Контрольні запитання до IV розділу

1. Що таке випарювання?

2. Які гріючі агенти використовують під час випарювання?

3. За яких умов ведеться випарювання?

4. Однокорпусні випарні установки.

5. Матеріальний баланс.

6. Тепловий баланс. Для чого складається тепловий баланс?

7. Поверхня нагрівання.

8. Температурні втрати і температура кипіння розчинів.

9. Гідростатична депресія. Розрахунок гідростатичної депресії.

10. Гідравлічна депресія.

11. Температурна депресія. Розрахунок температурної депресії.

12. Розрахунок температури кипіння розчину.

13. Багатокорпусні випарні установки. В чому полягає перевага багатокор­пусних випарних установок над однокорпусними?

14. Основні схеми багатокорпусних установок.

15. В чому полягає принцип роботи багатокорпусної прямотечійної вакуум-випарної установки?

16. Багатокорпусна протитечійна випарна установка. Принцип її роботи.

17. Порівняння роботи прямотечійної і протитечійної багатокорпусних випарних установок.

18. Коли використовують багатокорпусні випарні установки з пара­лельним живленням корпусів?

19. Як скласти матеріальний баланс багатокорпусної випарної установки?

20. Тепловий баланс багатокорпусної випарної установки.

21. Загальна корисна різниця температур і її розподіл по корпусах.

22. В чому полягає метод розподілу сумарної корисної різниці температур за умови рівності поверхонь нагрівання корпусів багатокорпусної випарної установки?

23. Розподіл сумарної корисної різниці температур за умови міні­мальної сумарної поверхні нагрівання корпусів.

24. На основі яких критеріїв визначають вибір кількості корпусів?

25. Конструкції випарних апаратів.

26. Апарати з внутрішньою нагрівальною камерою і центральною циркуля­ційною трубою.

27. Апарати з підвісною нагрівальною камерою.

28. Апарати з виносною циркуляційною трубою.

29. Апарати з виносною нагрівальною камерою.

30. Порівняйте роботу апаратів з виносною циркуляційною трубою і з виносною нагрівальною камерою. Який з апаратів працює ефектив­ніше?

31. Апарати з виносною зоною кипіння.

32. Плівкові випарні апарати.

33. Роторні прямотечійні випарні апарати.

34. Апарати з вимушеною циркуляцією.

35. Апарати з тепловим насосом.

36. Області використання і вибір випарних апаратів.

37. Розрахунок багатокорпусних випарних апаратів.

Основні залежності та розрахункові формули до іv розділу

1. Рівняння матеріального балансу процесу випарювання:

; (ІV.1)

, (ІV.2)

де G_поч, G_кін – масові витрати початкового (вихідного) розчину і кінцевого (випареного) розчину, кг/с; х_поч, х_кін – масові частки розчиненої речовини в початковому і кінцевому розчині; W – масова витрата води, що випарюється, кг/с:

. (ІV.3)

2. Рівняння теплового балансу випарного апарата:

·i_вт + Q_вт ± Q_д, (ІV.4)

де Q – витрата теплоти на випарювання, Вт; с_поч, с_кін – питома теплоємність початкового (вихідного) і кінцевого (випареного) розчину, Дж/(кг·К); t_поч, t_кін – температура початкового розчину на вході в апарат і кінцевого на виході з нього у разі верхнього розвантаження, ⁰С; і_вт – питома ентальпія вторинної пари на виході її з апарата, Дж/кг; Q_вт – витрата теплоти на компенсацію втрат в навколишнє середовище, Вт; Q_д – теплота дегідратації, Вт.

3. Витрата теплоти на випарювання.

Із рівняння (ІV.4) одержимо:

Q = · (i_{вт –} с_в · t_кін) + Q_вт, (ІV.5)

де с_в – питома теплоємність води за t_кін, Дж / (кгК).

