Лабораторна робота № 12

Випарювання в однокорпусній випарній установці

Мета роботи – ознайомитися з процесом випарювання в однокорпусній установці під вакуумом та з розрахунком процесу випарювання; перевірити рівняння матеріального і теплового балансів; порівняти розрахункові та дослідні теплові характеристики процесу випарювання.

Основні теоретичні положення

Випарювання – процес концентрування розчинів, який полягає в частковому видаленні розчинника шляхом його випаровування при температурі кипіння. Процес пароутворення до настання моменту кипіння називають випаровуванням.

Внаслідок випарювання із розчину видаляється розчинник, а нелеткі речовини залишаються в розчині в незмінній кількості, але в концентрованому стані. Випарювання дає змогу одержати не лише концентровані розчини, а й перенасичені, в яких відбувається кристалізація з метою виділення нелетких речовин у твердому вигляді (наприклад, кристалічного цукру, кухонної солі тощо). У ряді випадків випарюванням користуються, щоб одержати чистий розчинник (дистилят).

Випарювання широко застосовують у багатьох галузях харчової промисловості (цукровій, крохмале-патоковій, консервній, молочній, кондитерській, пивобезалкогольній та ін.), у хімічній, фармацевтичній тощо.

Процес випарювання здійснюють у випарних апаратах, що складаються з двох основних елементів: нагрівальної камери і сепараційного простору [паросепаратора). У нагрівальній камері теплота передається від теплоносія до киплячого розчину, у паросепараторі від киплячого розчину відділяється пара. Спрощену схему випарного апарата показано на рис. 12.1.

На випарювання витрачається велика кількість теплоти. Як теплоносій найчастіше використовують водяну пару, що конденсується, рідше — високотемпературні теплоносії і дуже рідко — електричний струм.

У

Рис. 12.1. Схема випарного

апарата з оболонковою

нагрівною камерою:

1 – паросепараційний простір;

2 – нагрівальна камера

харчовій промисловості випарюванню найчастіше підлягають водні роз­чини, тому випарений розчинник являє собою практично чисту водяну пару, що має назвувторинної пари, яку доцільно використовувати повторно. Теп­лоносієм є, як правило, водяна пара, яку називають нагрівною або первин­ною парою.

У процесі випарювання в міру концентрування змінюються фізичні влас­тивості розчину: зі збільшенням концентрації сухої речовини (СР) підвищу­ються густина, в’язкість, температура кипіння розчину, знижуються його теплоємність і теплопровідність, що призводить до зниження коефіцієнта тепловіддачі й суттєво впливає на температурний і гідродинамічний режими роботи апарата. Концентрування розчину призводить до відкладання накипу (інкрустації поверхні теплопередачі) і виділення кристалів розчинених ре­човин.

Випарювання можна проводити при різному тиску, що дає змогу зміню­вати температуру кипіння розчину. Випарювання при пониженому тиску (вакуумі) дає можливість знижувати температуру кипіння розчину. При підвищеному тис­ку зростає температура кипіння і з’являється можливість використовувати вторинну пару, але це може призвести до термічного розкладання ряду органічних речовин і кінцевий продукт може набути небажаного смаку, за­паху, кольору або навіть змінити хімічний склад. Щоб зберегти якість тер­молабільних (термонестійких) продуктів (особливо концентрованих), випа­рювання слід проводити при найнижчих температурах, що досягається зас­тосуванням розрідження. Для цього вторинну пару треба або відсмоктувати вакуумним насосом, або подавати в конденсатор, де вона конденсується при тиску, нижчому за атмосферний.

Випарювання можна здійснювати в окремих випарних апаратах (одно-корпусні випарні установки) або в ряді послідовно з’єднаних випарних апа­ратів — у багатокорпусних випарних установках (БВУ). За режимом про­ведення процесу розрізняють періодичне і безперервне випарювання. Періо­дичне випарювання здійснюють в окремих апаратах, безперервне — як в окремих, так і в БВУ. При періодичному випарюванні початковий розчин спочатку доводять до температури кипіння. Під час кипіння розчин концент­рується до заданого вмісту СР.

