход греющего теплоносителя

8. Определение количества воды, выпаренной из раствора

b_нач – начальная конценрация раствора

b_конеч – конечная концентрация раствора

G_сух – масса, массовый расход абсолютно сухого растворенного вещества

W_н – масса, массовый расход воды в растворе начальная

W_к – масса, массовый расход воды в растворе конечная

ΔW – количество выпаренной воды

, │=>

(*)

G_н и G_к – масса раствора до выпарки и после выпарки

│=> → (*)

- удельный показатель, равный количеству влаги, которая испарится из одного килограмма исходного раствора.

9. Принцип многократного испарения

Если вторичный пар из выпарного аппарата направить в качестве греющего теплоносителя в следующий аппарат и т.д., то удается многократно использовать первоначальную теплоту пара, подаваемого в качестве греющего теплоносителя в первый аппарат.

Единичный выпарной аппарат – корпус выпарной установки, тогда совокупность корпусов, работающих по вышеуказанному принципу, называется многокорпусной выпарной установкой.

10. Расход греющего теплоносителя (пара) в многокорпусной выпарной установке.

Если отсутствуют тепловые потери, а также затраты на подогрев раствора до температуры кипения, то за счет конденсации сухого килограмма пара можно выпарить из раствора 1 кг пара, если считать температурный напор между паром и раствором.

Тогда расход свежего пара на первый корпус:

кг/с

W – количество выпариваемой воды во всех корпусах

М - массовый расход вторичного пара во внутр.

n – число корпусов

В реальной многокорпусной установке с потерями тепла и затратами на подогрев раствора:

Построим график зависимости для W=1 (рис.11)

n				…
D	1,1	0,55	0,35	…	0,11

Рис.11 График. Зависимость расхода свежего воздуха от числа корпусов в установке

1) Абсолютная экономия пара увеличивается с увеличением n

2) Относительная экономия к следующему корпусу уменьшается

1→2 – 50%

2→3 – 30%

…

19→20 – 1%

3) Оптимальное n определиться по min приведенным затратам.

При средних ценах за тепло n_опт=3÷4

При высоких ценах n_опт=19÷24

11. Принципиальные схемы многокорпусных выпарных установок

1) Прямоточная выпарная установка (рис.12)

- раствор переходит из одного корпуса в другой из-за разности давления

- наибольшее распространение

2) Противоточная выпарная установка (рис.13)

- применяется для выпаривания вязких растворов, чтобы в последних ступенях (по ходу раствора) была выше температура, а значит и меньше вязкость.

- нужны насосы, чтобы перегонять раствор в сторону высокого давления(увеличивается расход электроэнергии)

3) Выпарная установка с параллельным подводом раствора (рис. 14).

- применяется при обработке больших количеств растворов и выпаривания небольшого количества воды.

4) Выпарная установка со смешанным подводом раствора (рис. 15)

Первые 2 ступени выпарки экономят 1 насос, а на последней ступени повышается температура раствора для уменьшения его вязкости.

6)Выпарная установка с двумя греющими теплоносителями (пар и масло)

Применяются, когда на последних ступенях выпарки необходимо иметь более высокие параметры греющего теплоносителя, чем у свежего пара, подаваемого на 1^й корпус. (Когда увеличение концентрации резко возрастает, повышают температуру кипения, а также температуру греющего пара оказывается недостаточной) (рис. 16)

Рис. 12 Схема прямоточной выпарной установки

Рис. 13 Схема противоточной выпарной установки

Рис. 14 Схема выпарной установки с параллельным подводом раствора

Рис. 15 Схема выпарной установки со смешанным подводом раствора

Рис. 16 Выпарная установка с 2 греющими теплоносителями (пар и масло)

12. Определение полной температурной депрессии

Есть не только физико-химическая депрессия

Полная температурная депрессия Δ:

Δ_ф-х - физико-химическая температурная депрессия;

Δ_Г - гидравлическая температурная депрессия;

Δ_ГС - гидростатическая температурная депрессия.

Температура пара меньше температуры раствора не только из-за Δ_ф-х, а также: Δ_Г – уменьшает температуру пара

а) Δ_Г – из-за потери давления в трубопроводах, соединяющих корпуса ≈1˚ на корпус

│=>

- гидравлическая температурная депрессия

Вывод: а) при движении раствора в корпусе выпарной установки за счет гидравлических сопротивлений падает давление в корпусе и температура насыщенных газов. ↓t_s => полезную разницу температур между теплоносителями в корпусе.

