ГМиТП

ривание, рассчитывается по уравнению:

Q Qв Qпот ,	(6)
где Qв – количество теплоты, отдаваемое греющей водой в процессе выпа-
ривания, Дж; Qпот – тепловые потери в окружающую среду, Дж.
Qв m1c1 t1н t1к ,	(7)

где m1 ,c1 ,t1н ,t1к – параметры горячего теплоносителя: масса воды, расходуемая за время τ, кг; удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); начальная и конечная температуры, °С.

Потери теплоты в окружающую среду
Qпот пот Fап tст tвозд ,	(8)

где αпот – коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата в окружающую среду при потерях теплоты излучением и конвекцией, Вт/(м2·К); Faп – площадь наружной поверхности аппарата, участвующая в теплообмене между горячим теплоносителем и наружной окружающей средой, м2; tст, tвозд – температура наружной стенки выпарного аппарата и окружающего воздуха, °С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата воздуху при потерях теплоты излучением и конвекцией определяется по формуле

пот 9,3 0,058tст .

(9)

Количество теплоты, израсходованной на выпаривание, складывается из затрат ее на нагревание исходной жидкости до температуры кипения (Q1), на испарение растворителя (Q2), на изменение внутренней энергии раствора при концентрировании (тепловой эффект повышения концентрации – Q3), на подогрев самого аппарата до темпе-

ратуры кипения (Q4) и на покрытие тепловых потерь (Qпот), при этом:
Q1	m2c2 tкип t2н ;	(10)
Q2	Wr ;	(11)
Q3 mтв q		(12)

где m2,C2н,t2н – параметры исходного раствора: масса, кг; удельная теплоемкость, Дж/ (кг·К); температура, °С; mтв – масса твердого вещества в растворе, кг; W – масса испаренного растворителя, кг; tкип – температура кипения раствора в выпарном аппарате, °С; q – интегральный тепловой эффект концентрирования раствора в пересчете на 1 кг растворенного вещества, Дж/кг.

Таким образом,

Q Q1 Q2 Q3 Q4 Qпот .

(13)

При работе установки в режиме непрерывного действия слагаемое Q4 не учитывается, так как связано с пусковым периодом.

41

Температуру кипения раствора в выпарном аппарате можно рассчитать по формуле

	(14)
tкип to ,

где to – температура вторичного пара при давлении Ро в сепараторе, оС;– температурная депрессия, определяемая по концентрации упарен-

ного раствора и давлению в сепараторе, °С, ' – гидростатическая депрессия, оС.

Температурная депрессия – это разность температур кипения раствора и чистого растворителя при давление в сепараторе. Темпера-

турную депрессию рассчитывают по формуле:
f атм ;	(15)

где f - поправочный коэффициент, учитывающий отличие давления в сепараторе от атмосферного,

f 16,2 To2 ro ;

атм – температурная депрессия при атмосферном давлении, °С; То – температура вторичного пара, К; го – удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Гидростатическая депрессия показывает повышение температуры кипения раствора за счет гидростатического давления столба жидкости в трубах кипятильника.

	(16)
tc to ,

где tc – температура кипения растворителя при давлении на середине столба жидкости в трубе Рс, °С.

Давление на середине столба жидкости
Pc Po 0,5 pHypg ,	(17)

где р – плотность упаренного раствора, кг/м3, Hyp – уровень раствора в кипятильнике, м.

Для технических расчетов можно принять Hyp 0,5H (Н – длина

трубы кипятильника).

При работе установки в режиме непрерывного действия температура кипения раствора постоянна, температура горячего теплоносителя - переменна. В этом случае среднюю разность температур теплоносителей находят или как среднее арифметическое между перепадами температур на границах процесса, если отношение большего перепада к меньшему менее или равно 2, или как среднюю логарифмическую разность, если отношение перепадов больше 2.

42

Описание установки

На рисунке изображена схема выпарной установки. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией с вынесенной греющей камерой состоит из греющей камеры (кипятильника) 1, сепаратора 2, циркуляционной трубы 3 и трубы вскипания 4. Кипятильник 1 представляет собой кожухотрубчатый одноходовой теплообменник, в межтрубное пространство которого подается горячая вода из термостата 5. Исходный раствор из мерной емкости 6 засасывается через смотровой фонарь 7 в трубы кипятильника, где поддерживается разряжение. Раствор кипит в трубах кипятильника, и образующаяся парожидкостная смесь по трубе вскипания 4 выбрасывается в сепаратор 2, где происходит отделение вторичного пара от упаренного раствора. Вторичный пар конденсируется в конденсаторе-холодильнике 8, охлажденный конденсат собирается в вакуум-приемнике 9. Разрежение в установке создается и поддерживается масляным пластинчато-роторным ваку- ум-насосом 11. Для контроля за остаточным давлением в системе на ресивере 10 установлен вакуумметр 12. Упаренный раствор после окончания упаривания сливается в заранее взвешенную емкость.

