Расчет расхода теплоты на выпаривание
Выпаривание применяют для концентрации дубильных экстрактов и клеевых бульонов.
В начале процесса выпаривания диффузионные растворы содержат лишь 3 — 5 % таннидов, нетаннидов и нерастворимых дубильных веществ. Поэтому их необходимо концентрировать, выпаривая излишнее количество воды. Выпаривание проводят в специальных аппаратах, причем раствор должен быть в текучем состоянии. В ряде случаев при выпаривании достигается насыщение раствора (иногда с последующей кристаллизацией).
Отсюда
С учетом того что
Рациональный расход теплоты на этот процесс определяют расчетом теплового баланса выпаривания, в основу которого положен метод, предложенный в 1938 г. проф. А. Н. Тищенко. Тепловой баланс выпарного аппарата включает в себя приход теплоты с греющим паром и поступающим раствором и ее расход со вторичным паром, уходящим раствором, конденсатом, на компенсацию тепловых потерь в окружающее пространство, на дегидратацию:
Величина G\C\(t - t0) определяет расход теплоты на подогреЕ поступающего раствора до температуры кипения t, а величина W(hвт - св/0) — расход теплоты на испарение воды.
получим
Энтальпию вторичного пара hBT определяют по давлению в аппарате и находят по таблицам. Теплота дегидратации представляеч собой расход энергии на повышение концентрации раствора в равна теплоте разбавления раствора.
Тепловые потери в окружающее пространство зависят от площади поверхности выпарного аппарата и составляют 5 — 8 % расхода теплоты на испарение воды.
Пример 1. Определение расхода теплоты и греющего пара, идущих на выпаривание клеевых бульонов от начальной концентрации хн = 28 % до конечной концентрации хк = 40 %.
При конечной концентрации бульона температура кипения составляет по замерам 75 °С, а количество выпаренной воды
Теплоемкость 28%-ного клеевого бульона
При давлении 0,02 МПа температура равна 60 °С, а энтальпия пара /гвт = 2610 • 103 Дж/кг. Тогда расход теплоты без учета теплоты дегидратации и потерь в окружающее пространство составит
Тепловые потери рассчитывают по формуле
При многократном выпаривании, когда вторичный пар каждого корпуса используется для обогрева последующих корпусов, давление от корпуса к корпусу уменьшается. Поэтому температура кипения раствора в каждом последующем корпусе ниже температуры кипения раствора в предыдущем корпусе. Применение многокорпусных установок дает значительную экономию греющего пара. Фактический расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды ориентировочно составляет: в однокорпусной выпарной установке — 1,1; в двухкорпусной — 0,57; в трехкорпусной — 0,4; в четырехкорпусной — 0,3 кг.
Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно направлять на обогрев последующего корпуса не целиком, а использовать также для предварительного подогрева раствора, обогрева воздуха приточной вентиляции и других технологических нужд. Пар, отводимый на другие установки, называют экстрапаром. При расчете удельных расходов теплоты необходимо учитывать отвод экстрапара.
В многокорпусных выпарных установках экономия пара достигается в результате увеличения поверхности нагрева. При одной и той же температуре греющего пара и температуре вторичного пара в конденсаторе суммарная поверхность нагрева двухкорпусной установки будет примерно в два раза больше, чем в однокорпусной.
Температура кипения растворов по корпусам устанавливается в зависимости от поверхности нагрева каждого корпуса и коэффициентов теплопередачи в них. Средством, регулирующим температуру, является изменение отбора экстрапара.
Расчет многокорпусных установок довольно сложен, поэтому сначала проводят приближенный расчет, а затем его уточняют.
При приближенном расчете расход греющего пара равен количеству выпариваемой воды, т.е. принято, что для получения 1 кг вторичного пара расходуется 1 кг греющего пара.
Пример 2. Пусть в каждом корпусе выпарной установки с п числом корпусов выпаривается Wкг воды, а из предпоследнего (п - 1)-го корпуса отбирается Еп_ j кг экстрапара. Тогда в (п - 1)-м корпусе должно выпариваться Wn + Еп _ j кг воды. При отборе из (п - 2)-го корпуса Еп _ 2 кг экстрапара в этом корпусе должно выпариваться Wn + Еп _ j + Еп _ 2 кг воды и т.д.
Таким образом, количество воды, выпариваемой по корпусам, составляет
Складывая почленно эти уравнения, получим общее количество воды, выпаренной в установке
Отсюда можно определить количество воды, выпариваемой в последнем корпусе
При отсутствии отбора экстрапара количество выпариваемой воды по всем корпусам одинаково: Wn = W/n.
Расход греющего пара на первый корпус равен количеству воды, выпариваемой в этом корпусе, т.е.
или
Из формулы следует, что количество греющего пара, затрачиваемого на получение экстрапара, меньше, чем количество образующегося экстрапара. При этом по мере удаления точки отбора экстрапара от 1-го корпуса расход греющего пара уменьшается. Так, в четырехкорпусной установке (п = 4)
т.е. на 1 кг экстрапара, отбираемого из 1-го корпуса, затрачивается 0,75 кг греющего пара, а на 1 кг экстрапара, отбираемого из 2-го и 3-го корпусов, соответственно 0,5 и 0,25 кг греющего пара.
