Полезная разность температур при выпаривании
Полезная разность температур
Общая полезная разность температур равна:
Полезные разности температур по корпусам (в 0 С) равны:
где tп – полезная разность температур, 0 С; tГ – температура греющего пара корпусе, 0 С; tк – температура кипения раствора в корпусе, 0 С;
Тогда общая полезная разность температур:
Проверим общую полезную разность температур:
где tбк – температура греющего пара в первом корпусе, 0 С; tбк – температура греющего пара в барометрическом конденсаторе, 0 С; – температурная депрессия, 0 С; – гидростатическая депрессия, 0 С;
– гидродинамическая депрессия, 0 С.
Определение тепловых нагрузок
Расход греющего пара в 1-й корпус, производительность каждого корпуса по выпаренной воде и тепловые нагрузки по корпусам определим путем совместного решения уравнений тепловых балансов по корпусам и уравнения баланса по воде для всей установки:
где 1,03 – коэффициент, учитывающий 3% потерь тепла в окружающую среду; сн, с1, с2 – теплоемкости растворов исходного, в первом и во втором корпусах, кДж/(кг·К) [5]; Q1конц, Q2конц, Q3конц – теплоты концентрирования по корпусам, кВт; tн – температура кипения исходного раствора при давлении в 1-ом корпусе, 0 С; IГ1, IГ2, IГ3 – соответственно, удельная энтальпия греющего пара в первом, втором и третьем корпусах, кДж/кг; Iвп1, Iвп2, Iвп3 – соответственно, удельная энтальпия вторичного пара в первом, втором и третьем корпусах, кДж/кг; w1, w2, w3 – соответственно, массовый расход выпариваемой воды в первом, втором и третьем корпусах, кг/с; tк1, tк1, tк1 – соответственно, температура кипения раствора в первом, втором и третьем корпусах, 0 С; Gн – начальный расход, кг/ч;
где ? / н – температурная депрессия для исходного раствора, 0 С; tвп -температура вторичного пара в первом корпусе, 0 С; tн – температура кипения исходного раствора, 0 С.
tн = 128,98+1,0 = 129,98 0 С.
Рассчитаем теплоту концентрирования для 3-го корпуса, т.к. анализ показывает, что она наибольшая:
где Q3конц – теплота концентрирования в третьем корпусе, кВт; Gсух – производительность аппарата по сухому К2CO3, кг/с; ?q – разность интегральных теплот растворения при концентрациях х2 и х3, кДж/кг [5].
Сравним Q3конц с ориентировочной тепловой нагрузкой для 3-го корпуса Q3ор:
Поскольку Q3конц составляет менее 3% от Q3ор, то в уравнениях тепловых балансов пренебрегаем величиной Qконц.
Получим систему уравнений:
Решение системы уравнений дает следующие результаты:
Наибольшее отклонение вычисленных нагрузок по испаряемой воде в каждом корпусе от предварительно принятых не превышает 3%, поэтому в дальнейших расчетах не производим пересчет концентраций и температур кипения растворов по корпусам.
Таблица 3. Параметры растворов и паров по корпусам
ВЫПАРИВАНИЕ ВЫТЯЖЕК. ПОБОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, НАБЛЮДАЕМЫЕ ПРИ ВЫПАРКЕ.
Выпариванием называется процесс концентрирования жидких растворов нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя при кипении жидкости.
Процесс выпаривания в галеново- фармацевтическом производстве широко
применятся при получении жидких и густых экстрактов и является промежуточной операцией при производстве сухих экстрактов.
В процессе выпаривания парообразование происходит в объеме выпариваемой жидкости за счет подвода тепловой энергии.
Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, который называется греющим, или первичным.
Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.
Процесс выпаривания в производстве фитопрепаратов- важная ТС.
От условий ее проведения в значительной степени зависит качество и выход готовой продукции.
Выпаривание проводят с целью удаления экстрагента и получения концентрированных вытяжек (при производстве густых и сухих экстрактов).
При выпаривании расходуется большое количество тепла и эта стадия весьма энергоемкая.