	Т1
2
4	8

1

вода

			3	9
70,00	5	6		12
		7		10
				11

43

Методика выполнения работы

Перед началом работы проверить, закрыты ли все краны на установке. Включить нагреватели и насос термостата 4 для подачи горячей воды в межтрубное пространство кипятильника. Подать охлаждающую воду в конденсатор-холодильник 7. Открыть воздушник ресивера 10 и пустить вакуум-насос 11, строго соблюдая правила пуска и остановки. Закрыть воздушник и постепенно отсосать воздух из установки, следя за показаниями вакуумметра 12.

Когда установится нужное разрежение в системе, снять отсчет уровня раствора в мернике 6, приоткрыть кран на линии подачи исходного раствора и подать в кипятильник 1 литр раствора.

Отобрать пробу исходного раствора и установить его концентрацию рефрактометрическим методом и плотность по графику

(прил.1, рис. I).

Когда выпарится примерно половина раствора и количество собранного конденсата в вакуум-приемнике будет приближаться к 0,5 л., замерить скорость отбора конденсата и рассчитать скорость подачи исходного раствора, при которой концентрация жидкости в кипятильнике будет оставаться постоянной. Наблюдая в смотровой фонарь 2, отрегулировать подачу раствора в кипятильник.

В период работы установки в режиме непрерывного действия снять замеры:

массы греющей воды методом отбора ее в сборник за промежуток времени с последующим взвешиванием;

температуры воды на входе в кипятильник и на выходе из него; температуры вторичного пара в сепараторе; температуры стенки кипятильника.

Проработав в заданном режиме (при постоянной концентрации раствора в кипятильнике) 10 минут, прекратить подачу исходного раствора и сбросить вакуум, для чего открыть воздушники ресивера и вакуум-приемника. Выключить насос и нагреватели термостата, слить в приемники упаренный раствор и конденсат вторичных паров, взвесить их и определить концентрацию упаренного раствора на рефрактометре. Снять отсчет уровня в мернике исходного раствора.

Промыть установку: создать малый вакуум, засосать в кипятильник холодную воду до ее появления в сепараторе, сбросить разрежение, выключить вакуум-насос, прекратить подачу охлаждающей воды в конденсатор-холодильник и в рубашку вакуум-насоса. Через 10-15 минут слить воду из аппарата и вылить ее в канализацию.

44

Результаты эксперимента и их обработка

Используя данные замеров и анализов, рассчитать количество растворенного вещества в исходном и упаренном растворах и по уравнениям материального баланса установить потери раствора и растворенного вещества. Заполнить таблицу 1.

							Таблица 1
	dн =	хн			dк =		хк
	Приход	Масса, кг			Расход	Масса, кг
		всего	соли	воды		всего	соли	воды
	Исходный				Упаренный
	раствор				раствор
					Выпаренная
					вода
					Потери
	Итого				Итого
					Потери, %

По уравнениям (6-8) рассчитать количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, потерянное в окружающую среду и расход теплоты на выпаривание.

По концентрации упаренного раствора определить значение температурной депрессии при атмосферном давлении (прил.1, табл. 2), и по формуле (15) рассчитать температурную депрессию. Рассчитать гидростатическую депрессию по формуле (16), для чего по температуре вторичного пара найти давление в сепараторе [3, стр. 548549], по уравнению (17) рассчитать давление на середине столба жидкости в трубах и в справочной литературе [3, стр. 549-550] найти значение tс, соответствующее Рс. По формуле (14) определить температуру кипения раствора в аппарате. Так как установка в период снятия замеров работает в установившемся режиме, температуру раствора в аппарате можно считать постоянной, равной температуре кипения.

Составить схему изменения температур теплоносителей и рассчитать среднюю разность температур теплоносителей.

По размерам трубчатки кипятильника установить площадь поверхности теплообмена. Подставив в уравнение (1) все известные величины, найти значение коэффициента теплопередачи кипятильника установки, сравнить его со справочным значением [3, стр.172].

Результаты замеров и расчета занести в таблицу 2.

45

Таблица 2

	Величина	Обозна-	Значе-
		чения	ние
1.	Концентрация раствора, %
	исходного	хн
	упаренного	хк
2.	Масса греющей воды, кг	m1
3.	Продолжительность отбора греющей воды, с
4.	Температура греющей воды, оС
	на входе в кипятильник	t1н
	на выходе из кипятильника	t1к
5.	Температура вторичного пара, оС	tо
6.	Температурная депрессия, оС
7.	Гидростатическая депрессия, оС
8.	Температура кипения раствора, оС	tкип
9.	Средняя разность температур теплоносителей, оС	tср
10.Количество теплоты, отданное греющей водой,Дж		Qв
11.Потери теплоты, Дж		Qпот
12.Количество теплоты на выпаривание, Дж		Q
13. Площадь поверхности теплообмена, м2		F
14. Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К)		K

При расчете использовать следующие справочные данные:

диаметр корпуса кипятильника	160 х 5 мм;
диаметр трубок кипятильника	12 х 1 мм;
число трубок 37;
длина трубок 250 мм.

