Выпарные аппараты. Материальный и тепловой балансы процесса выпаривания.

Выпарные аппараты. Выпарные аппараты бывают горизонтальные и вертикальные, которые представляют собой котлы, снабжённые нагревательными рубашками и змеевиками для парового и жидкого обогрева или топками для газового обогрева. Наибольшее распространение в химической промышленности получили вертикальные выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также плёночные выпарные аппараты. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора состоит из греющей камеры, парового пространства, сепаратора, циркуляционной трубы. Упариваемый раствор циркулирует по трубкам снизу вверх и опускается вниз по циркуляционной трубе. Уменьшение скорости вторичного пара (т.е. увеличение диаметра аппарата) и увеличение высоты парового пространства приводят к уменьшению брызгоуноса.

Необходимый объём парового пространства можно определить по формуле:

V = W/d_масс, м³ или V = W/r_в.п. d_об, м³,

где W – количество выпариваемой воды (вторичного пара), кг/час; d_масс –

допустимое массовое напряжение парового пространства (количество

выпариваемой воды на единицу объёма парового пространства в единицу

времени), кг/м³×ч; d_об – допустимое объёмное напряжение парового

пространства (объём выпариваемой воды на единицу парового пространства

в единицу времени, м³/м³×час); r_в.п. – плотность вторичного пара, кг/м³.

Материальный и тепловой балансы процесса выпаривания. Материальный баланс выпарного аппарата можно представить по всему количеству веществ

G₁ = G₂ + W (1)

и по растворённому веществу

G₁a₁ = G₂a₂ (2),

где G₁ и G₂ – начальное и конечное количество раствора,

a₁ и a₂ – начальная и конечная концентрация раствора в%,

W – количество выпаренной воды, кг.

Если известны начальное количество раствора G₁, начальная и конечная концентрации a₁ и a₂, то

G = G₁ a₁/a₂

и количество выпаренной воды

W = G₁ - G₂ = G₁(1 - a₁/a₂).

Если известны G₁, W, а₁, то

a₂ = G₁ × a₁/G₂ = G₁ × a₁/(G₁ – W)

и количество конечного раствора G₂ = G₁ – W.

Приход теплоты в выпарном аппарате слагается из теплоты с поступающим раствором G₁с₁t_o и теплоты, которая отдаётся аппарату нагревающим агентом Q.

Расход теплоты на выпаривание включает: теплоту, уносимую вторичным паром W_i, теплоту с уходящим раствором G₂с₂t, теплоту, затрачиваемую на дегидратацию Q_дег потери теплоты в окружающую среду Q_п.

Таким образом, можно написать уравнение теплового баланса:

Q + G₁с₁t_o = W_i + G₂с₂t + Q_дег + Q_п,

где с₁ и с₂ – удельные теплоёмкости поступающего G₁ и уходящего G₂

растворов, Дж/кг×К;

t_o и t – температуры поступающего и уходящего растворов, град;

i – энтальпия вторичного пара, Дж/кг.

Теплота дегидратации представляет собой затрату теплоты на повышение концентрации раствора и она равна по величине и обратно по знаку теплоте парообразования раствора.

Поступающий раствор можно рассматривать как смесь упаренного раствора и испарившейся воды:

G₁с₁t = G₂с₂t + Wс_водыt

G₂с₂ = G₁с₁ - Wс_воды,

где с_воды – удельная теплоёмкость воды.

Q + G₁с₁t_o = W_i + G₁с₁t - Wс_водыt + Q_п

или

Q = G₁с₁(t-t_o) + W(i-с_водыt) + Q_п

Энтальпия вторичного пара i принимается равной энтальпии насыщенного водяного пара при давлении в аппарате и находятся по справочным таблицам.

Определив тепловую нагрузку Q выпарного аппарата и зная температуру конденсата, можно вычислить расход пара.

Q = D_i – D_Q, где D – количество пара, кг; i – теплосодержание пара, Дж/кг

Q - температура конденсата.

