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 a₁ и a₂ и количество выпаренной воды ( в кг) через W. Тогда можно написать уравнения материального баланса по всему количеству вещества:

G₁=G₂+W (6-5)

и по растворенному веществу:

G₁a₁=G₂a₂ (6-6)

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 a₂ , тогда, решая совместно уравнения (6-5) и (6-6), находим:

(6-7)

(6-8)

Уравнение (6-8) дает возможность определить количество выпаренной воды.

Иногда бывают заданы G_1, W и a₁ ; тогда из уравнений (6-5) и (6-6) вычисляют конечную концентрацию раствора:

(6-9)

а из уравнений (6-5) находят G₂.

Пример 6-2.На выпаривание поступает G₁=25 000 кг/ч раствора NaOH концентрацией a₁=28 вес. %. Конечная концентрация раствора a₁ =40 вес. %. Определить количество выпаренной воды и упаренного раствора.

Решение. Количество выпаренной воды вычисляем по формуле (6-8):

кг/ч

Количество упаренного раствора составляет

G₂=25000-7500=17500 кг/ч

Пример 13-3. На выпаривание поступает G₁=40 000 кг/ч раствора концентрацией a₁=8 вес.%. Количество выпаренной воды W=18 000 кг/ч . Определить концентрацию и количество упаренного раствора.

Решение. Концентрацию упаренного раствора находим по формуле (6-9):

или 14,6 вес.%

Количество упаренного раствора:

G₂ =40 000-18 000=22 000 кг/ч

Тепловой баланс выпарного аппарата

Составим уравнение теплового баланса выпарного аппарата для выпариваемого раствора:

Приход тепла	Расход тепла
Отдается нагревающим агентом ……………………………Q	С вторичным паром…………..….Wi
С поступающим раствором …………………..…G1c1t0	С уходящим раствором………..G2c2t
	На дегидратацию…………….….Qдег.
	Потери в окружающую среду……Qп

Таким образом

Q+G₁c₁t₀=Wi+G₂c₂t+Q_дег.+Q_п (6-10)

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

t₀ t-температуры поступающего и уходящего растворов, град;

i - энтальпия вторичного пара, дж/кг.

Теплота дегидратации представляет собой затрату тепла на повышение концентрации раствора; она равна по величине и обратна по знаку теплоте разбавления раствора. Таким образом, если при разбавлении раствора водой выделяется тепло, то при его концентрировании тепло поглощается. Обычно теплота дегидратации невелика и поэтому не учитывается.

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

G₁c₁t=G₂c₂t+Wc_вt

Откуда

G₂c₂=G₁c₁-Wc_в

где c_в- удельная теплоемкость воды, дж/кг град.

Подставляя значение G₂c₂ в уравнение (6-10), получим

Q=G₁c₁(t-t₀)+W(i- c_вt)+ Q_дег.+Q_п

Если пренебречь тепловой дегидратации и потерями тепла, то предыдущее уравнение запишется в виде

Q=G₁c₁(t-t₀)+W(i- c_вt) (6-11)

В этом уравнении член G₁c₁(t-t₀) представляет собой расход тепла на подогрев поступающего раствора до температуры кипения, а член W(i- c_вt) –расход тепла на испарение воды.

Входящая в уравнение теплового баланса удельная теплоемкость раствора может быть подсчитана в зависимости от его концентрации а по приближенной формуле

с=c_тв.a+c_в(1-a) (6-12)

где c_тв. –удельная теплоемкость безводного твердого растворенного вещества.

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

Определив по уравнению (6-11) расход тепла на выпаривание (тепловую нагрузку аппарата), вычисляют расход греющего пара обычным способом.

В первом приближении, пренебрегая расходом тепла на подогрев раствора и приравнивая разность (i- c_вt) к теплоте испарения, можно найти, что расход греющего пара равен количеству выпариваемой воды, т.е. с помощью 1 кг греющего пара выпаривается 1 кг воды. В действительности, с учетом затраты тепла на подогрев раствора, расход греющего пара выше и составляет 1,1-1,2 кг.

Многокорпусные выпарные установки

Принцип действия

В многокорпусной выпарной установке вторичный пар ка­ждого корпуса (кроме последнего) используется для обогрева следующего корпуса. Давление от корпуса к корпусу умень­шается так, чтобы температура кипения раствора в каждом кор­пусе была ниже температуры насыщения пара, обогревающего этот корпус.

