Выпарные аппараты периодического действия

Процесс выпаривания в аппаратах периодического действия протекает при непрерывном повышении концентрации, температуры кипения и изменении всех физико-химических свойств раствора. Существенную роль при расчете выпарных аппаратов периодического действия играет режим подачи раствора в аппарат. На практике применяют три варианта питания:

1) выпарной аппарат заполняют раствором до заданного уровня и затем подачу раствора прекращают. При этом по мере концентрирования раствора уровень его в аппарате уменьшается и по достижении заданной конечной концентрации раствора аппарат опорожняют. Этот вариант работы аппарата характеризуется непрерывным понижением уровня, т. е. уменьшением объема раствора в аппарате;

2) в аппарате поддерживают постоянный уровень раствора, непрерывно добавляя исходный раствор по мере испарения растворителя. Второй вариант характерен постоянным уровнем или объемом раствора в аппарате;

3) в аппарат, наполненный первоначально до некоторого уровня, непрерывно подают разбавленный раствор с таким расчетом, чтобы весовое количество раствора в аппарате оставалось постоянным в течение всего процесса выпаривания. Так как плотность раствора увеличивается по мере его концентрирования, то этот вариант характерен непрерывным понижением уровня (уменьшением объема) раствора в аппарате при постоянном весовом количестве.

В двух последних вариантах подача исходного раствора в аппарат начинается с момента закипания раствора. Следовательно, во всех трех вариантах расход тепла на нагревание раствора от начальной температуры до температуры кипения определяется из уравнения теплового баланса следующим образом:

, (10.26)

где – теплота, затрачиваемая на нагревание раствора, Дж; – количество исходного раствора, кг; – удельная теплоемкость исходного раствора, Дж/(кг×К); – начальная температура исходного раствора, °С; – первоначальная температура кипения раствора, °С; – потери тепла в окружающее пространство и нагревание самого аппарата, Дж.

Время нагревания раствора до температуры кипения определяем из уравнения

, (10.27)

где – коэффициент теплопередачи при нагревании, Вт/(м²×К); – температура теплоносителя, °С; – время нагревания, с.

Из уравнения (10.27) получаем:

. (10.28)

Температура раствора в процессе нагревания изменяется от до . Температура теплоносителя зависит от рода применяемого теплоносителя. Если выпарной аппарат обогревают теплоносителем с постоянным агрегатным состоянием (дымовые газы, воздух, высококипящие жидкости и. т. п.), то его начальная температура обычно постоянна (). Конечная температура теплоносителя по мере нагревания раствора может увеличиваться от () в начальный момент до () в конечный момент.

В этом случае

, (10.29)

где . (10.30)

Таким образом, применительно к данному случаю, уравнение (10.28) примет вид:

. (10.31)

Средняя температура теплоносителя определяется из уравнения

. (10.32)

При нагревании выпарного аппарата насыщенным водяным паром, температуру теплоносителя можно считать постоянной. Тогда

(10.33)

и . (10.34)

По уравнениям (10.31) и (10.34) можно также рассчитать необходимую поверхность нагрева выпарного аппарата, если задано время нагревания раствора от начальной температуры до температуры кипения раствора.

Расчет расхода тепла и необходимой поверхности нагрева в процессе выпаривания раствора зависит от режима работы аппарата, поэтому эти расчёты рассматриваются отдельно для каждого режима.