Пренебрегая расходом теплоты на подогрев раствора до температуры кипения G₁с₁(t-t_o) и Q_п, удельный расход греющего пара определяется по уравнению

5. Массообменные процессы. Фазовое равновесие. Материальный баланс массообменных процессов.

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называются массообменными процессами.

К таким процессам относятся:

1) абсорбция,

2) адсорбция,

3) ректификация,

4) экстракция,

5) сушка,

6) кристаллизация.

Скорость протекания этих процессов определяется скоростью диффузии.

Процесс, при которых переход вещества из одной фазы в другую происходит путём диффузии, называются процессами массопередачи. В процессах массопередачи участвуют две фазы, в которых распределяется третье вещество. Фазы являются носителями распределяемого вещества и непосредственно в процессе массопередачи не участвуют.

Переход вещества из одной фазы в другую происходит при отсутствии равновесия между фазами. Предельным состоянием процесса массообмена является достижение равновесия системы, т.е. равенство скоростей перехода вещества из одной фазы в другую и обратно при данной температуре и давлении.

В состоянии равновесия любой концентрации распределяемого вещества в одной фазе соответствует равновесная ей концентрация этого вещества в другой фазе: у_р = f(x) или х_р = f(y), где х – содержание распределяемого вещества в одной фазе, у_р – равновесная ей концентрация этого вещества в другой фазе и наоборот.

Условия равновесия позволяют определить направление процесса. Если рабочая концентрация распределяемого вещества в данной фазе выше равновесной, то она будет уходить из этой фазы в другую.

Равновесие между фазами можно представить графически на у-х диаграмме

АВ – рабочая линия

ОС – линия равновесия

Диффузионные (массообменные) процессы, как правило, осуществляются в противоточных аппаратах, где участвующие в массообмене фазы протекают навстречу друг другу. Поэтому для вывода уравнения материального баланса массообменных процессов рассматривается движение потоков в противоточном аппарате.

Обозначим весовые скорости фаз жидкой L и газовой G вдоль поверхности их раздела в килограммах в час. Содержание в них распределяемого компонента обозначим в килограммах на килограмм фазы: в фазе L – через х и в фазе G – через у.

Допустим, что рабочая концентрация распределяемого компонента выше его равновесной концентрации у > у_р, и поэтому компонент будет переходить из фазы G в фазу L.

Фазы являются носителями распределяемого вещества и в процессе массообмена не участвуют. Для бесконечно малого элемента поверхности dF фазового контакта материальный баланс в отношении распределяемого между фазами компонента выразится дифференциальным уравнением

dM = -G×dy = L×dx

Интегрируя уравнение в заданных пределах концентраций распределяемого вещества от у_н до у_к и от х_н до х_к

или М = G(у_н - у_к) = L(х_н - х_к) - получим уравнение материального баланса массообмена для всей поверхности фазового контакта в рассматриваемом аппарате.

Из уравнения находятся соотношения между весовыми потоками фаз

и удельный расход растворителя

Для любого произвольно взятого сечения аппарата выше линии MN с концентрацией фаз у и х, проинтегрировав уравнение материального баланса в пределах от у_н до у_к и от х_н до х_к получим

G(у_н - у_к) = L(х_н - х_к) – уравнение материального баланса для части аппарата (выше MN).

Из уравнения находим

Это уравнение называется уравнением рабочей линии процесса массообмена. Оно выражает зависимость между неравновесными составами фаз у,х в любом сечении аппарата.

Величины G, L, у_к, х_к известны и являются постоянными, поэтому можно обозначить

у_к – L/G × х_к через В, отношение L/G через А.

Тогда уравнение рабочей линии можно написать в виде: у = Ах_к + В

Это уравнение прямой линии, из которого следует, что концентрации распределяемого вещества в фазах G и L связаны линейной зависимостью.

Дата добавления: 2015-12-08