Тепловой баланс выпарного аппарата

Материальный баланс выпарного аппарата

Обозначим начальное (до выпарки) и конечное (после вы­парки) количество раствора (в кг) через G₁ и G₂, его началь­ную и конечную концентрацию (в весовых долях) через с₁ и с₂ и количество выпаренной воды (в кг) через W.

Тогда можно написать уравнения материального баланса по всему количеству вещества:

G₁ = G₂ +W

и по растворенному веществу

G₁с₁ = G₂с₂

В приведенные уравнения входят пять величин; три вели­чины должны быть заданы, а остальные две можно определить из этих уравнений. Обычно бывают известны G₁ a₁ и а₂, тогда, решая совместно уравнения (13-5) и (13-6), находим

G₂ = G₁с₁ / с₂

W = G₁- G₂ = G₁(1 - с₁ / с₂)

Уравнение дает возможность определить количество выпаренной воды.

Для обогрева выпарных аппаратов чаще всего используется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при повышенной температуре, применяют топочные газы и специальные высокотемпературные теплоносители (например, АМТ-300), и в особых случаях используют электрический обогрев.

Составим уравнение теплового баланса выпарного аппарата для выпариваемого раствора:

Q_потерь

Греющий пар пар соковый

Раствор на выпарку

. Приход тепла

Отдается нагревающим агентом Q_гр.п= G_гр.п i_гр.п

С поступающим раство­ром G₁с₁ t₁

Расход тепла

С вторичным паром.. Wi_в.п

С уходящим раствором G₂c₂t₂

Потери в окружающую среду Q_n

С конденсатом вторичного пара G_конд c _кондt _конд

Таким образом

Q_nр = Q_расх

G_гр.п i_гр.п + G₁с₁ t₁ = Wi_в.п + G₂c₂t₂ + G _гр.п c _кондt _конд + Q_n

G_гр.п i_гр.п - G _гр.п c _кондt _конд = Wi_в.п + G₂c₂t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n

где с₁ и с₂—удельные теплоемкости поступающего и уходя­щего растворов, дж/кг-град;

t₁ и t₂ — температуры поступающего и уходящего раство­ров, град;

i_в.п —энтальпия вторичного пара, дж/кг.

Потери тепла принимаются 3-5 % от полезно затрачиваемого тепла, а затем рассчитывается изоляция (0,03-0,05 Q_nр).

G_гр.п = (Wi_в.п + G₂c₂t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n)/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

Рассматривая поступающий раствор как смесь упаренного раствора и испаренной воды, можно написать:

G₁с₁ t₂= G₂c₂t₂+ Wс_в. t₂

откуда

G₂c₂ = G₁с₁ — Wc_B

где с_в — удельная теплоемкость воды, дж/кг • град.

Подставляя значение G₂c₂ в уравнение (13-10), получим

G_гр.п = (Wi_в.п + (G₁с₁ — Wc_B) t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n)/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

G_гр.п = (Wi_в.п + G₁с₁ t₂— Wc_B t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n)/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

G_гр.п = (W(i_в.п — c_B t₂)+ G₁с₁ (t₂ - t₁) + Q_n)/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

Расчет выпарных аппаратов

Температура кипения растворов

Давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем давление над чистым растворителем. Вследствие этого тем­пература кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, вода кипит под атмосферным давлением при 100° С, так как давление ее пара при этой температуре равно 1 am; для 30% раствора NaOH дав­ление водяного пара над раствором будет при 100° С ниже 1 am, и раствор закипит при более высокой температуре (117°С), когда давление пара над ним достигнет 1 am.

Разность между температурами кипения раствора (t) и чи­стого растворителя (г)) называется температурной депрессией:

Δ t_ДЕПР =t_{раствор} -t_{растворитель}

Температурная депрессия зависит от свойств растворенного вещества и растворителя; она повышается с увеличением кон­центрации раствора и давления. Определяется температурная, депрессия опытным путем (большинство опытных данных отно­сится к температурной депрессии при атмосферном давлении).

Гидростатическая депрессия Δ t" вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой темпе­ратуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев). Если, например, нагревать при атмосферном давлении воду до температуры кипения в трубе высотой 10 м, то верхний слой воды закипит при температуре 100° С, а нижний слой, находящийся под давлением 2 am, при температуре ~120^оС. В данном случае гидростатическая депрессия изме­няется по высоте трубы от 0°С (вверху) до 20° С (внизу) и в среднем составляет 10° С. Расчет гидростатической депрессии в выпарных аппаратах невозможен, так как жидкость в них (в основном в виде парожидкостной смеси) находится в движе­нии. С повышением уровня жидкости в аппарате гидростати­ческая депрессия возрастает. В среднем она составляет 1—3°С.

Гидравлическая депрессия Δ t "' учитывает повышение давле­ния в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохо­ждении вторичного пара через ловушку и выходной трубопро­вод. При расчетах Δ t "' принимают равной 1 С.

Полная депрессия Δt равна сумме тем­пературной, гидростатической и гидравлической депрессий:

Δt = Δ t ' + Δt" + Δ t "'

Температура кипения раствора t определяетсяпо формуле:

t_{раствоитель} =t_{раствоитель}+Δt

Пример 13-1. Определить температуру кипения 40%-ного раствора NaOH при абсолютном давлении 0,196 бар (0,2 am).

Δ^'=28°С при атмосферном давлении

Δ^'= k=0,76 при 0,2 атм

Δ^'=

Δ^''=2°С

Δ^'''=1°С

Δ=15,2+2+1=24,28°С

t_{кип.р-ля}(Н₂О)=60°С при Р=0,2 атм

t_{кип.р-ля}=24,28+60=84,28

Дата добавления: 2014-01-03