2.2. Однокорпусні випарні установки

Рис. 2.1. Схема однокорпусного випарного апарата

1 – гріюча камера;

2 – сепаратор;

3 – кип’ятильні труби;

4 – циркуляційна труба.

Розглянемо принципову схему одиночного (однокорпусного) беззупинно діючого апарата з природною циркуляцією розчину на прикладі апарата з внутрішньою центральною циркуляційною трубою (рис.2.1).

Апарат складається з теплообмінного пристрою - нагрівальної (гріючої) камери 1 і сепаратора 2. Камера обігрівається звичайно водяною парою, що надходить в її міжтрубний простір. Конденсат відводять знизу камери.

Піднімаючись по трубах 3, розчин що випарюється нагрівається і кипить з утворенням вторинної пари. Відділення пари від рідини проходить в сепараторі 2. Звільнена від бризів і крапель вторинна пара видаляється з верхньої частини сепаратора. Частина рідини опускається по циркуляційній трубі 4 під нижні трубні ґрати нагріваючої камери. У наслідок різниці густини розчину в трубі 4 і парорідинної емульсії в трубах 3 рідина циркулює по замкнутому контуру. Упарений розчин видаляється через штуцер у днище апарата.

2.2.1. Матеріальний баланс

Відповідно до малюнка, на випарювання надходить G_н (кг/сек) вихідного розчину концентрацією в_н (вагові. %) і відділяється G_к (кг/сек) упареного розчину концентрацією в_к (вагов. %). Якщо в апараті випарюється W (кг/сек) розчинника (води), то загальний матеріальний баланс виражається рівнянням

G_н = G_к + W (3)

Матеріальний баланс по абсолютно сухій речовині, що знаходиться в розчині:

(4)

У рівняння (3) і (4) входять 5 змінних, з яких три величини повинні бути задані. Найбільш часто бувають задані: витрата вихідної речовини G_н, його концентрація в_н і необхідна кінцева концентрація в_к упареного розчину. Тоді, виходячи з рівнянь (3) і (4) визначають продуктивність апарата по упареному розчині:

(5)

По воді, що випарюється:

(6)

2.2.2. Тепловий баланс

Приймемо наступні позначення:

D - витрата гріючої пари;

I, I_г, i_н, i_к - ентальпія вторинної і гріючої пари, вихідного й упареного розчинів відповідно;

I_п.к.= с' - ентальпія парового конденсату, де с' - питома теплоємність,  - температура конденсату.

Для складання теплового балансу визначимо прихід і витрати тепла

Прихід тепла

з вихідною парою G_нi_н

з гріючою парою D  І_г

Витрата тепла

з упареним розчином G_кi_к

з вторинною парою WI

з паровим конденсатом Dc'

Теплота концентрування Q_конц

Втрати тепла в навколишнє середовище Q_п

Відповідно рівняння теплового балансу буде мати вигляд:

G_н  i_н + D  I_г = G_к  I_к + W  I + Dc' + Q_конц + Q_п (7)

У рівнянні: энтальпія вихідного розчину

, (8)

де с_н і t_н - його питома теплоємність і температура;

энтальпія упареного розчину

, (9)

де с_к і t_к - його питома теплоємність і температура, рівна температурі кипіння розчину в апараті.

Розглядаючи вихідний розчин як суміш упареного розчину і випаруваної вологи, можна записати наступне рівняння теплового балансу змішання при постійній температурі кипіння t_к розчину в апараті:

, (10)

де с' - питома теплоємність води при температурі t_к.

Звідси

. (11)

Підставляючи значення i_н, i_к, G_кc_к у рівняння (7), одержимо

(12)

(13)

З цього рівняння визначимо кількість тепла, яке підводиться в одиницю часу з теплоносіями (гріючою парою) чи теплове навантаження Q випарного апарата.

Отже, перший член правої частини рівняння (13), виражає витрату тепла в апараті на нагрівання вихідного розчину до температури кипіння, другий член правої частини - витрату тепла на випар вологи з матеріалу. Крім того, тепло витрачається на концентрування розчину (якщо тепловий ефект концентрування негативний), і на компенсацію втрат тепла в навколишнє середовище.

З рівняння (2.7) може бути визначена витрата гріючої пари:

, (14)

де I_г - с' = r (величина r - теплота конденсації гріючої пари).

Вхідна в рівняння (14), теплота концентрування Q_конц виражає тепловий ефект концентрування розчину. Вона дорівнює різниці інтегрованих теплот розчинення вихідного (розведеного) і концентрованого розчинів, узятої зі зворотним знаком.

Оскільки при концентруванні розчину тепло може поглинатися, то Q_конц може входити не тільки у витратну, але й у прибуткову частину теплового балансу. Теплота концентрування враховується в тепловому балансі випарного апарата, якщо її величина значна, і нею зневажати не можна.

Величину Q_п звичайно приймають у виді частки від теплового навантаження Q апарата; звичайно задаються Q_п=(0.03..0.05) Q. Цю величину втрат тепла в навколишнє середовище забезпечують, розраховуючи необхідну товщину теплової ізоляції апарата.

З рівняння (14) можна, зневажаючи Q_конц і Q_п, визначити теоретичну витрату пари на випарювання 1 кг розчинника (води). Якщо прийняти, що вихідний розчин надходить в апарат попередньо нагрітим до температури кипіння, тобто t_н= t_к

, (15)

Це означає, що кількість (у кг) гріючої пари, що витрачається дорівнює кількості (у кг) води, що випарюється, чи приблизно: в однокорпусному апараті на випарювання 1 кг води треба затратити 1 кг гріючої пари.

Практично, з урахуванням втрат тепла, питома витрата гріючої пари, підвищується і складає 1.1..1.2 кг/кг води.