Матеріальний баланс випарного апарату може бути складений за повною кількістю речовини:
за концентрованим розчином:
де GП – загальна кількість речовини, що надходить в апарат, кг; GК – кількість речовини, що виходить з апарата, кг, W – продуктивність, кг/с, ХП, ХК – початкова та кінцева масові концентрації речовини, %.
Якщо задані GП, ХП, то, розв’язуючи одночасно обидва рівняння матеріального балансу, знаходимо:
Визначення температури кипіння розчину. Температура кипіння розчину визначається за формулою:
де: tBП – температура вторинної пари (визначається за тиском в апараті), 0С; ∆ – повна депресія, яка дорівнює різниці температур між температурами кипіння розчину та чистого розчинника при однаковому тиску.
Тепловий баланс складається з метою визначення витрати гріючої пари; для апаратів періодичної дії визначається також тривалість процесу.
Тепловий баланс для апарата періодичної дії складається на один цикл роботи. При цьому визначаються такі величини:
1. Витрата теплоти на підігрів розчину до температури кипіння:
де GП – кількість розчину, що надходить в апарат, кг; 
– питома теплоємність розчину, що надходить, Дж/(кг · К); t0 – початкова температура розчину, 0С.
2. Витрата гріючої пари на підігрів розчину до температури кипіння:
де 1,03 – коефіцієнт, що враховує втрати теплоти в навколишнє середовище; rГП – питома теплота утворення гріючої пари, Дж/кг.
3. Витрата теплоти на упарювання розчину:
де іВП – питома ентальпія вторинної пари, Дж/кг; сВ – теплоємність води при tКИП. Дж/(кгК).
4. Витрата гріючої пари на упарювання розчину:
Тоді загальні витрати пари у випарному апараті періодичної дії складають:
5. Тривалість періоду нагрівання:
де tГП – температура гріючої пари, 0С; F – площа поверхні теплопередачі, м2; К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2 · 0С.
Площу поверхні теплообміну F розраховують за формулою:
де q – питоме теплове навантаження, Вт/м 2.
Коефіцієнт теплопередачі К орієнтовно приймають у межах К=300 ÷ 750 Вт/(м2 K).
6. Тривалість періоду випаровування τ2 визначається з рівняння:
(31)
Рівняння (31) розв’язується за методом графічного інтегрування, якщо відомі залежності Q, К і t від концентрації розчину.
Загальна тривалість циклу складе:
Якщо випарний апарат працює безперервно, то витрата гріючої пари визначається з рівняння теплового балансу:
або
де τГП – питома теплота конденсації гріючої пари, Дж/кг; сП і сК теплоємність поступаючого відповідно на випарку розчину й упареного розчину, Дж/(кг . К); іВП – питома ентальпія вторинної пари, Дж/кг; сВ – питома теплоємність конденсату, Дж/(кг . К); t1 – температура розчину, що надходить у випарний апарат, 0С; QВТ – втрати теплоти в навколишнє середовище, Вт.
Теплове навантаження гріючої камери:
Корисна різниця температур або температурний напір у випарних апаратах періодичної дії визначається для двох періодів його роботи.
В апаратах безперервної дії корисну різницю температур визначають за формулою:
Процеси випаровування проводять під вакуумом при підвищеному та атмосферному тисках. Вибір тиску залежить від властивостей розчину і можливості використання тепла вторинної пари. Якщо випаровування відбувається під вакуумом, то процес можна проводити за нижчих температур, що дуже важливо при концентруванні розчинів таких речовин, що здатні розкладатися за підвищених температур. Випаровування під вакуумом широко використовують для концентрування висококип’ячих розчинів, а також для концентрування розчинів з використанням теплоносія невисоких параметрів. При цьому можна використати і вторинну пару самої випарної установки.
При випаровуванні під атмосферним тиском вторинна пара не використовується і не викидається в атмосферу. Цей спосіб є найбільш простим, проте неекономним. При випаровуванні під тиском також можна використати вторинну пару як для випаровування, так і для інших потерб, не пов’язаних з процесом випаровування.
