Порядок расчета выпарного аппарата

Явление самоиспарения возникает в многокорпусных выпарных установках (МВУ). Упаренный раствор предыдущего корпуса перетекает в последующий корпус в качестве исходного, в котором давление в аппарате меньше, чем в предыдущем, а следовательно меньше и температура кипения в этом корпусе. Раствор оказывается перегретым (т.е. его температура выше температуры кипения в этом корпусе). Температура раствора снижается до температуры кипения за счет испарения некоторого количества воды, которое подмешивается к основному количеству вторичного пара. Это явление носит название самоиспарения раствора.

Температурные потери (депрессии)

Рассмотрим схему выпарной установки вместе с температурами (рисунок 2.2)

Рисунок 2.2 - Температуры в выпарной установке:

– температура вторичного пара (чистого растворителя), определяется по давлению в аппарате ;

– температура кипения раствора на поверхности (при давлении );

– температура кипения раствора внутри кипятильных труб в среднем слое высотой ;

– температура конденсации греющего (первичного) пара в межтрубном пространстве греющей камеры, определяется по давлению греющего пара ;

– температура конденсации вторичного пара в конденсаторе.

Движущей силой процесса выпаривания (полезной разностью температур) является разность температур конденсации греющего пара и кипения раствора в среднем слое.

(2.13)

Физико-химическая депрессия , ⁰С, равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении (давлении в аппарате ).

. (2.14)

Величина зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления. Значения , полученные опытным путем, приводятся в справочной литературе. Для малоконцентрированных растворов величину можно вычислить с помощью уравнения И.А. Тищенко:

, (2.15)

где – нормальная физико-химическая депрессия при атмосферном давлении, ⁰С

зависит от типа раствора и его концентрации;

– поправочный коэффициент на давление в аппарате (одинаков для различных

растворов и зависит только от давления).

Гидростатическая депрессия , ⁰С, равна разности между температурой кипения раствора в среднем слое и температурой кипения раствора на поверхности.

. (2.16)

характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением давления за счет гидростатического давления столба жидкости. зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности парожидкостной смеси, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб. рассчитывается по чистому растворителю.

Приближенно вычисляют для водных растворов с помощью таблиц водяного насыщенного пара как разность между температурой кипения воды при давлении в среднем слое и температурой кипения воды при давлении вторичного пара (давлении в аппарате ).

. (2.17)

Давление в среднем слое , Па, вычисляют как сумму давлений вторичного пара в аппарате и гидростатического давления столба жидкости на середине высоты кипятильных трубы.

, (2.18)

где – плотность упаренного раствора, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Гидравлическая депрессия , ⁰С, равна разности между температурой конденсации вторичного пара в аппарате и температурой конденсации вторичного пара в конденсаторе (или температурой конденсации вторичного пара в греющей камере последующего корпуса для МВУ).

(2.19)

обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями), которые преодолевает вторичный пар при его движении через сепарационные устройства и трубы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к снижению его температуры конденсации. Значение принимают в пределах 0,5 – 1,5 ⁰С.

Температура кипения раствора в среднем слое с учетом температурных потерь и составляет

. (2.20)

Общей разностью температур называется разность между температурой греющего агента (температурой греющего пара ) и температурой конденсации вторичного пара в конденсаторе .

. (2.21)

Если от общей разности температур отнять сумму всех температурных потерь, то получим полезную разность температур

. (2.22)

.

Сумма всех температурных депрессий равна разности между температурой кипения раствора в среднем слое и температурой конденсации пара в конденсаторе.

(2.23)

Дано: параметры исходного раствора (,), концентрация упаренного раствора и давление греющего пара .

1. Определяем и из уравнений материального баланса:

, .

2. Находим расход греющего пара из уравнения теплового баланса.

3. Определяем тепловую нагрузку аппарата .

4. Рассчитываем температурные потери , и .

5. Рассчитываем полезную разность температур: .

6. Рассчитываем коэффициент теплопередачи .

7. Определяем поверхность нагрева выпарного аппарата из основного уравнения теплопередачи .

8. По площади поверхности нагрева выбираем выпарной аппарат по ГОСТам или каталогам.

Многокорпусные выпарные установки (МВУ)

МВУ применяются для экономии греющего пара. В них вторичный пар из предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в следующий корпус. Таким образом, повторно используется теплота вторичных паров и за счет этого экономится греющий пар. Рассмотрим устройство трехкорпусной прямоточной МВУ (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Технологическая схема прямоточной трехкорпусной выпарной установки.

Греющий пар с котельной расходом поступает только в первый корпус. Давление в корпусах поддерживается таким образом, чтобы >>. Это необходимо, чтобы вторичный пар можно было использовать в качестве греющего в последующем корпусе (например, , ). Разность давлений между корпусами выбирается таким образом, чтобы в каждом корпусе полезная разность температур (движущая сила) имела положительное значение. То есть, чтобы температура вторичного пара, поступающего из предыдущего корпуса, была выше температуры кипения в среднем слое последующего корпуса. В прямоточной МВУ раствор перетекает из корпуса в корпус самотеком, так как >>. При этом возникает явление самоиспарения при перетекании раствора из первого во второй корпус и из второго – в третий (см. выше).

Из уравнения теплового баланса:

.

Так как коэффициент испарения , а коэффициент самоиспарения <<1, то можно принять допущение:

. (2.24)

. (2.25)

Общее количество выпаренной воды:

, (2.26)

С учетом уравнений предыдущих равенств можно записать:

(2.27)

Из уравнения (2.27) следует, что расход греющего пара в трехкорпусной выпарной установке в три раза меньше, чем в однокорпусной с такой же поверхностью нагрева.

Дата добавления: 2014-01-04