Якщо розчин надходить у випарний апарат в перегрітому стані (t_поч > t_кін), то Q_нагр = G_поч · c_поч · (t_кін – t_поч) має від’ємний знак, і витрата теплоти у випарному апараті зменшується, оскільки частина води випаровується за рахунок теплоти, що виділяється під час охолодження розчину, який надходить, від t_поч до t_кін. Величина G_поч · c_поч · (t_кін – t_поч) називається теплотою самовільного випаровування.

Витрату теплоти на компенсацію втрат в навколишнє середовище Q_втр під час розрахунку випарних апаратів приймають 3 – 5 % від суми (Q_нагр + Q_вип). Величину Q_втр можна розрахувати за рівнянням

Q_втр = α · F_зн · , (IV.6)

де α = α_л + α_к – сумарний коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням і конвекцією, Вт / (м²К); F_зн – площа зовнішньої поверхні теплоізольованого апарата, м²; t_ст – температура зовнішньої поверхні ізоляції, ⁰С або К.

Загалом в тепловому балансі випарного апарата необхідно враховувати витрати теплоти на дегідратацію розчиненої речовини, але переважно ця величина порівняно з іншими cкладовими теплового балансу є незначною і нею можна знехтувати.

Витрату гріючої пари G_г.п. (в кг / с) у випарному апараті визначають за рівнянням

, (IV.7)

де – питома ентальпія сухої насиченої пари, Дж/кг; – питома ентальпія конденсату за температури конденсації, Дж/кг; х – паровміст (ступінь сухості) гріючої пари; r_г.п. – питома теплота конденсації гріючої пари, Дж/кг.

Питома витрата пари на випаровування d є відношенням витрати гріючої пари G_г.п. до витрати води, що випаровується W:

d= G_г.п / W. (IV.8)

4. Теплоємність розчину.

Питому теплоємність розчину можна обчислити за загальною формулою

c = c₁ · x₁ + c₁ · x₁ + c₁ · x₁ +…, (IV.9)

де с₁, с₂, с₃,... – питомі теплоємності компонентів; х₁, х₂, х₃,... – їхні масові частки.

Для розрахунку питомої теплоємності двокомпонентних (вода + розчинена речовина) розбавлених водних розчинів (х < 0,2) використовують наближену формулу

с = 4190(1 – х). (IV.10)

Тут 4190 Дж/(кгК) – питома теплоємність води; х – концентрація розчиненої речовини, мас. частки.

Для концентрованих двокомпонентних водних розчинів (х > 0,2) питому теплоємність розраховують за формулою

с = 4190(1 – х) + с₁ х, (IV.11)

де с₁ – питома теплоємність зневодненої розчиненої речовини, Дж / (кгК).

Питому теплоємність хімічної сполуки за відсутності експериментальних даних можна приблизно розрахувати за рівнянням

Mc = n₁ C₁ + n₂ C₂ + n₃ C₃ + …, (IV.12)

де М – молекулярна маса хімічної сполуки; с – її масова питома теплоємність, Дж /(кгК); n₁, n_2, n₃,… – кількість атомів елементів, що входять до сполуки; С₁, С₂, С₃,... – атомні теплоємності, Дж / (кгатомК).

Розраховуючи за формулою (IV.12), застосовують значення атомних теплоємностей, наведені в табл. IV.1.

5. Температурний режим однокорпусної вакуум-випарної установки (рис. IV.1).

Таблиця IV.1

Елемент	Атомна теплоємність елементів для хімічних сполук, Дж/(кгатомК).		Елемент	Атомна теплоємність елементів для хімічних сполук, Дж/(кгатомК).
	у твердому стані	у рідкому стані		у рідкому стані	у твердому стані
C	7,5	11,7	F	20,95	29,3
H	9,6	18,0	P	22,6	31,0
B	11,3	19,7	S	22,6	31,0
Si	15,9	24,3	Решта	26,0	33,5
O	16,8	25,1

Позначення температур і тисків:

Барометричний конденсатор р₀, t₀

Паровий простір сепаратора р₁, t₁

Кипіння розчину в сепараторі р₁, t_кін

Кипіння в трубах (середнє значення) р_ср, t_кип

Гріюча пара р_г.п, t_г.п

Розбавлений розчин, що надходить

у випарний апарат t_поч

Співвідношення температур: t_г.п > t_кип > t_кон > t₁ > t₀.

