3. Принципова схема однокорпусного вакуум-випарного апарату.

Однокорпусний випарний апарат зазвичай складається з гріючої камери (кип'ятильника), в якому здійснюється нагрів до кипіння упарюємого розчину; сепаратора, в якому пар відділяється від упареного розчину і циркуляційної труби, що з'єднує сепаратор з гріючою камерою. В апаратах з природною або вільною циркуляцією, закипаючий в кип'ятильнику розчин утворює пароводяну суміш, яка завдяки меншій ніж у розчину густині, піднімається вгору і потрапляє в сепаратор, в сепараторі пар відокремлюється від розчину, а останній спрямовується в кип'ятильнику на місце видаляємої пароводяної суміші. Вихідна суміш вводиться в апарат перед кип'ятильником, а упарений розчин видаляється через спеціальний штуцер з сепаратора. В апаратах зі штучною циркуляцією руху розчину через кип'ятильник інтенсифікується завдяки установці спеціального циркуляційного насоса.

В апаратах, що працюють під атмосферним тиском, вторинний (соковий) пар з сепаратора, пройшовши через бризкоуловлювачь, викидається в атмосферу. У вакуум-випарних апаратах вакуум (розрідження) створюється за рахунок того, що вторинний пар потрапляє в барометричний конденсатор, де конденсується охолоджуючою водою. Не сконденсована частина пара, а також повітря, що міститься в парі, відсмоктується з конденсатора вакуум-насосом. Охолоджуюча вода в суміші з конденсатом через барометричну трубу і гідрозатвор (барометричний ящик) зливається в каналізацію і надходить на градирню для охолодження та вторинного використання. Барометрична труба повинна мати певну висоту, яка залежить від величини розрідження (вакууму) в барометричному конденсаторі.

4. Методика розрахунку випарного апарату.

Розрахунок випарного апарату зводиться в принципі до наступного:

1) З рівняння матеріального балансу визначається кількість випарюємої води.

2) Складається розрахункова схема апарату.

3) Розраховується температурний режим процесу.

4) З рівняння теплового балансу визначається кількість тепла, що передається від гріючої пари до упарюємого розчину.

5) Визначаються витрати гріючої пари.

6) Визначається необхідна поверхня нагріву кип'ятильника, що являється кінцевою метою розрахунку, тому що саме по поверхні нагріву вибирається або конструюється випарний апарат.

Якщо випарної апарат працює під розрідженням, то додатково може визначатися:

1) Витрата охолоджуючої води на барометричний конденсатор (за цим параметром підбирається барометричний конденсатор).

2) Кількість повітря, відкачуваного вакуум-насосом з барометричного конденсатора (за цим параметром підбирається вакуум-насос).

3) Висота барометричної труби, яка залежить від величини розрідження (вакууму) в конденсаторі.

5. Основні розрахункові формули.

1) Рівняння матеріального балансу процесу упарки:

(5.1)

та

, (5.2)

де G_п та G_к - масові витрати вихідного і упареного розчину, кг/год;

W - кількість випарюємої води, кг/год;

Х_п і Х_к - концентрації (масові частки) розчиненої речовини в початковому і упареному розчині.

Звідки:

(5.3)

(5.3’)

2) Рівняння теплового балансу випарного апарату:

(5.4)

Звідки можна визначити витрату тепла на випарювання:

, (5.4’)

де С_п і С_к - питомі теплоємності вихідного і упареного розчинів, Дж/кг∙К;

t_п і t_к - температура вихідного (на вході в апарат) і упареного (на виході з апарату) розчину, °С;

i_Вт.п - питома ентальпія вторинної пари на виході з апарату, Дж/кг;

С_в - питома теплоємність води при t_к, Дж/кг∙К;

С_в = 4190 Дж/кг∙К;

Q_вт - втрати тепла в навколишнє середовище, Вт (звичайно Q_пот = 3 - 5% Q)

Для розрахунку питомої теплоємності двокомпонентних (вода + розчинена речовина) розбавлених розчинів можна застосувати наближену формулу:

Дж/кг∙град (5.5.)

де х - концентрація розчиненого речовини, масові долі.

3) Температурний режим однокорпусної вакуум-випарної установки.

Позначення температур і тисків (див. розрахункову схему):

барометричний конденсатор - P₀; t₀

паровий простір сепаратора - P₁; t₁

кипіння розчину в сепараторі - P₁; t_к

кипіння в трубках гріючої камери - P_ср; t_кип

гріючий пар - P_г.п; t_г.п

вихідний розчин на вході в апарат - t_н

Визначення і розрахунок температур і тисків

Температура вторинної пари в барометричному конденсаторі t₀ визнається як температура кипіння води при тиску Р₀.

Температура вторинної пари в сепараторі t₁ визначається як температура кипіння води при тиску Р₁:

, (5.6)

де t_{г. с} - гідравлічна депресія або зміна температури вторинного пара на ділянці сепаратор - барометричний конденсатор, викликане падінням тиску пари через гідравлічний опір паропроводу вторинної пари ΔP_{г. с}.

Тиск вторинної пари в сепараторі:

, кг/см² (5.7)

Зазвичай Δt_г.с приймають рівним 0,5 - 1,5 °С.

Температура кипіння розчину в сепараторі, при якій упарений розчин виводиться з апарату:

, °С (5.8)

де t_депр - температурна депресія, що виражає підвищення температури кипіння розчину порівняно з температурою кипіння чистого розчинника (води) при тому ж тиску:

(5.8’)

Середня температура кипіння розчину в трубах гріючої камери:

, °С (5.9)

де Δt_г.е - гідростатична депресія (гідростатичний ефект), або підвищення температури кипіння розчину внаслідок гідростатичного тиску стовпа рідини.

Величина Δt_г.е визначається за рівнянням:

, °С (5.10)

де t_ср - температура кипіння води при середньому значенні тиску розчину в трубах гріючої камери Р_ср.

4) Загальна і корисна різниця температур

Різниця між температурою конденсації пари, що гріє t_г.п, і температурою конденсації водяної пари в барометричному конденсаторі t₀ називають загальною різницею температур, тобто

, °C (5.11)

а різниця між температурою конденсації пари, що гріє t_г.п і температурою кипіння розчину t_к називають корисною різницею температур, тобто

, °С (5.12)

5) Площа поверхні нагріву гріючої камери випарного апарату:

, м² (5.13)

де Δt_ср = Δt_кор - середня рушійна сила процесу.

6) Витрата гріючої пари:

, кг/с (5.14)

де r_г.п - питома теплота конденсації пари, що гріє при тиску Р_г.п , Дж/кг.

Питома витрата гріючої пари:

(5.15)