Для определения точного расхода греющего пара на 1-й корпус и количества выпаренной воды по корпусам надо составить уравнения теплового баланса для каждого корпуса и решить их совместно. Приведем эти уравнения в случае трехкорпусной установки с прямоточным питанием:
В приведенную систему трех уравнений входят четыре неизвестных: A, Wh W2 и Ж3. Необходимое для решения системы четвертое уравнение имеет вид
Расход греющего пара на процесс выпаривания
где г — удельная теплота парообразования греющего пара для 1-го корпуса, кДж/кг.
Пример 3. Расчет трехкорпусной выпарной установки с прямоточным питанием для выпаривания раствора NaOH.
Экстрапар отбирают для подогрева раствора.
Определение количества выпариваемой воды и расхода экстрапара Определяем количество выпариваемой воды
Определяем расход экстрапара. Принимаем температуру подогрева раствора равной 115°С, тогда расход теплоты на подогрев
Так как параметры экстрапара пока неизвестны, принимаем теплоту его испарения равной 2260 • 103 Дж/кг, что соответствует абсолютному давлению 105 Па. Расход экстрапара в этом случае составит
Это количество необходимо распределить между экстрапаром, отбираемым из 1-го (Е{) и 2-го (Е2) корпусов. Распределение может быть сделано более или менее произвольно, причем выгоднее, чтобы отбор из 2-го корпуса был больше, чем из 1-го корпуса. Принимаем Е{ = 0,75 кг/с, Е2 = 1,39 кг/с.
Определяем концентрации раствора после прохождения 1-го и 2-го корпусов:
Приближенный расчет
Полезный температурный напор, °С,
Полезный температурный напор на один корпус (при одинаковом распределении), °С,
Распределение температур по корпусам приведено в табл. 19.
Определяем полезный температурный напор и распределение его по корпусам. Принимаем гидростатическую депрессию д" = 2 °С и гидравлическую депрессию д"' = 1 °С. Температурные депрессии находим при конечной концентрации раствора в каждом корпусе, причем для 3-го корпуса вносим поправку на давление. Для первых двух корпусов, работающих под давлением, близким к атмосферному, поправкой на давление пренебрегаем. Определенные таким путем температурные депрессии составляют. °С,
Ниже приводятся значения удельных теплоемкостей поступающего в корпуса раствора:
Составим уравнения теплового баланса:
Отсюда находим
Тепловые нагрузки по корпусам:
Для расчета подогревателей отбирается экстрапар двух параметров, поэтому устанавливаем два подогревателя, через которые последовательно проходит раствор. Чтобы достигнуть возможно большего подогрева, 2-й по ходу раствора подогреватель должен обогреваться экстрапаром из 1-го корпуса, имеющим более высокую температуру. Экстрапаром из 2-го корпуса обогревается раствор в 1-м по ходу раствора подогревателе.
Тепловой баланс 1-го подогревателя:
После прохождения 1-го подогревателя температура раствора V = 84 °С. Тепловой баланс 2-го подогревателя:
После прохождения второго подогревателя температура раствора Г = 115 °С.
В выпарных аппаратах с тепловым насосом вторичный пар сжимается до давления греющего пара и используется для обогрева того же аппарата, в котором образуется. Для сжатия пара применяют компрессоры или пароструйные инжекторы. Таким образом, в тепловых насосах затрачиваемая извне энергия используется для повышения температуры вторичного пара.
Наибольшее распространение получили пароструйные тепловые насосы, поскольку они в отличие от механических характеризуются простотой устройства, малой стоимостью и надежностью в работе. В пароструйных тепловых насосах рабочий пар высокого давления Р0 расширяется в сопле инжектора и засасывает вторичный пар давления Р{. Полученная смесь паров на выходе из инжектора имеет некоторое среднее давление Р2. При применении пароструйного инжектора образуется избыток вторичного пара, который может быть использован для обогрева последующих корпусов многокорпусной выпарной установки (рис. 48).
Расход пара высокого давления в пароструйных насосах определяется исходя из величины коэффициента инжекции (отношение количества засасываемого пара G" к количеству рабочего пара высокого давления G'):
Коэффициент инжекции определяют по формуле
После сжатия в компрессоре или пароструйном инжекторе пар становится перегретым, и перед поступлением на обогрев аппарата его обычно пропускают через увлажнитель. В последний подают воду, которая, соприкасаясь с паром и постепенно испаряясь, переводит пар в насыщенное состояние.
Если на увлажнение поступает G) (кг/с) перегретого пара с энтальпией /г, (кДж/кг) и подается вода температурой (°С) и удельной теплоемкостью св [кДж/(кг- К)], то после увлажнения количество насыщенного пара с энтальпией h2 (кДж/кг) составляет (исходя из теплового баланса увлажнения)
С увеличением разности давлений, а следовательно, и разности температур насыщения греющего и вторичного пара работа, требуемая на сжатие пара, увеличивается. При этом ее увеличение приблизительно пропорционально указанной разности температур. Так как эта разность равна сумме температурного напора и депрессии, то с увеличением температурной депрессии раствора работа, необходимая для сжатия пара, возрастает. На практике применение тепловых насосов целесообразно при депрессии, не превышающей 12 °С.
Смотрите также
- Тепловой баланс технологического процесса
- Расход теплоты на подготовку технологического процесса
- Расчет поверхности теплообмена в теплообменных аппаратах
- Расход теплоты на удаление влаги в процессах сушки
- Расчет расхода теплоты на выпаривание
- Расчет расхода теплоты на адсорбцию
- Расход теплоты на отопление и вентиляцию промышленных предприятий
- Расход теплоты на вентиляцию
- Расход теплоты на горячее водоснабжение
- Расчет тепловых потерь в окружающее пространство