б) Δ_ГС - гидростатическая- нижние слои труднее закипятить, ↑t_кип на ≈1÷2˚С

Δ_ГС – уменьшает температуру пара

Гидростатической температурной депрессией называется разница между среднеобъемной температурной кипения и температурой кипения на поверхности раствора

в) Численное определение температурных депрессий

Δ_ф-х определяется в зависимости от вида раствора его концентрации и давления в аппарате по справочнику химика

Δ_ф-х=0÷сотни ˚С

Δ_Г- ориентировочно можно принять 1÷2˚С на корпус выпарной установки

Δ_ГС - ориентировочно можно принять для аппаратов, работающих при атмосферном и повышенном давлении 1÷2˚С на один корпус выпарной установки. Для аппаратов, работающих под вакуумом 6÷8˚С.

г) Определение полной температурной депрессии для многокорпусной установки

д) определение полезной разности температур для многокорпусной установки

Δt – полезная разность температур (суммарная для всех корпусов)

- располагаемая разница температур между греющим и выхлопным паром теплоносителями

Δt₁ – температура греющего пара в 1^м корпусе

Δt_k –температура выхлопного пара в последнем корпусе

13. Распределение полезной разницы температур по корпусам выпарной установки.

Пусть Δt_i – полезная разница температур для i-го корпуса, тогда

Полезная разница температур по корпусам может распределяться исходя из следующих условий:

а) чтобы поверхности всех корпусов были одинаковыми

б) чтобы измеряемая поверхность всех корпусов была m:4

в) а)+б): чтобы поверхности корпусов были одинаковыми, а суммарная поверхность была минимальной

14. Тепловой конструктивны расчет выпарной установки

Расчет производится в последовательности:

1) Определяем теплофизические параметры раствора в первом и последнем корпусе.

Для этого оцениваем средние температуры раствора:

- в первом корпусе температуру раствора берем на 20 % меньше t_s греющего пара

- в последнем корпусе температура должна быть такой, чтобы вязкость раствора при конечной концентрации обеспечивала применение коэффициента теплоотдачи (≈ как у воды)

2) По известным аналогичным процессам выбираем оптимальное количество корпусов, либо проводим вероятные расчеты по никольным корпусам.

3) Определяем условия распределения полезной разности температур по корпусам установки

4) Распределяем полезную разницу температур по корпусам выпарной установки

5) Определяем тепловые мощности каждого корпуса

6) Определяем поверхность нагрева каждого корпуса

7) По поверхности подбираем выпарной аппарат из стандартного ряда.

8) Проводим поверочный тепловой расчет, начиная с первого корпуса

9) Определяем стоимость аппарата и монтажа всей установки.

РАЗДЕЛ 5. ПЕРЕГОННЫЕ И РЕКТИФИКАЦИОННЕ УСТАНОВКИ

Основные определения

1. Жидкая однородная смесь – смесь, при испарении которой все компоненты переходят в парообразное состояние (может называться – идеальным раствором, в отличие от растворов, использующих в выпарных аппаратах).

2. Перегонка – термический процесс испарения многокомпонентной жидкой смеси, в результате которого состав паровой фазы отличается от состава первоначальной жидкой смеси и после конденсации пар получается жидкая смесь с составом компонентов, отличным от исходной смеси.

3. Дистилляция – перегона с полной конденсацией получающихся паров.

4. Простейшая схема дистилляционной установки (рис.17)

Рис. 17 Простейшая схема дистилляционной установки

1- перегонный куб

2- конденсатор

3- готовый продукт

5. Дефлегмация – частичная конденсация паров (путем поверхностного охлаждения)

6. Ректификация – перегонка с многократной дефлегмацией получающихся паров (многократный тепломассообмен без ограничительной стадии).

7. Простейшая схема ректификационной установки (рис.18).

Образующийся в 2 конденсат обогащается высококипящим компонентом и стекает в 1, а пары обогащаются легкокипящим компонентом и поступает в конденсатор.

Применение дефлегматора позволяет при одной ступени перегонки более сильно разделить компоненты по концентрациям, чем при простой дистилляции (при простой дистилляции → смесь конденсатов, пары конденсируются полностью вместе).

Рис. 18 Простейшая схема ректификационной установки.

1 – перегонный куб

2 – дефлегматор

3 – конденсатор

4 – готовый продукт

8. Область применения перегонки

Для получения следующих продуктов:

- спирт, бензол, толуол, глицерин, и другие органические соединения

- в нефтехимической промышленности: бензин, керосин, соляровое масло, минеральные масла.

9. Бинарная смесь – состоит из двух компонентов, отличающихся друг от друга по температуре кипения в чистом виде при одном и том же давлении.

Бинарная смесь является простейшим случаем многокомпонентной смеси и наиболее просто изучаются законы ее перегонки.

