Розрахунок витрат теплоти на випарювання
Випарювання застосовують для концентрації дубильних екстрактів і клейових бульйонів.
На початку процесу випарювання дифузійні розчини містять лише 3 - 5% таннидов, нетаннідов і нерозчинних дубильних речовин. Тому їх необхідно концентрувати, випарівая зайва кількість води. Випаровування проводять в спеціальних апаратах, причому розчин повинен бути в текучому стані. У ряді випадків при випаровуванні досягається насичення розчину (іноді з наступною кристалізацією).
З врахуванням того, що
Раціональний витрата теплоти на цей процес визначають розрахунком теплового балансу випарювання, в основу якого покладено метод, запропонований в 1938 р проф. А. Н. Тищенко. Тепловий баланс випарного апарату включає в себе прихід теплоти з гріючою парою і надходять розчином і її витрата зі вторинним паром, що йде розчином, конденсатом, на компенсацію теплових втрат в навколишній простір, на дегідратацію:
Величина G \ C \ (t - t0) визначає витрата теплоти на підігрів розчину до температури кипіння t, а величина W (hвт - св / 0) - витрата теплоти на випаровування води.
Ентальпію вторинного пара hBT визначають по тиску в апараті та знаходять за таблицями. Теплота дегідратації представляеч собою витрата енергії на підвищення концентрації розчину в дорівнює теплоті розведення розчину.
Теплові втрати в навколишній простір залежать від площі поверхні випарного апарату і складають 5 - 8% витрат теплоти на випаровування води.
Приклад 1. Визначення витрат теплоти і пари, що гріє. йдуть на випарювання клейових бульйонів від початкової концентрації хн = 28% до кінцевої концентрації хк = 40%.
При кінцевій концентрації бульйону температура кипіння становить по вимірах 75 ° С, а кількість випарованої води
Теплоємність 28% -ного клейового бульйону
При тиску 0,02 МПа температура дорівнює 60 ° С, а ентальпія пара / ГВт = 2610 • 10 3 Дж / кг. Тоді витрата теплоти без урахування теплоти дегідратації і втрат в навколишній простір складе
Теплові втрати розраховують за формулою
При багаторазовому випаровуванні, коли вторинний пар кожного корпусу використовується для обігріву наступних корпусів, тиск від корпусу до корпусу зменшується. Тому температура кипіння розчину в кожному наступному корпусі нижче температури кипіння розчину в попередньому корпусі. Застосування багатокорпусних установок дає значну економію пари, що гріє. Фактичні витрати пари, що гріє на 1 кг випаровується води орієнтовно становить: в однокорпусному випарної установці - 1,1; в двухкорпусной - 0,57; в трехкорпусние - 0,4; в чотирикорпусний - 0,3 кг.
Вторинний пар, що утворюється в кожному корпусі, можна направляти на обігрів подальшого корпусу не цілком, а використовувати також для попереднього підігріву розчину, обігріву повітря припливної вентиляції та інших технологічних потреб. Пар, що відводиться на інші установки, називають екстрапаром. При розрахунку питомих витрат теплоти необхідно враховувати відведення екстрапара.
У багатокорпусних випарних установках економія пари досягається в результаті збільшення поверхні нагрівання. При одній і тій же температурі, що гріє пара і температурі вторинної пари в конденсаторі сумарна поверхня нагріву двухкорпусной установки буде приблизно в два рази більше, ніж в однокорпусному.
Температура кипіння розчинів по корпусам встановлюється в залежності від поверхні нагрівання кожного корпусу і коефіцієнтів теплопередачі в них. Засобом, що регулює температуру, є зміна відбору екстрапара.
Розрахунок багатокорпусних установок досить складний, тому спочатку проводять наближений розрахунок, а потім його уточнюють.
При наближеному розрахунку витрата пари, що гріє дорівнює кількості випаровується води, тобто прийнято, що для отримання 1 кг вторинної пари витрачається 1 кг пари, що гріє.
Приклад 2. Нехай у кожному корпусі випарної установки з п числом корпусів випаровується Wкг води, а з передостаннього (п - 1) -го корпусу відбирається Еп _ j кг екстрапара. Тоді в (п - 1) -м корпусі повинно випаровуватися Wn + Еп _ j кг води. При відборі з (п - 2) -го корпусу Еп _ 2 кг екстрапара в цьому корпусі повинно випаровуватися Wn + Еп _ j + Еп _ 2 кг води і т.д.
Таким чином, кількість води, що випаровується з корпусів, становить
Складаючи почленно ці рівняння, отримаємо загальну кількість води, випарованої в установці
Звідси можна визначити кількість води, що випаровується в останньому корпусі
При відсутності відбору екстрапара кількість випаровується води по всіх корпусів однаково: Wn = W / n.
Витрата що гріє пара на перший корпус дорівнює кількості води, що випаровується в цьому корпусі, тобто
З формули випливає, що кількість пари, що гріє, що витрачається на отримання екстрапара, менше, ніж кількість що утворюється екстрапара. При цьому в міру віддалення точки відбору екстрапара від 1-го корпусу витрата пари, що гріє зменшується. Так, в чотирикорпусний установці (п = 4)
тобто на 1 кг екстрапара, що відбирається з 1-го корпусу, витрачається 0,75 кг пари, що гріє, а на 1 кг екстрапара, що відбирається з 2-го і 3-го корпусів, відповідно 0,5 і 0,25 кг пари, що гріє.