Періодичне випарювання застосовують у малотоннажних виробництвах, коли потрібно досягти високих концентрацій розчинів, а також тоді, коли випарювання супроводжується іншими технологічними процесами, що відбу­ваються в цьому самому апараті (наприклад, кристалізацією).

При безперервному випарюванні маємо усталений процес у часі, тобто в установку безперервно в постійній кількості надходять початковий розчин і нагрівна пара, а з установки також безперервно і в постійній кількості відво­дяться концентрований розчин (кінцевий продукт), вторинна пара і конден­сат нагрівної пари.

Для випарювання 1 кг води в окремому апараті потрібно 1,03…1,1 кг нагрівної пари. З такою витратою її можна погодитися лише тоді, коли ви­парювання в однокорпусних апаратах зумовлене технологічними вимогами.

Економічність процесу випарювання можна підвищити, використовуючи теплову енергію вторинної пари, що виходить із випарного апарата. Енергію вторинної пари можна використовувати в БВУ і в однокорпусних установ­ках з тепловим насосом.

Загальна і корисна різниця температур. Температурні втрати

Необхідною умовою процесу випарювання є наявність перепаду температури. Звичайно в однокорпусних випарних установках відомі температури нагрівного агента (нагрівної пари) і вторинної пари. Найвищу температуру має первинна нагрівна пара (агент), нижчу – киплячий розчин, ще нижчу – вторинна пара, що виходить з апарата.

Різницю між температурами нагрівної пари (або нагрівного агента) t_Н і вторинної пари t_в.п називають загальною різницею температур випарного: апарата

. (12.1)

Рушійною силою процесу теплопередачі при випарюванні є різниця між температурою нагрівної пари t_Н і температурою кипіння розчину t_кип, яку називають корисною різницею температур або температурним напором:

. (12.2)

Зниження температури на всіх стадіях процесу випарювання, крім стадії процесу теплопередачі, вважають температурними втратами. До температур-них втрат в однокорпусній випарній установці зараховують фізико-хімічну і гідростатичну депресії.

Розчини киплять при температурі вищій, ніж температури кипіння чистого розчинника. Різницю між температурою кипіння розчину t_кип і чистого розчинника (як правило води) t_в.п при однаковому тиску називають фізико-хімічною депресією:

. (12.3)

Температура кипіння чистого розчинника дорівнює температурі вторинної пари, що утворюється над ним.

Температура кипіння розчину, а отже, і фізико-хімічна депресія залежать від природи розчину і розчиненої речовини, концентрації розчину і тиску. Фізико-хімічну депресію звичайно визначають дослідним шляхом при атмосферному тиску. Наприклад, фізико-хімічна депресія цукрових розчинів масовою концентрацією 15, 30, 50, 70 і 80 %, що киплять при атмосферному тиску, дорівнює відповідно 0,2; 0,6; 1,8; 5,0 і 9,6 °С. Для тисків, що відрізняються від атмосферного, фізико-хімічну депресію обчислюють за формулою І. О. Тищенка

(12.4)

де Т – температура кипіння чистого розчинника, К; r – питома теплота випаро-вування чистого розчинника при заданому тиску, Дж/кг.

У випарному апараті температура кипіння розчину за висотою нагрівальної камери не є постійною, оскільки на розміщені нижче шари рідини діє не лише тиск у паросепараторі, а й гідростатичний тиск вищерозміщеного шару киплячого розчину, що зумовлює підвищення його температури кипіння. Різницю між температурою кипіння розчинника при тиску р_ср в середньому за висотою шарі розчину (або в середній частині кмп’ятильних труб) t_ср і температурою вторинної пари t_в.п при тиску в апараті р_ап, зумовлену гідростатичним тиском рідини, називають гідростатичною депресією:

. (12.5)

Тиск у середній частині стовпа рідини, Па,

, (12.6)

де р_ап – тиск в апараті, Па; h – висота стовпа рідини, м; ρ_пр – густина парорідинної суміші в апараті, кг/м³; g – прискорення вільного падіння, м/с₂.