Теплоносителем обычно служит водяной пар. Для выпаривания вытяжек с термолабильными веществами используют нагретую воду.
Для создания выпарных установок применяют углеродистые и легированные стали, включающие никель и другие металлы.
Для концентрирования извлечений в производстве фитопрепаратов используют вакуум-выпарные установки.
Преимущества вакуум-выпарных установок.
· при выпаривании в вакууме возможно проведение процесса при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов термолабильных веществ, какими являются природные соединения лекарственных растений;
· при разрежении увеличивается полезная разность температур (движущая сила процесса выпаривания) между греющим агентом и раствором, что позволяет интенсифицировать процесс, уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочих равных условиях);
· достигается наибольший коэффициент теплопередачи, гак как кипение в условиях вакуума протекает интенсивнее, легче удаляются газы, мешающие теплопередаче.
· Интенсивность процесса выпаривания определяется числовыми значениями коэффициента теплопередачи и полезной разности температур. Чем они больше, тем интенсивнее протекает выпарка.
Этот вывод вытекает из основного уравнения теплопередачи:
Q-количество теплоты, Дж;
△tср – полезная разность температур между теплоносителями и вытяжкой; определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи (температурный напор);
К – коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдаль всей поверхности теплообмена (F, м 2 ) и вычислительный по формуле
Побочные явления при выпаривании:
1. Инкрустация – образование накипи на стенках выпарителя, при этом понижается скорость процесса кипения.
2. Температурная депрессия – изменение T кипения, связанное с изменением соотношения экстрагента и продукта. Чем меньше становится кол-во экстрагента при выпаривании, тем сильнее нужно нагревать вытяжку. Для ликвидации этого явления используется вакуум.
3. Пенообразование – происходит потеря продукта
4. Брызгоунос – происходить потеря продукта
5. Гидростатический эффект – преодоление гидростатического давления для нагревания.
Борьба с побочными явлениями:
· Использование тонкопленочных выпарительных установок
· Выпаривание тонким слоем под вакуумом при перемешивании
СУШКА ЭКСТРАКТОВ
Контактная сушка – в технологической схеме есть стадия сгущения экстракта
Конвективная сушка – без стадии сгущения
вакуум-вальцовые сушилки.
– корпуса с рубашкой для обогрева стенок сушилки;
– внутри корпуса смонтировано два полых
– валка, вращающихся навстречу друг другу;
Внутрь валков через полый вал подают пар, а с другой стороны отводят конденсат.
В процессе вращения валков густой экстракт наносят на их поверхность тонким слоем, в результате обогрева валка из него за половину оборота испаряется влага.
Сухой экстракт удаляют с поверхности валка с помощью скребка.
Испарительная способность в вакуум – вальцовых сушилках достигает 70 кг испаряемой жидкости в час с 1 м 2 поверхности нагрева валков.
– процесс сушки протекает быстро при низкой температуре;
– сухой экстракт выводится из сферы нагрева благодаря скребкам;
Температурные потери при выпаривании;
В процессе выпаривания растворов возникают температурные потери, общая величина которых складывается из физико-химической (концентрационной) температурной депрессии гидростатической депрессии и гидравлической депрессии
Физико-химическая температурная депрессия равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя (температурой вторичного пара) при данном давлении. Раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Для раствора поваренной соли NaCI по мере повышения концентрации температура кипения повышается до тех пор, пока раствор не достигнет предельной концентрации 26 %. При такой концентрации и атмосферном давлении раствор закипит при температуре 107,5 о С, а выделяющиеся пары растворителя будут иметь температуру 100 о С, т.е. температуру кипения чистой воды.
Таким образом, при кипении раствора в выпарном аппарате температура выделяющегося пара всегда меньше температуры кипения раствора. Эту разность температур и называют физико-химической температурной депрессией или просто температурной депрессией и обозначают :
(1.6)
где температура кипения раствора; tв.п – температура выделяющихся паров растворителя (воды).