Рис. IV.1. До визначення р_ср: 1 – нагрівальна камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляційна труба; 4 – водовимірне скло; 5 – барометричний конденсатор

Визначення і розрахунок t і p.

t₀ – температура вторинної пари в барометричному конденсаторі. Визначається як температура насичення за тиску р₀.

t₁ – температура вторинної пари в сепараторі випарного апарата. Визначається як температура насичення за тиску р₁:

t₁ = t₀ + t_г.с, (IV.13)

де Δt_г.с – гідравлічна депресія, під час зміни температури вторинної пари на ділянці сепаратор – барометричний конденсатор, спричинена зменшенням тиску пари через гідравлічний опір паропроводу вторинної пари Δр_г.с. Цей опір можна розрахувати за рівнянням

, (IV.13а)

де λ – коефіцієнт тертя; d_екв – еквівалентний діаметр, м; L – довжина труби, м; – швидкість потоку, м/с; h_під – втрати тиску на піднімання рідини.

Тиск р₁ визначається як

р₁ = р₀ + р_г.с (IV.14)

і величина гідравлічної депресії:

t_г.с = t₁ – t₀. (IV.15)

Значення Δt_г.с приймають за практичними даними таким, що дорівнює 0,5 = = 1,5 К.

Температура t_кін – це температура кипіння розчину в сепараторі випарного апарата, за якої випарений (кінцевий) розчин виводиться з апарата:

t_кін = t₁ + t_депр, (IV.16)

де Δt_депр – температурна депресія, що виражає зростання температури кипіння розчину порівняно з температурою кипіння чистого розчинника (води) за цього самого тиску, К:

t_депр = (t_розч – t_води)_р. (IV.17)

У випарних апаратах безперервної дії з природною або вимушеною циркуляцією концентрація киплячого розчину наближається до кінцевої, тому Δt_депр в цих апаратах беруть для розчину кінцевої концентрації х_кін.

Під час періодичного процесу випарювання, коли вихідний розчин цілком заливається в апарат до початку випаровування, Δt_депр визначають за середньої концентрації розчину.

В табл. 22Д наведено температури кипіння водних розчинів деяких солей за атмосферного тиску, а на рис. ХІХ показано значення Δt_депр.

Розрахунок температури кипіння розчинів та інших рідин за тисків, що відрізняються від атмосферного.

П е р ш и й с п о с і б. Якщо відомі дві температури кипіння цього розчину або органічної рідини за відповідних тисків, можна використати номограму (рис. 4Д) і рівняння:

, (IV.18)

де і – тиски насиченої пари двох рідин за температури t₁; , – тиски насиченої пари цих рідин за температури t₂; С – стала.

Температура кипіння рідини може бути також знайдена за правилом лінійності хіміко-технологічних функцій:

, (IV.19)

Таблиця IV.2

Відношення р/ро							Поправка ±Δt, К
0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3
Тиск р, мм рт. ст.
100	200	400	450	500	550	650	0,9
–	50	200	350	450	500	550	1,8
–	–	100	275	300	350	400	2,6
–	–	–	150	200	250	300	3,6

де і – температури кипіння рідини (розчину або індивідуальної речовини) за двох тисків р₁ і р₂; і – температури кипіння води або іншої еталонної рідини за тих самих тисків (рис. 9Д і 11Д).

Д р у г и й с п о с і б. Якщо для будь-якого розчину відома тільки одна температура кипіння за одного тиску, то можна визначити температуру кипіння цього розчину за другого тиску, скориставшись правилом Бабо:

(р / р₀)_t = const (IV.20)

з поправкою В.Н. Стабникова для концентрованих водних розчинів, що киплять під вакуумом (табл. IV.2), де р – тиск пари розчину; р₀ – тиск насиченої пари чистого розчинника за тієї самої температури.

