Пленочные выпарные аппараты

В пленочных аппаратах раствор движется вдоль поверхности теплообмена в виде тонкой пленки.

Пленочные аппараты с вертикальными трубами (рис. 2.8) состоят из пучка кипятильных труб, обогреваемых снаружи паром и присоединенных вверху к сепаратору. Жидкость подается снизу, причем уровень ее поддерживается на 1/4 – 1/5 высоты труб. Остальная часть высоты труб заполнена парожидкостной смесью, расслаивающейся на пленку жидкости (около стенок) и пар (в центре). Трением о струю пара жидкая пленка увлекается вверх; поэтому такие аппараты часто называют аппаратами с поднимающейся пленкой.

Рис. 2.8. Пленочный выпарной аппарат:

1 – кипятильник; 2 – сепаратор.

Пленочные аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи. Последний, однако, достигается лишь при определенном уровне жидкости, который устанавливается опытным путем: при повышении уровня коэффициент теплопередачи снижается; при понижении уровня уменьшается содержание жидкости в парожидкостной смеси, что приводит к недостаточному смачиванию верхних концов труб и снижению активной поверхности теплообмена. Ввиду однократного прохождения жидкости через аппарат со значительной скоростью, для получения достаточно концентрированного упаренного раствора требуются длинные трубы (обычно 6 – 9 м).

Недостатками вертикальных пленочных аппаратов являются трудность очистки длинных труб и сложность регулирования процесса при колебаниях давления греющего пара и начальной концентрации раствора. Кроме того, для размещения пленочных аппаратов необходимо строить производственные здания большой высоты.

Эти аппараты применяются для выпаривания пенящихся, а также чувствительных к высокой температуре растворов; при выпаривании очень вязких и кристаллизующихся растворов они малопригодны.

Методика расчета

Процесс выпаривания широко применяют для кон­центрирования растворов нелетучих веществ.

На рисунке представлена установка, в которую входит выпарной ап­парат с центральной циркуляционной трубой.

Рис. 2.9. Схема однокорпусной выпарной установки:

1 — сепаратор;2 — греющая камера;3 — циркуляционная труба;4 - барометрический конденсатор; 5 — барометрическая труба;6 — вакуум-насос

Уравнения материального баланса выпаривания:

где G_H — массовый расход начального (исходного) раство­ра, кг/с;G_K — массовый расход конечного (упаренного) раствора, кг/с;W — массовый расход выпариваемой во­ды, кг/с;

,

где , — массовые доли растворенного вещества в на­чальном и конечном растворах.

Задание

Рассчитать однокорпусной выпарной аппарат по следующим данным:

количество свежего раствора, поступающего на выпаривание - G_н, кг/с;

начальная концентрация сухих веществ свежего раствора –В_н , %;

конечная концентрация сухих веществ упаренного р-ра –В_к , %;

температура свежего раствора – t_н , ºС;

температура кипения раствора – t_к , ºС;

давление в аппарате – Р_вт , Па;

теплоемкость свежего раствора – С_р;

давление греющего пара – Р_гп, Па;

коэффициент теплопередачи – К, Вт/(м² ºК);

тепловые потери – Q_пот , %;

Требуется определить:

количество выпариваемой воды - W, кг/с;

расход греющего пара - D, кг/с;

полезную разность температур - Δt_пол, ºС;

поверхность нагрева аппарата - F, м.

Таблица 2.1

Исходные данные для расчета

Величины	Ед. изм.	Вариант
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Gн	кг/с	2,7	2,2	2,6	1,6	2,0	2,36	1,38	1,8	1,94	2,5
Вн	%	7,0	6,0	7,0	5,0	5,0	7,0	5,0	6,0	6,0	7,0
Вк	%	30	32	32	30	28	30	28	32	30	30
tн	ºС	16	17	18	19	20	15	16	14	16	18
Рвт ·10-5	Па	0,3	0,4	0,6	0,45	0,3	0,5	0,4	0,25	0,6	0,5
Ср	кДж/кг ºС	4,06	4,1	4,06	4,15	4,15	4,06	4,15	4,1	4,1	4,06
Ргп ·10-5	Па	2,0	2,2	3,5	4,3	5,0	3,4	4,2	3,9	4,5	3,4
l	м	2,0	3,0	2.5	2,0	2,5	3,5	3,5	3,0	2,0	3,0
tk	ºС	70	80	75	75	80	70	80	70	90	85

Величины	Ед. изм.	Вариант
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
К	Вт/(м2 ºК)	1120	1270	1200	970	1150	1200	1050	1080	1000	1100
Δ	ºС	3	4	5	6	3,5	4,5	5	4,5	3,8	5,5

МЕТОДИКА РАСЧЕТА

Производительность аппарата по выпаренной влаге (кг/с) из раствора определится из уравнения:

Расход греющего пара (кг/с) определяется из уравнения теплового баланса:

где 1,02.1,05 – коэффициент, учитывающий потери тепла;

i’ - энтальпия греющего пара, кДж/кг;

i” - энтальпия конденсатора, кДж/кг;

–энтальпия вторичного пара, к Дж/кг;

Ср – теплоемкость воды при температуре кипения раствора, кДж/кгК.

Величины i’,i”,i берутся из таблицы насыщенного водяного пара при соответствующем давлении, а Ср берется по таблице физических свойств воды (см. приложение 1и 2).

Полезная разность температур определяется из уравнения:

где – температура греющего пара (берется из таблицы насыщенного пара при соответствующем давлении).

Поверхность нагрева (м) аппарата определяется из основного уравнения теплопередачи

,

где

Отсюда

- количество греющего пара, кг/с,

где – удельная теплота конденсации греющего пара, кДж/кг;

–удельная теплота конденсации вторичного пара, кДж/кг;

Таблица 2.2

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления.

Пересчет в СИ: 1ат. = 9,81 · 10⁴Па

Давление (абс.), ат. Р	Температура, ºС, t	Плотность, кг/м3, ρ	Энтальпия жидкости, кДж/кг, (i,,)	Энтальпия пара, кДж/кг, (i,)	Теплота парообра-зования, кДж/кг, (r)
0,2	59,7	0,1283	250,1	2607	2358
0,3	68,7	0,1876	287,9	2620	2336
0,4	75,4	0,2456	315,9	2632	2320
0,5	80,9	0,3027	339,0	2642	2307
0,6	85,5	0,3590	358,2	2650	2296
0,7	89,3	0,4147	375,0	2657	2286
0,8	93,0	0,4699	389,7	2663	2278
0,9	96,2	0,5246	403,1	2668	2270
1,0	99,1	0,5790	415,2	2677	2264
1,2	104,2	0,6865	437,0	2686	2249
1,4	108,7	0,7931	456,3	2693	2237
1,6	112,7	0,898	473,1	2703	2227
1,8	116,8	1,003	483,6	2709	2217
2,0	119,6	1,107	502,4	2710	2208
3,0	132,9	1,618	558,9	2730	2171
4,0	142,9	2,120	601,1	2744	2141
5,0	151,1	2,614	637,7	2754	2117
6,0	158,1	3,104	667,9	2768	2095

Контрольные вопросы

1. Назначение выпарных аппаратов.

2. Виды выпарных аппаратов и их особенности.

3. Пояснить схему однокорпусной выпарной установки.

4. Уравнения материального баланса выпаривания.

5. Расчет и интерпретация полученных данных.