Для визначення точного витрати пари, що гріє на 1-й корпус і кількості випарованої води по корпусам треба скласти рівняння теплового балансу для кожного корпусу і вирішити їх разом. Наведемо ці рівняння в разі трехкорпусние установки з прямоточним харчуванням:
У наведену систему трьох рівнянь входять чотири невідомих: A, Wh W2 і Ж3. Необхідна для вирішення системи четверте рівняння має вигляд
Витрата що гріє пара на процес випарювання
де г - питома теплота пароутворення, що гріє пара для 1-го корпусу, кДж / кг.
Приклад 3. Розрахунок трехкорпусние випарної установки з прямоточним харчуванням для випарювання розчину NaOH.
Екстрапара відбирають для підігріву розчину.
Визначення кількості випаровується води і витрати екстрапара Визначаємо кількість випаровується води
Визначаємо витрату екстрапара. Приймаємо температуру підігріву розчину рівній 115 ° С, тоді витрата теплоти на підігрів
Так як параметри екстрапара поки невідомі, приймаємо теплоту його випаровування рівній 2260 • 10 3 Дж / кг, що відповідає абсолютному тиску 10 5 Па. Витрата екстрапара в цьому випадку складе
Це кількість необхідно розподілити між екстрапаром, що відбираються з 1-го (Е) і 2-го (Е2) корпусів. Розподіл може бути зроблено більш-менш довільно, причому вигідніше, щоб відбір з 2-го корпусу був більше, ніж з 1-го корпусу. Приймаємо Е = 0,75 кг / с, Е2 = 1,39 кг / с.
Визначаємо концентрації розчину після проходження 1-го і 2-го корпусів:
Корисний температурний напір, ° С,
Корисний температурний напір на один корпус (при однаковому розподілі), ° С,
Розподіл температур по корпусах приведено в табл. 19.
Визначаємо корисний температурний напір і розподіл його по корпусам. Приймаємо гідростатичну депресію д "= 2 ° С і гідравлічну депресію д" '= 1 ° С. Температурні депресії знаходимо при кінцевій концентрації розчину в кожному корпусі, причому для 3-го корпусу вносимо поправку на тиск. Для перших двох корпусів, які працюють під тиском, близьким до атмосферного, поправкою на тиск нехтуємо. Певні таким шляхом температурні депресії становлять. ° С,
Нижче наводяться значення питомі теплоємності надходить в корпусу розчину:
Складемо рівняння теплового балансу:
Теплові навантаження по корпусах:
Для розрахунку підігрівачів відбирається екстрапара двох параметрів, тому встановлюємо два підігрівача, через які послідовно проходить розчин. Щоб досягти якомога більшого підігріву, 2-й по ходу розчину підігрівач повинна обігріватися екстрапаром з 1-го корпусу, які мають більш високу температуру. Екстрапаром з 2-го корпусу обігрівається розчин в 1-м по ходу розчину підігрівачі.
Тепловий баланс 1-го підігрівача:
Після проходження 1-го підігрівача температура розчину V = 84 ° С. Тепловий баланс 2-го підігрівача:
Після проходження другого підігрівача температура розчину Г = 115 ° С.
У випарних апаратах з тепловим насосом вторинний пар стискається до тиску пари, що гріє і використовується для обігріву того ж апарату, в якому утворюється. Для стиснення пари застосовують компресори або пароструминні інжектори. Таким чином, в теплових насосах витрачається ззовні енергія використовується для підвищення температури вторинної пари.
Найбільшого поширення набули парострумінні теплові насоси, оскільки вони на відміну від механічних характеризуються простотою пристрою, малою вартістю і надійністю в роботі. У пароструминних теплових насосах робочий пар високого тиску Р0 розширюється в соплі інжектора і засмоктує вторинний пар тиску Р. Отримана суміш парів на виході з інжектора має деякий середній тиск Р2. При застосуванні пароструйного інжектора утворюється надлишок вторинного пара, який може бути використаний для обігріву наступних корпусів багатокорпусної випарної установки (рис. 48).
Витрата пара високого тиску в пароструминних насосах визначається виходячи з величини коефіцієнта інжекції (відношення кількості засмоктуваного пара G "до кількості робочого пара високого тиску G '):
Коефіцієнт інжекції визначають за формулою
Після стиснення в компресорі або пароструминних інжекторі пар стає перегрітою, і перед надходженням на обігрів апарату його зазвичай пропускають через зволожувач. В останній подають воду, яка, стикаючись з парою і поступово випаровуючись, переводить пар в насичене стан.
Якщо на зволоження надходить G) (кг / с) перегрітої пари з ентальпії / г, (кДж / кг) і подається вода температурою (° С) і питомою теплоємністю св [кДж / (кг-К)], то після зволоження кількість насиченого пара з ентальпії h2 (кДж / кг) становить (виходячи з теплового балансу зволоження)
Зі збільшенням різниці тисків, а отже, і різниці температур насичення гріє і вторинного пара робота, необхідна на стиск пара, збільшується. При цьому її збільшення приблизно пропорційно зазначеної різниці температур. Так як ця різниця дорівнює сумі температурного напору і депресії, то зі збільшенням температурної депресії розчину робота, необхідна для стиснення пари, зростає. На практиці застосування теплових насосів доцільно при депресії, що не перевищує 12 ° С.
Дивіться також