Випаровування під атмосферним тиском, а також випаровування під вакуумом здійснюють в однокорпусних випарних апаратах. Однак найбільш поширеними в промисловості є багатокорпусні випарні установки. Вони складаються з кількох випарних апаратів або корпусів, в яких вторинна пара кожного попереднього корпусу (циклу) направляється як нагрівач у наступний корпус. В цих установках первинною парою обігрівається тільки перший корпус. Таким чином, в багатокорпусних установках досягається значна економія первинної пари.
Сучасні випарні установки мають великі поверхні нагрівання, які досягають іноді 2000 м2 в кожному корпусі і потребують багато тепла.
Схему багатокорпусної вакуум-випарної установки, яка працює за принципом прямоточного руху нагрівної пари і розчину, наведено на рис.26.
Установка складається з трьох корпусів. Вихідний розчин, який попередньо нагрітий в підігрівачі 4 до температури кипіння, надходить у корпус 1, що обігрівається свіжою (первинною) парою.
Рис. 26. Багатокорпусна прямоточна вакуумна випарна установка
Вторинна пара з цього корпусу направляється (як нагрівна) в корпус 2, де внаслідок зниженого тиску розчин кипить при меншій температурі, ніж у корпусі 1. Завдяки зменшеному тиску в корпусі 2 розчин, випарений у корпусі 1, переміщується самопливом в корпус 2 і тут нагрівається до температури кипіння (в корпусі 2). За рахунок тепла, що вивільнюється, додатково утворюється певна кількість вторинної пари. Таке явище, що відбувається у всіх корпусах, крім першого, називається самовипарюванням розчину. Аналогічно випарений розчин з корпусу 2 перетікає самопливом в корпус 3, який нагрівається вторинною парою, що надходить з корпусу 2. Вторинна пара з останнього корпусу відводиться в барометричний конденсатор 5, який через ловушку 6 сполучений з вакуум-насосом 7. В конденсаторі 5 (внаслідок конденсації пари) створюється необхідне розрідження. Витрата нагрівної пари на випаровування 1 кг води в багатокорпусних випарних установках наближено обернено пропорційна кількості корпусів.
Будова випарних апаратів. Конструкції випарних апаратів, які застосовуються в промисловості, залежать від поверхні нагрівання та її розміщення в просторі, від роду теплоносія, руху теплоносія і особливо вод, типу і кратності циркуляції розчину.
Випарні апарати поділяють на прямоточні, в яких випаровування відбувається за один цикл руху розчину через апарат, та апарати з багаторазовою циркуляцією розчину. Крім того, розрізняють періодичні і безперервнодіючі апарати.
Найпростіші апарати з вільною циркуляцією розчину – це періодичнодіючі відкриті випарні чаші з паровими сорочками або закриті котли з сорочками, які працюють під вакуумом. Їх застосовують на невеликих виробництвах при випаровуванні агресивних розчинів, з яких випадає тверда фаза. Поверхня нагріву і, відповідно, навантаження цих апаратів є незначними.
Апарати з винесеною нагрівальною камерою. Розміщення нагрівальної камери поза корпусом апарата дає можливість підвищити інтенсивність випаровування не тільки внаслідок збільшення різниці густини рідини і парорідинної суміші, а й завдяки збільшенню довжини кип’ятильних труб. Апарат з винесеною нагрівальною камерою має кип’ятильні труби до 7 м завдовжки. Він працює за більш інтенсивної звичайної циркуляції. Винесена нагрівальна камера легко відокремлюється від корпусу, що значно полегшує і прискорює очищення та ремонт. Це дає змогу випаровувати в таких апаратах концентровані розчини, незважаючи на швидке забруднення поверхні теплообміну. Апарати такого типу дуже поширені в промисловості.
Апарати з винесеною зоною кипіння за основними показниками роботи є ще кращими. В них (рис. 27) розчин надходить знизу в нагрівальну камеру 1 і, піднімаючись догори трубами завдожки 4-7 м, нагрівається, проте (внаслідок наявності гідростатичного тиску) в них не закипає. При виході з труб перегрітий розчин надходить у розширену догори трубу кипіння 2, яка встановлена в нижній частині сепаратора 3. Внаслідок значно нижчого гідростатичного тиску в цій трубі розчин закипає, пароутворення відбувається за межами поверхні нагрівання. Ці апарати мають велику швидкість циркуляції і пов’язані з цим велику продуктивність та інтенсивність теплообміну. Тому їх ефективно використовують для випаровування розчинів, що кристалізуються.