46

Контрольные вопросы

1.Физическая сущность процесса выпаривания, области приме-

нения.

2.Устройство и принцип действия выпарного аппарата.

3.Общий и частный материальные балансы выпарной установ-

ки.

4.Основное уравнение теплопередачи. Расчет величин, входящих в уравнение.

5.Определение количества теплоты, расходуемой на выпарива-

ние.

6.Расчет расхода теплоты в выпарном аппарате.

7.Физический смысл и расчет температурной депрессии.

8.Гидростатическая депрессия и ее расчет.

9.Расчет температуры кипения раствора в кипятильнике.

10.Методы определения средней разности температур теплоносителей при расчете процессов теплообмена.

11.Определение потерь теплоты в окружающий воздух.

Библиографический список

1.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Уч. для вузов. 12-е изд., стереотипное, дораб. Перепечатка с девятого изд. 1973 г. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.

2.Ю.И.Дытнерский Процессы и аппараты химической технологии. Изд. 2-ое в 2 книгах. М., Химия, 1995 г.

3.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Уч. пособие для вузов. 12-е изд., стереотипное. Перепечатка с изд.1987 г. – М.

:ООО ТИД «Альянс», 2005 г.

4.Дж.Перри. Справочник инженера-химика, т.1, т.II, М.: изд. Химия, 1969 г.

5.Процессы и аппараты лесохимических и гидролизных производств / Селянина Л. И., Третьяков С.И., Филиппов Б.С. и др.: СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 1994.

6.Справочник химика, т.V, изд.Химия, 1968.

48

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Справочные данные для расчетов

Таблица 1

Коэффициенты местных сопротивлений

Вид сопротивлеЗначение коэффициента местного сопротивления ния

Внезапное

расширение

	w0					Re										F0/F1
										0,1		0,2			0,3			0,4		0,5			0,6
			F0 F1			10				3,1		3,1			3,1			3,1		3,1			3,1
F0	–		площадь			100				1,7		1,4			1,2			1,1		0,9			0,8
						1000				2,0		1,6			1,3			1,05		0,9			0,6
меньшего				попе-
						3000				1,0		0,7			0,6			0,4		0,3			0,2
речного			сечения,
м2; w0 – скорость						3500			0,81			0,64			0,5			0,36		0,25			0,16
потока в меньшем						и более
сечении, м/с; F1 –
площадь			больше-
го	поперечного
сечения, м2;
	Вентиль					d, мм		10			20	40		80		100		150	200		250			350
	нормальный						10,8				8,6	4,9		4,0		4,1		4,4	4,7		5,1			5,5

	Кран		d, мм	10	13	19	25	32	38	50 и
										выше
	пробочный
				6	4	2	2	2	2	2

49

													Продолжение таблицы 1
	Вид сопротивле-		Значение коэффициента местного сопротивления
	ния
	Отвод круглого
	или квадратного		Коэффициент сопротивления без учета потерь на
	сечения
									трение АВ
	d
			Угол ,			20		30	45		60			90			110	130		150			180
			град.
	R		А			0,31		0,45	0,6		0.78			1,0			1,13	1,2		1,28			1,4
	d – внутренний
	диаметр трубо-
			R0/d			1		2		4			6				15		30			50
	провода, м; R0 –		В		0,21			0,15		0,11			0,09				0,06		0,04			0,03
	радиус изгиба
	трубы, м.

Таблица 2

Значения плотности влажного комнатного воздуха

Температура,		Барометрическое давление, мм рт.ст.
оС	730	740	750	760	770
15	1,173	1,190	1,206	1,222	1,238
20	1,152	1,168	1,184	1,199	1,215
25	1,131	1,146	1,162	1,177	1,193

Примечание. Относительная влажность 50 %.

Таблица 3

Температурные депрессии водных растворов NaCl различной концентрации х при атмосферном давлении

х , %	атм, оС	х , %	атм, оС	х , %	атм, оС
3	0,50	8	1,48	13	2,65
4	0,70	9	1,70	14	3,25
5	0,90	10	1,90	15	3,50
6	1,06	11	2,15
7	1,25	12	2,40

50

nD 1,3591,357 1,355 1,353 1,351 1,349 1,347 1,345 1,343 1,341 1,339 1,337 1,335 1,333

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

х, %

Рис. 1. Зависимость показателя преломления nD от концентрации водных растворов хлористого натрия х .

, кг/м3

1110

1100

1090

1080

1070

1060

1050

1040

1030

1020

1010

1000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

х, %

Рис. 2. Зависимость плотности от концентрации водных растворов хлористого натрия х .

51