10. Из двух компонентов бинарной смеси один является легкокипящей (тот, который кипит при более низкой температуре), а второй компонент – высококипящий.

Примечание: При одном и том же внешнем давлении упругость пара, т.е. парциальное давление пара, больше у легкокипящего компонента, чем у высококипящего.

Физико-химические свойства бинарной смеси с взаимно нерастворимыми компонентами.

1. Границы давлений (водо-бензольная смесь: (Н₂О+С₆Н₆))

Для получения зависимости Р_s от температуры:

При Р=760 мм рт.ст.

У смеси t^s ↓ чем у t^s каждого чистого компонента.

2. Закон Дальтона

Парциальные давления пар каждого компонента над кипящей жидкой смесью равно давлению насыщенного пара этого компонента, кипящего в чистом виде при температуре жидкой смеси, а давление паровой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов.

3. Состав паровой фазы:

Согласно закону Авогадро: количество молей любого газа в смеси пропорцианально парциальному давлению: =>

n_а, n_б – количество молей а и б (а≡С₆Н₆, б≡Н₂О)

, ,

=>

- концентрация по массе в паровой фазе.

Обозначим для паровой фазы:

- легкокипящий компонент,

- концентрация высококипящего компонента

Если известна концентрация легкокипящего компонента в паровой смеси y => для второго компонента 1-y.

Обозначим для жидкой смеси:

- легкокипящий компонент

1-x – концентрация высококипящего компонента в жидкой смеси.

Примечание: Иногда концентрацию высококипящего компонента в паре и жидкости обозначают через:

Определим концентрацию y для нашего случая:

Вывод: Концентрация легкокипящего компонента в паре не зависит от его концентрации в жидкости и определяется только соотношением парциальных давлений и молекулярных масс компонентов.

4. Температура кипения жидкой смеси.

4.1. Температура кипения жидкой смеси не зависит от концентрации легкокипящего компонента в ней и определяется по графику давлений.

Содержание компонентов в паровой фазе=const, не зависит от их содержания в жидкой смеси.

4.2. Легкокипящий компонент выкипит быстрее, чем высококипящий

4.3. Если выкипает один из компонентов, то температура кипения жидкой смеси скачком применяется от температуры кипения смеси до температуры кипения оставшегося компонента в чистом виде.

5. Диаграмма равновесия.

- показывает зависимость (рис.19).

Пунктирная линия соответствует идеальной смеси с взаимонерастворимыми компонентами.

Точка, в которой x=y, называется азеотропической, (т. А на диаграмме) а жидкая смесь, соответствует этому состоянию – азеотропической смесью.

Рис. 19 График. Диаграмма равновесия, зависимость

Выводы: 1. Жидкую смесь с концентрацией в азеотропической точке перегнать невозможно, т.к. после конденсации паров получается жидкая смесь точно с такой же концентрацией легкокипящего компонента, как в начале перегонки.

2. Положение азеотропической точки на диаграмме равновесия можно сдвинуть вправо или влево, если поменять давление в перегонном кубе, при этом кривая равновесия переместится вверх или вниз в зависимости от изменения давления относительно атмосферного в большую или меньшую сторону.

3. Из диаграммы равновесия видно, что получить в паре только один компонент невозможно, если в жидкости их 2.

6. Многократная перегонка смеси с взаимонерастворимыми компонентами

I, II, III – ступени перегонки

1- перегонный куб

2- конденсатор

3- подача исходного сырья (жидкая бинарная смесь)

4- отвод кубового остатка

5- готовый продукт

б) Диаграмма равновесия

Пар получается богаче многокипящим компонентом, чем в смеси => концентрация высококипящего компонента в кубовом остатке ↑ => остается в чистом виде.

Пар получается богаче высококипящим компонентом, чем в смеси. Концентрация высококипящих компонентов в кубовом остатке ↓, остается легкокипящий в чистом виде.

Выводы:

1) Если исходная бинарная смесь имеет концентрацию Х_В < Х_А , то в результате перегонки получается азеотропическая смесь, которая далее не разгоняется; концентрация легкокипящего компонента в кубовом остатке уменьшается – остаётся высококипящий компонент в чистом виде.

2) Если в исходной смеси Х _В > Х_А, то в результате однократной перегонки получается азеотропическая смесь, которая дальше не разгоняется, причем Х _А< Х _В, а в перегонном кубе концентрация легкокипящего компонента увеличивается – остаётся легкокипящий компонент в чистом виде.

3) Для изменения концентрации Х _А (положим т. А на диаграмме) необходимо изменить давления внутри перегонного аппарата.

Дата добавления: 2014-12-16