Температурная депрессия увеличивается с повышением концентрации раствора и различна для разных растворов. В справочниках обычно приводятся значения температурной депрессии для кипящих растворов при нормальном атмосферном давлении. Для расчета температурной депрессии растворов при давлениях, отличных от нормального, при наличии данных из таблиц для нормальной депрессии пользуются формулой И.А. Тищенко
(1.7)
где – температурная депрессия при данном давлении; – температурная депрессия при нормальном давлении; Т – абсолютная температура кипения воды при данном давлении; r – теплота парообразования воды при данном давлении.
Формула (1.7) дает удовлетворительные результаты только для водных растворов, обладающих малой температурной депрессией.
Значения нормальной температурной депрессии для некоторых растворов в зависимости от их концентрации приведены на рис. 1.4.
При нахождении температурной депрессии по формуле (1.6) необходимо определять температуру кипения раствора при различных давлениях. Для этого можно использовать эмпирический закон Бабо, по которому отношение давления насыщения пара рр при той же температуре есть величина постоянная, для данной концентрации не зависящая от температуры кипения, т.е. [1]
. (1.8)
Рис. 1.4. Изменение температурной депрессии в зависимости от концентрации раствора при кипении:
Таким образом, если температура кипения раствора данной концентрации при атмосферном давлении известна, то вычислить температуру кипения его при любом другом давлении просто. Следует иметь в виду, что закон Бабо дает достаточно точные результаты только для разбавленных (слабо концентрированных) растворов.
На рис. 1.5. представлена схема и температурный график выпарной установки с учетом всех видов депрессий.
На оси абсцисс графика представлены температуры, а на оси ординат показаны положения температурных точек в установке. В соответствии с изложенным выше точка 4 соответствует средней температуре кипения раствора, а разность между точками 4 и 7 характеризует все виды депрессий. Следовательно, разность между температурами греющего пара (точка 2) и кипения раствора (точка 4) является полезной разностью температур.
Рис. 1.5. Схема аппарата и температурный график выпарной установки:
1-2-конденсация греющего пара (без учета охлаждения конденсата); 3-5- изменение температуры кипения под действием гидростатического столба жидкости; 4 – температура кипения раствора; 5-6 концентрационная температурная депрессия; 6-7-гидродинамическая температурная депрессия
При выпаривании циркулирующих растворов температурную депрессию следует вычислять по конечной концентрации раствора, а при отсутствии циркуляции, т.е. при однократном прохождении раствора, по средней его концентрации в корпусе.
Повышение температуры кипения растворов вследствие гидростатического давления. В выпарном аппарате давление на жидкость в верхних и нижних слоях неодинаково, следовательно, температура кипения раствора по всей высоте аппарата также различна. Пузырьки пара, находящиеся в нижних слоях жидкости, и, следовательно, должны иметь большее давление, чем на поверхности. Этим объясняется более высокая температура кипения жидкости в нижних слоях.
Гидростатическое давление в среднем слое будет равно, Па,
(1.9)
где плотность раствора в п-ном корпусе, кг/м 3 ; высота столба жидкости в аппарате, м; g – ускорение силы тяжести, м/с 2 .
Если прибавить это давление к давлению в паровом пространстве аппарата, то получим общее давление на средней глубине жидкости , и по таблицам насыщенного водяного пара находиться температура кипения воды, соответствующая этому давлению. Вычитая из найденной температуры температуру кипения воды при данном давлении в паровом пространстве, получим температурную потерю вследствие гидростатического давления. В дальнейшем эту потерю по отдельным корпусам будем обозначать через
Практически гидростатическое давление оказывает меньшее влияние на температурные потери, чем это следует из формулы (1.9), так как при кипении образуется смесь пара с жидкостью, и поэтому значительно уменьшается плотность столба жидкости в трубах.
Гидростатический эффект стремятся свести к минимуму, конструируя выпарные аппараты таким образом, чтобы процесс выпаривания протекал в весьма тонком слое. Можно считать, что в аппаратах пленочного типа влияние гидростатического давления практически полностью устранено [2].