Применение многокорпусных выпарных установок дает зна­чительную экономию пара. Если приближенно принять, что с помощью 1 кг греющего пара в однокорпусном аппарате выпа­ривается 1 кг воды, то в многокорпусной выпарной установке на 1 кг греющего пара, поступившего в первый корпус, прихо­дится количество килограммов выпаренной воды, равное числу корпусов, т. е. расход греющего пара на выпаривание 1 кг воды обратно пропорционален числу корпусов.

Так, в двухкорпусной выпарной установке одним килограм­мом греющего пара, поступившим в первый корпус, выпари­вается в нем 1 кг воды, а образовавшимся при этом одним ки­лограммом вторичного пара выпаривается во втором корпусе еще 1 кг воды; таким образом, всего на 1 кг греющего пара выпаривается 2 кг воды, а расход пара на 1 кг выпариваемой воды составляет 0,5 кг. Аналогично можно найти, что расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды в трехкорпусной вы­парной установке составляет 0,33 кг, в четырехкорпусной — 0,25 кг и т. д.

Действительный расход греющего пара на 1 кг выпаривае­мой воды несколько выше и в среднем составляет (в кг):

В однокорпусной выпарной установке ... 1,1

В двухкорпусной » » ... 0,57

В трехкорпусной » » ... 0,4

В четырехкорпусной » » ... 0,3

В пятикорпусной » » ... 0,27

Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно не целиком направлять на обогрев следующего корпуса, а частично отводить на сторону и использовать для предварительного по­догрева раствора, поступающего на выпаривание, или для дру­гих технологических целей, не связанных с выпариванием. От­водимый на сторону вторичный пар называется экстра-паром. Экстра-пар может быть отобран из любого корпуса, кроме последнего. Из последнего корпуса не производят отбора экстрапара, так как вторичный пар оттуда направляется в конденса­тор; если же выпаривание ведется под давлением, вторичный пар можно полностью использовать вне выпарной установки.

Преимущество отбора заключается в том, что возрастание расхода греющего пара при отборе экстра-пара меньше, чем количество отбираемого экстра-пара; целесообразнее отбирать экстра-пар не из первых, а из последующих корпусов.

В многокорпусных выпарных установках экономия пара до­стигается за счет увеличения поверхности теплообмена. Срав­ним, например, однокорпусную и двухкорпусную установки, ра­ботающие при одинаковой температуре греющего пара, равной 110 °С и одинаковом вакууме в конденсаторе, соответствующем температуре конденсации вторичного пара 50 °С.

В этом случае, пренебрегая температурными потерями, по­лучим для однокорпусной установки температурный напор 110 — 50 = 60 °С. В двухкорпусной установке температура ки­пения в первом корпусе должна быть выше 50° С и ниже 110 °С; примем ее равной 80 °С, так что температурный напор в первом корпусе будет 110 — 80 = 30 °С, а во втором корпусе составит 80 — 50 = 30 °С. Тепловая нагрузка каждого корпуса двухкор­пусной установки в 2 раза меньше нагрузки однокорпусной установки, температурный напор в каждом корпусе тоже в 2 раза меньше. Следовательно, поверхность каждого корпуса бу­дет такой же, как поверхность однокорпусного аппарата. Полная поверхность обоих корпусов двухкорпусной установки будет в 2 раза больше, чем поверхность однокорпусного аппарата. Об­общая этот вывод, можно сказать, что поверхность многокор­пусной установки больше поверхности однокорпусной в число раз, равное количеству корпусов. Если учесть температурные потери, то увеличение поверхности теплообмена многокорпусной установки будет еще больше.

В приведенном примере температура кипения в первом кор­пусе была выбрана произвольно для того, чтобы получить рав­ные температурные напоры по корпусам. В действительности температуры кипения по корпусам устанавливаются сами со­бой в зависимости от поверхности отдельных корпусов и коэф­фициентов теплопередачи в них. Если, например, в одном из корпусов коэффициент теплопередачи понизится, то поступаю­щий на обогрев этого корпуса вторичный пар из предыдущего корпуса не будет полностью конденсироваться и давление (а следовательно, и температура) в предыдущем корпусе повы­сится, пока не установится новое распределение температур.

Таким образом, температуры в отдельных корпусах при ра­боте установки не регулируются. Единственной возможностью регулирования этих температур является изменение отбора экс­тра-пара. При увеличении отбора экстра-пара из какого-либо корпуса количество пара, поступающего на обогрев следующего корпуса, уменьшится и температура в нем понизится.