Тепловыми называются технологические процессы, протекающие при условии подвода или отвода тепла.
К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, теплообмен и испарение. Частным случаем испарения является процесс выпаривания [1].
Нагревание – процесс повышения
Охлаждение – процесс понижения
Конденсация – процесс сжижения паров вещества путем отвода от них тепла.
Теплообмен — процесс распространения тепла из одной части пространства в другую.
Испарение – перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла. Частным случаем испарения является весьма широко распространенный в химической технике процесс выпаривания.
Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления из них летучего растворителя в виде пере. Выпаривание представляет собой разновидность теплового процесса испарения.
Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара, — некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.
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. Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключаются в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.
Выпаривание проводят при атмосферном давлении, под вакуумом или под давлением, большим атмосферного. Образующийся при выпаривании растворов пар называется вторичным, или соковым [3].
Процессы и аппараты пищевых производств
... производства чилийской фирмы Proagar S.A., которая является вторым производителем Агар-агара из Gracilaria-Chilensis в мире. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ВЫПАРИВАНИЯ Выпариванием ... и операций по приготовлению с его помощью желе. Агар-агар — это продукт, получаемый путем экстрагирования из красных и ... в производстве пищевой добавки , растет в достаточно большом количестве и культивируется. Пищевой ...
Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с атмосферной
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, такую установку называют однокорпусной. Если же в установке имеются два и 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) [6].
Принципиальная технологическая схема
Исходный раствор подается из емкости 1 центробежным насосом 2 через теплообменник 3 в первый корпус выпарной установки 4. В теплообменнике 3 исходный раствор нагревается до температуры близкой к температуре кипения раствора в первом корпусе выпарной установки.
Первый корпус установки обогревается свежим (первичным) паром. Вторичный пар, образующийся при кипении раствора в первом корпусе, направляется в качестве греющего пара во второй корпус 5; сюда же поступает частично сконцентрированный раствор из первого корпуса. Аналогично упаренный раствор из второго корпуса подается в третий корпус 6 , обогреваемый вторичным паром второго корпуса. Упаренный до конечной концентрации в третьем корпусе готовый продукт поступает из него в емкость 10. По мере прохождения из корпуса в корпус давление и температура пара понижаются, и из последнего (третьего) корпуса пар с низким давлением отводится в барометрический конденсатор смешения 7, в котором при конденсации пара создается вакуум. Раствор и вторичный пар перемещаются из корпуса в корпус самотеком благодаря общему перепаду давления, возникающего в результате избыточного давления в первом корпусе и вакуума в последнем. Воздух и неконденсирующиеся газы, поступающие в установку с охлаждающей водой (в конденсаторе) и через не плотности трубопроводов, отсасываются через ловушку 8 вакуум-насосом.
Смесь охлаждающей воды и конденсата сливается самотеком через барометрическую трубу в бак-гидрозатвор 9. Конденсат греющих паров из выпарных аппаратов и теплообменника выводится с помощью конденсатоотводчиков.
Задание на курсовое проектирование
Рассчитать и спроектировать трехкорпусную выпарную установку непрерывного действия для концентрирования G н =20000 кг/ч водного раствора Na2 CO3 от начальной концентрации хн =3% до конечной хк =35 % при
1. обогрев производится насыщенным водяным паром давлением Р г1 =0,98 МПа;
2. давление в барометрическом конденсаторе Р
3. выпарной аппарат – тип-2, исполнение-2;
4. взаимное направление пара и раствора – прямоток;
5. отбор экстра-пара не производится;
6. раствор поступает в первый корпус подогретым на 3-5 градусов ниже температуры кипения раствора.
1. РАСЧЕТ ТРЕХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ
1.1 Определение поверхности теплопередачи выпарных аппаратов
Поверхность теплопередачи каждого корпуса выпарной установки определяется по основному уравнению теплопередачи:
(1)
Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи К и полезных разностей температур Δt п необходимо знать распределение упариваемой воды, концентраций растворов и их температур кипения по корпусам. Эти величины находят методом последовательных приближений.
Первое приближение
Определяем производительность установки в кг/с
G н =20000/3600=5,55 кг/с
Производительность установки по выпариваемой воде определяется из уравнения материального баланса:
(3)
кг/с
1.1.1 Концентрации упариваемого раствора
Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношений нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:
кг/с (5)
кг/с (6)
кг/с (7)
Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:
% (8)
% (9)
% (10)
Концентрация раствора в последнем корпусе соответствует заданной концентрации упаренного раствора .
1.1.2 Температуры кипения растворов
Общий перепад давлений в установке равен:
МПа (11)
В первом приближении общий перепад давлений распределяются между корпусами поровну. Тогда давления греющих паров в корпусах равны:
Р г1 =0,98 МПа;
МПа (12)
МПа (13)
Давление пара в барометрическом конденсаторе
МПа (14)
что соответствует заданному значению Р 6к .
По давлениям паров находим их температуры и энтальпии (табл.П57 [9]) полученные данные введем в таблицу 1.
Таблица 1 — Параметры в корпусах и барометрической камере
|
Давление, МПа |
Температура, о С |
Энтальпия, кДж/кг |
|
Р г1 =0,98 |
t г1 =177,2 |
I г1 =2782,4 |
|
Р г2 =0,65453 |
t г2 =160,5 |
I г2 =2768,4 |
|
Р г3 =0,32906 |
t г3 =134,9 |
I г3 =2732,8 |
|
Р бк =0,0036 |
t бк =26,1 |
I бк =2543,5 |
При определении температуры кипения растворов в аппаратах исходят из следующих допущений. Распределение концентраций раствора в выпарном аппарате с интенсивной циркуляцией практически
Изменение температуры кипения по высоте кипятильных труб происходит вследствие изменения гидростатического давления столба жидкости. Температуру кипения раствора в корпусе принимают соответствующей температуре кипения в среднем слое жидкости. Таким образом, температура кипения раствора в корпусе отличается от температуры греющего пара в последующем корпусе на сумму температурных потерь ∑Δ от температурной ( ), гидростатической (Δ») и гидродинамической (Δ»‘) депрессий (∑Δ= +Δ»+Δ»‘).
