Технологический расчет выпарного аппарата

Введение

Выпаривание — процесс  концентрирования растворов твердых  нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего растворителя и отвода образовавшихся паров.

В промышленности выпаривание  обычно проводят при кипении раствора.

При выпаривании растворов твердых веществ в ряде пищевых производств достигают насыщения раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, в результате которой выделяется растворенное вещество.

Выпаривание применяют  для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.

Процесс выпаривания  широко используют в сахарном и консервном производствах при концентрировании сахарных и томатных соков, молока и др.

В пищевой технологии выпаривают, как правило, водные растворы.

Выпаривание проводят в  выпарных аппаратах. Процесс выпаривания может проводиться непрерывно и периодически. Аппараты периодического действия используют в основном в производствах малого масштаба.

В крупнотоннажных производствах применяют непрерывнодействующие выпарные установки, площадь поверхности нагрева которых достигает 6000...10 000 м2. При таких поверхностях нагрева решающим фактором, который определяет экономичность установки, является расход греющего пара и воды. ^[1]

 

 

 

 

 

1. Аналитический обзор

1.1 Описание процесса выпаривания

1.1.1 Общие сведения

Испарение при температурах ниже температуры кипения раствора происходит с его поверхности, в то время как при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего раствора, что значительно интенсифицирует процесс удаления растворителя из раствора.

Обычно из раствора удаляют  лишь часть растворителя, так как в применяемых для выпаривания аппаратах вещество должно оставаться в текучем состоянии. В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора. При дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т.е. выделение из него твердого вещества.

Процесс выпаривания  широко применяется для повышения  концентрации разбавленных растворов, выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации, а иногда для выделения растворителя (например, при получении питьевой или технической воды в выпарных опреснительных установках).

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту  от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при  наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным, хотя, конечно, для этой цели могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоносители.

Таким образом, выпаривание  является типичным процессом переноса теплоты от более нагретого теплоносителя - греющего пара к кипящему раствору.

Рисунок 1.1. Схема однокорпусной выпарной установки:1-сепаратор; 2-греющая камера; 3-циркуляционная труба; 4-барометрический конденсатор; 5-барометрическая труба; 6-вакуум-насос.

В отличие от обычных тепло-обменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (Рисунок 1.1): греющей камеры, или кипятильника, 2 (как правило, в виде пучка труб) и сепаратора 1, предназначенного для улавливания капель раствора из пара, образующегося при кипении раствора. Для более полного улавливания в сепараторе устанавливают различные по конструкции брызгоуловители.

Поверхность кипятильных труб:

F = Q/(Kêtп).

Однако для процесса выпаривания расчет входящих в это  уравнение величин существенно  усложняется. Например, при определении полезной разности температур êtп = Т— tк часто затруднительно определить темпе-ратуру tк кипения раствора, которая зависит от концентрации раствора, давления над ним, высоты кипятильных труб; не всегда просто определить и температуру Т греющего пара, поскольку его давление обычно не задается.

Выпаривание проводят при  атмосферном давлении, под вакуумом или под давлением, большим атмосферного. Отметим, что образующийся при выпаривании растворов пар, называют вторичным, или соковым.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с атмосферной выпаркой: снижается температура кипения раствора, что дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата; несколько снижаются потери теплоты в окружающую среду (так как снижается температура стенки аппарата); появляется возможность использования теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам выпаривания под вакуумом относятся удорожание установки (так как требуется дополнительное оборудование-конденсатор, вакуум-насос и др.), а также несколько больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раствором происходит увеличение теплоты испарения растворителя). При выпаривании под повышенным давлением (выше атмосферного) вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента для различных технологических нужд.

В случае если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат (смотреть рисунок 1.1), такую установку называют однокорпусной. Если же в установке имеются два или более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпусной. В этом случае вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что приводит к существенной экономии свежего греющего пара. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называют экстра-паром. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего, и т.д.

При больших производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого  раствора в час и выше), что  характерно для промышленности, выпаривание  проводят по непрерывному принципу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, т.е. в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения. Поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи (так, с повышением концентрации раствора увеличивается его вязкость и, следовательно, снижается коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору).

Периодическое выпаривание  проводят при малых производительностях и необходимости упаривания раствора до существенно высоких концентраций. ^[2]

 

1.1.2 Однокорпусное (однократное) выпаривание

 

Процесс однократного выпаривания  проводят в одном аппарате (смотрите рисунок 1.1). Материальный баланс выпарного аппарата для непрерывного процесса записывают при допущении, что отсутствует унос нелетучего продукта вместе с каплями, попадающими из кипящего раствора во вторичный пар. Для этих условий материальный баланс по общему количеству продуктов представляют в следующем виде:

G_н = (G_к + W), (1.1)

по нелетучему продукту:

G_{н Хн} = G_{к Хк}, (1.2)

где G_н, G_K-расходы соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с; х_н и x_к - концентрации соответственно растворенного продукта в исходном и упаренном растворе, кг продукта на 1 кг раствора; W— выход вторичного пара, кг/с.

Из уравнений (1.1) и (1.2) подлежат определению расходы упаренного раствора и выход растворителя (вторичного пара):

G_K = G_H x_H /х_K, (1.3) W=G_н(l- х_K /x_H), (1.4)

а также конечная концентрация упаренного раствора:

x_K = G_H x_H / (G_H - W), (1.5)

Расход теплоты на проведение процесса определяют из уравнения теплового баланса, записанного в следующем виде:

DH_r + G_H H_н = G_K Н_К + WHв.п + DH г.к + Qп, (1.6)

где D-расход греющего пара, кг/с; Hг, Hв.п. - энтальпии соответственно греющего и вторичного паров, Дж/кг; Нн, Нк, Нг.к-энтальпии соответственно исходного и упаренного растворов и конденсата греющего пара, Дж/кг; Qп -потери теплоты в окружающую среду, Дж/с.