Рис. 27. Випарний апарат з винесеною зоною кипіння
Прямоточні (плівкові) апарати принципово відрізняються від апаратів зі звичайною циркуляцією тим, що випаровування в них відбувається при однократному проходженні розчину трубами нагрівальної камери без його циркуляції. Розчин випаровується, рухаючись у вигляді тонкої плівки внутрішньою поверхнею труб. У центральній частині труб вздовж їх осі рухається вторинна пара. Це різко знижує температурні витрати, які зумовлені гідростатичною депресією. Розрізняють прямоточні випарні апарати з плівкою, що піднімається, і апарати з плівкою, що опускається. Плівкові апарати застосовують переважно для випаровування слабов’язких розчинів, в тому числі й таких, що піняться або є чутливими до високих температур.
Роторні (механічні) прямоточні апарати використовують для випаровування термічно нестійких, в’язких і пастоподібних розчинів (рис. 28). Всередині циліндричного корпусу 1, що має парові сорочки 2, обертається ротор 3, який складається з вертикального валу і розміщених на ньому скребків 4. Розчин, що надходить в апарат згори, захоплюється скребками, які швидко обертаються. Під дією відцентрових сил він відкидається на стінки апарата, якими і переміщується у вигляді плівки. Плівка поступово випаровується, а на стінках апарата залишається тонкий шар порошку або пасти, який знімається зазначеними скребками. Твердий або пастоподібний продукт видаляється через секторний затвор. У роторних апаратах досягається досить інтенсивний теплообмін, проте вони складні і неекономічні при експлуатації.
Барботажні випарні апарати застосовуються для випаровування агресивних і висококип’ячих розчинів, таких, як: сульфатна, хлоридна і фосфатна кислоти, розчини мірабіліту, магній хлориду тощо. При цьому випаровування здійснюється внаслідок безпосереднього контакту розчину з нагрітими інертними газами: топкові гази, нагріте повітря.
Барботажні випарні апарати – це апарати з металічним кожухом, який футерований зсередини корозійностійкими матеріалами, такими як діабаз, кераміка, кислотривка або шамотна цегла тощо. Барботажні труби виготовляються з термосиліду, графіту та інших матеріалів.
Ще ефективніше випаровування досягається у випарних апаратах з зануреними пальниками, що мають вогнетривку насадку. За принципом випаровування вони є аналогічними до барботажних випарних апаратів. У барботажних випарних апаратах коефіцієнти теплопередачі є значно вищими, порівняно з установками, в яких випаровування здійснюється через стінку.
|
Рис. 28. Роторний прямоточний апарат
Спалювання (процес горіння)
Під часгоріння палива температура продуктів згорання підвищується до температури спалювання, що визначається потенційною енергією палива. Для обчислення температури горіння можна використовувати ентальпію продуктів згорання, а також ентальпію палива або повітря, оскільки тепловий баланс повинен виконуватись у всіх випадках. Кількість тепла, що виділилася при згоранні певної кількості палива WF з теплотою згорання НС, дорівнює:
(32)
Ця кількість тепла має дорівнювати кількості тепла, необхідного для підвищення температури потоків палива і повітря WA до температури горіння Q:
(33)
де сF і сА –середні питомі теплоємності палива і повітря; tF i tA – початкові температури палива і повітря.
Для забезпечення повного згорання палива вибирають певне відношення КА кількостей повітря і палива, що подаються, яке залежить від хімічного складу палива. Підставляючи КА замість виразу WA/WF, розв’яжемо рівняння (32) і (33) відносно температури горіння t:
(34)
Рівняння (34) справедливе лише для умов згорання палива з теоретично необхідною кількістю повітря. Промислові ж топки і печі, зазвичай, працюють з надлишком повітря. Вочевидь, при надлишку повітря максимально можлива температура горіння не досягається. Як видно з рівняння (34), температура повітря впливає на температуру горіння. Азот, що знаходиться в повітрі, не бере участі в процесі горіння і діє як розчинник, знижуючи температуру горіння. При використанні кисню замість повітря коефіцієнт КА може бути зменшений приблизно в п'ять разів при тій же температурі горіння.