Якщо теплота розчинення додатна (теплота виділяється під час розчинення), то поправка береться зі знаком плюс, якщо від’ємна – то зі знаком мінус.

Якщо тиск в апараті р ≠ 1 кг / см², то значення Δt_депр, знайдені за табл. 22Д, перераховують на відповідний тиск (див. приклад IV.8).

Температура t_кип – це середня температура кипіння розчину в трубах:

t_кип = t_кон + Δt_г.еф, (IV.21)

де Δt_г.еф – гідростатична депресія, або зростання температури кипіння розчину внаслідок гідростатичного тиску стовпа рідини в апараті (гідростатичний ефект).

Температура кипіння розчину у випарному апараті змінюється за висотою труб. Зазвичай середню температуру кипіння визначають на середині висоти нагрівальних труб, враховуючи гідростатичний тиск.

Тиск у середньому шарі розчину, що випарюється (див. рис. IV.1.):

р_ср = р₁ + 0,5_р gH_рів = р₁ + р_г.еф, (IV.22)

де Δр_г.еф – зростання тиску в рідині на глибині Н_рів / 2 від поверхні (так званий гідростатичний ефект); ρ_р – густина розчину.

Гідростатична депресія Δt_г.еф, пов’язана з величиною Δр_г.еф, залежить від висоти рівня розчину Н_рів, що визначається за водовимірним склом, і від густини розчину. Оптимальна висота рівня під час випарювання водних розчинів у випарних апаратах з природною циркуляцією розчину може бути розрахована за формулою (IV.1)

Н_опт = [0,26 + 0,0014(_р – ρ_в)] · Н_тр, (IV.23)

де Н_опт (Н_рів) – оптимальна висота рівня за водовимірним склом, м; Н_тр – робоча висота труб, м; ρ_р і ρ_в – густини розчину кінцевої концентрації (табл. 18Д) і води (табл. 1Д) за температури кипіння, кг / м³.

За відсутності даних для t_кип можна вважати, що

. (IV.24)

Величина Δt_г.еф визначається за рівнянням

t_г.еф = t_ср – t₁, (IV.25)

де t_ср – температура кипіння води за тиску р_ср.

Середня температура кипіння розчину:

t_кип = t_кін + t_г.еф = t₀ + t_г.с + t_депр + t_г.еф = t₀ + ∑Δt_втр, (IV.26)

де сума температурних втрат ∑Δt_втр:

∑Δt_втр = t_г.с + t_депр + t_г.еф. (IV.27)

Порядок розрахунку t_кип див. приклад IV.11.

Загальна і корисна різниця температур. Площа поверхні теплопередачі.

Різницю між температурою конденсації гріючої пари t_г.п і температурою конденсації вторинної пари в барометричному конденсаторі t₀ називають загальною різницею температур:

t_заг = t_г.п – t₀, (IV.28)

а різницю між температурою конденсації гріючої пари t_г.п і температурою кипіння розчину t_кип – корисною різницею температур:

t_пов = t_г.п – t_кип = t_заг – ∑Δt_втр. (IV.29)

Площа поверхні теплопередачі випарного апарата

, (IV.30)

де Δt_кор – середня рушійна сила t_сер.

У багатокорпусних випарних установках t_заг – різниця між температурою конденсації гріючої пари першого корпусу і температурою конденсації вторинної пари останнього корпусу; ∑Δt_втр = Δt_депр + Δt_г.еф + Δt_г.с – сума температурних втрат в усіх корпусах.

Розподіл корисної різниці температур між окремими корпусами здійснюється:

а) у разі розрахунку на мінімальну загальну площу поверхні всіх корпусів – пропорційно до

; (IV.31)

б) у разі розрахунку на однакову площу поверхні корпусів – пропорційно до відношення Q / K

(IV.32)

де Q_і – теплове навантаження корпусу; К_і – коефіцієнт теплопередачі в корпусі.