Охлаждение вторичного пара в паропроводах между корпусами. Вторичный пар, следуя из парового пространства предыдущего корпуса в нагревательную камеру следующего корпуса, должен преодолеть некоторое сопротивление; это вызывает уменьшение его давления, приводящее к понижению температуры пара. При этом чем больше скорость пара в паропроводе и длиннее паропровод, тем большим будет снижение температуры. На основании опытных данных падение температуры в паропроводах между всеми корпусами без большой ошибки принимают обычно одинаковым и равным 0,5-1,5 о С для каждого аппарата [2].
1.3. Типовые конструкции выпарных аппаратов [1-5]
В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:
– по расположению поверхности нагрева – на горизонтальные, вертикальные и, реже, наклонные;
– по роду теплоносителя – с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом. Чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом;
– по способу подвода теплоносителя – с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);
– по режиму циркуляции – с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;
– по кратности циркуляции – с однократной и многократной циркуляцией;
– по типу поверхности нагрева – с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенный, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.
К конструкции выпарных аппаратов предъявляются следующие требования:
– простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;
– стандартизация узлов и деталей;
– соблюдение требуемого режима (температура, давление, время пребывания раствора в аппарате), получение полупродукта или продукта необходимого качества и требуемой концентрации, устойчивость в работе, по возможности более длительная работа аппарата между чистками при минимальных отложениях осадков на теплообменной поверхности, удобство обслуживания, регулирования и контроля за работой;
– высокая интенсивность теплопередачи (высокое значение К), малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.
Более существенным признаком классификации выпарных аппаратов является характер движения растворов в аппарате и кратность его циркуляции. Можно выделить: аппараты с естественной циркуляцией раствора; с принудительной циркуляцией и пленочные. Особое положение занимают контактные выпарные аппараты с погружными горелками.
1.3.1. Циркуляция растворов в выпарных аппаратах [4, 5]
Циркуляция растворов в выпарных аппаратах улучшает теплообмен и уменьшает отложения солей на стенках труб. Образующиеся в растворе кристаллы выделяются из пульпы в специальных солеотделителях, фильтрах и центрифугах. Для устранения инкрустации поверхности нагрева скорость раствора на входе в греющие трубы должна быть не менее 2,5 м/с.
В аппаратах может быть применена однократная и многократная циркуляция раствора, причем многократная циркуляция может быть естественной и принудительной.
Кратностью циркуляции К называют отношение количества раствора G, кг/ч, проциркулировавшего через сечение растворного пространства выпарного аппарата, к количеству выпаренной влаги W, кг/ч:
Естественная циркуляция (рис. 1.6) возникает из-за разности плотностей кипящего раствора в опускных каналах и кипящего раствора в подъемных трубах . Движущий напор рдв в циркуляционном контуре длиной L можно выразить следующей формулой:
рдв=L(). (1.11)
При установившемся режиме циркуляции этот напор уравновешен суммой гидравлических сопротивлений в опускном и подъемном каналах контура:
рдв = (1.12)
Чем меньше , т.е. чем больше доля пара в парожидкостной смеси, тем больше движущий напор и тем выше скорость циркуляции. С увеличением скорости раствора растетет гидравлическое сопротивление тракта. Скорость циркуляции раствора может быть найдена при совместном решении уравнений (1.11) и (1.12), если движущий напор и сопротивления в контуре будут выражены в виде функции скорости циркуляции. Расчет производится с учетом следующих допущений:
1. Скорость пара относительно раствора равна нулю.
2. Коэффициент теплопередачи и температурный напор между греющим паром и раствором по высоте труб приняты постоянными.
3. Введено понятие приведенной скорости – скорости одной из фаз, отнесенной к полному сечению канала. Так, приведенная скорость пара, образующегося на выходе из кипятильной трубы, выражается равенством
=W
где W=– паропроизводительность кипятильной трубы, кг/с; – плотность пара, кг/м 3 ; r – теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг; dвн и L1 – внутренний диаметр и длина кипятильной трубы, м; К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 · К); – температурный напор между греющим паром и кипящим раствором, К.
Источники:
https://m.studwood.ru/1930297/tovarovedenie/poleznaya_raznost_temperatur
https://megaobuchalka.ru/14/11653.html
https://studopedia.su/9_57666_temperaturnie-poteri-pri-viparivanii.html