Для приблизних розрахунків можна прийняти, що доля пари в киплячому розчині (паронаповнення) ε = 0,5. Тоді густина парорідинного середовища дорівнює половині густини розчина . Тому

. (12.7)

В багатокорпусних апаратах існують ще і температурні втрати, спричинені опором паропроводів вторинної пари, які називають гідродинамічною депресією Δ_гд. Остання викликана втратою тиску вторинної пари на подолання місцевих опорів і тертя при переходженні із одного апарата в інший, Δ_гд = 1,0 ÷ 1,5 °С.

Загальна різниця температур є сумою корисної різниці температур Δ_к і температурних втрат ΣΔ:

. (12.8)

Матеріальний баланс однокорпусної випарної установки

На основі матеріального балансу випарного апарата визначають його продуктивність. Вона, як правило, зумовлюється витратою, тобто масою випареної води за одиницю часу (W, кг/с) або за цикл (для апаратів періодичної дії), але може бути виражена і витратою початкового (S_п, кг/с) або кінцевого (S_к, кг/с) продукту з певними значеннями концентрацій СР у них – відповідно x_п і x_к (у масових процентах або частках). Однак і за цих умов основним показником роботи випарної установки є витрата випареної води.

Матеріальний баланс випарювання відносно всього продукту

. (12.9)

Матеріальний баланс відносно сухої речовини

. (12.10)

Матеріальні баланси дають змогу встановити зв’язок між продуктивністю й основними параметрами розчину до і після випарювання:

. (12.11)

Кінцева концентрація СР

. (12.12)

Тепловий баланс однокорпусного випарного апарата періодичної дії

Тепловий баланс дає змогу визначити витрату первинної нагрівної пари на здійснення процесу випарювання, а також теплове навантаження на поверхню теплопередачі випарного апарата.

У роботі апарата розрізняють дві послідовні операції: 1) нагрівання поданого в апарат продукту від початкової температури t_п до початкової температури кипіння t′_кип, а також нагрівання самого апарата від t'_ап до t″_ап ≈ t′_кип; 2) випарювання розчину, що супроводжується підвищенням температури кипіння від t'_кип до t″_кип, внаслідок чого концентрація підвищується до кінцевої x_к.

Нехтуючи деякою зміною теплоємностей розчину і матеріалу, з якого виготовлений апарат, під час нагрівання, кількість теплоти, переданої розчину за час нагрівання до температури кипіння,

(12.13)

де с_п, с_ап – питомі теплоємності відповідно початкового розчину і матеріалу, з якого виготовлений апарат, Дж/(кг · К); М_ап – маса апарата, кг.

Складемо тепловий баланс для визначення кількості теплоти на випарю-вання:

,

звідки

, (12.14)

де S_пс_пt'_кип і Q_в - кількості теплоти в початковому розчині (при температурі кипіння) і нагрівного агента (пари), Дж; Wi і S_кс_кt″_кип - кількості теплоти, що виходять із вторинною парою і концентрованим розчином, Дж; і – питома ентальпія вторинної пари, Дж/кг; с_к – питома теплоємність концентрованого розчину, Дж/(кг · К).

Сумарна кількість теплоти на обидві операції з урахуванням втрат Q_втр у навколишнє середовище

(12.15)

Втрати теплоти в навколишнє середовище:

, (12.16)

де α – коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарата до повітря, Вт/(м² · К); F_зовн – площа зовнішньої поверхні випарного апарата, м²; t_ст і t_пов – температури відповідно зовнішньої стінки апарата і повітря в приміщенні, °С; τ = τ_н + τ_кип – загальний час нагрівання й випарювання розчину, с.

Сумарний коефіцієнт тепловіддачі конвекцією і випромінюванням від стінки апарата до повітря обчислюють за емпіричною формулою:

. (12.17)

Кількість нагрівної пари D, що витрачається на процес випарювання, визначається як:

, (13.18)

де r – питома теплота конденсації нагрівної пари, Дж/кг.