Вводя упрощающие допущения, уравнение (1.6) приводят к виду, более удобному для пользования. Запишем тепловой баланс смешения упаренного раствора и испаренной воды при температуре кипения t_K, сделав допущение о постоянстве с_н в интервале температур от t_H до t_K, в виде:

G_K с_к t_K + W с_в t_K + Q_кон = G_H с_н t_к, (1.6а)

где с_н, с_к, с_в-теплоемкости соответственно исходного и упаренного растворов и растворителя, Дж/кг; Q_кон— теплота концентрирования раствора в интервале изменения концентрации от х_н до х_к, Дж/с.

Теплота концентрирования численно равна теплоте растворения, но с обратным знаком.

Выразим энтальпии растворов и пара в уравнении (1.6) следующим образом: Н_р=ct, H_п=ct+г, где г-теплота парообразования при соответствующем давлении. Тогда с учетом (1.6а) уравнение (1.6) можно представить в виде равенства:

Q = D (Hг - с_гθ) = G_H с_н (t_к – t_н ) + W (Hв - с_в t_к) + Q_кон + Q_п, (1.7)

где с_г-теплоемкость конденсата греющего пара; 8-температура конденсации.

Левая часть равенства (1.7) показывает количество теплоты, выделяющейся в выпарном аппарате при конденсации D, кг/с греющего пара. Правая часть показывает, на что эта теплота расходуется: первый член-расход теплоты на нагревание исходного раствора от начальной температуры до температуры кипения, второй-расход теплоты на испарение растворителя из раствора при температуре кипения, далее - расход теплоты на компенсацию теплоты концентрирования и потерь теплоты в окружающую среду.

При сравнительно небольшой  степени концентрирования раствора и высоком качестве тепловой изоляции величинами Q_кон и Q_п можно пренебречь, учитывая значительное количество теплоты, выделяющейся при конденсации греющего пара. Если же предположить, что раствор поступает на выпаривание при температуре кипения в аппарате, т. е. t_н =  t_к, то

D (Hг – с_гθ) = W (Hв - с_в t_к) , (1.8)

или

D/W= (Hв - - с_в t_к) / (Hг – с_гθ) = r/r_г, (1.8а)

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водяной пар, а упаривают водный раствор, то приблизительно г ≈ г_т. Это означает, что на испарение 1 кг растворителя затрачивается примерно 1 кг греющего пара, т.е. D/W≈1. В действительности г > г_г, а если учесть потерю теплоты на компенсацию Q_кон и Q_п, реальное значение D/W~1,05 ÷ 1,15.

Уравнение (1.7) в расчетной практике используют для определения расхода греющего первичного пара D и расхода теплоты для проведения процесса Q. Последняя величина позволяет определить потребную поверхность теплопередачи в выпарном аппарате F = Q/(Kêt_n). Определение полезной разности температур (êt_n=Т_г—t_K) сводится к нахождению температуры кипения раствора t_K. ^[2]

 

1.1.3 Температура кипения раствора и температурные потери

 

Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления 
первичного греющего и вторичного паров, а следовательно, определены 
и их температуры. Разность между температурами греющего 
и вторичного паров называют общей разностью температур выпарного 
аппарата: 

êt_об=Т_г—tв.п, (1.9)

Общая разность температур связана с полезной разностью  температур соотношением:

êt_п= êt_об -ê' - ê" = Т_г - tв.п - ê' - ê", (1.10)

Обозначив t_в._п — ê' — ê" = t_K, получим

êt_п= Т_г— t_к , (1.11)

Величины ê' и ê" называют температурными депрессиями (температурными потерями).

Величину ê' называют концентрационной температурной депрессией и определяют как повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя при данном давлении:

ê' = t_к —  tв.п, (1.12)

где t_к, tв.п -температуры соответственно кипения раствора и чистого растворителя; последняя численно равна температуре вторичного пара при данном давлении.

В технической литературе приводятся сведения по температурам кипения растворов различных  концентраций, как правило, при атмосферном давлении - ê', которую легко определить по справочникам. При других давлениях ê' находят с помощью уравнения И. А. Тищенко:

ê'=1,62-10¯²(Т²/ r) ê'_атм, (1.13)

где Т-температура кипения  чистого растворителя, К; r-теплота испарения чистого растворителя при данном давлении, кДж/кг.

Температурную потерю ê" называют гидростатической температурной депрессией; она характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением давления гидростатического столба жидкости. Гидростатическая депрессия ê" проявляется лишь в аппаратах с кипением раствора в кипятильных трубах нагревательной камеры. В этом случае за температуру кипения раствора принимают температуру кипения в средней части кипятильных труб. Тогда:

ê" = t_ср-t_в._п,  (1.14)

где t_cp-температура кипения растворителя при давлении Р_ср в средней части кипятильных труб, К; t_в._п -температура вторичного пара при давлении в аппарате

Давление в средней  части кипятильных труб определяют по выражению:

Р_ср = Рa + Нр_пжg/2,  (1.15)

где Н-высота кипятильных труб, м; р_пж-плотность парожидкостной смеси в аппарате, кг/м³.