Температурный режим однокорпусного выпарного аппарата. Температурные дипрессии (потери).

Лекция № 10. Процесс выпаривания.

План:

1. Основные понятия и определения. Способы выпаривания.

2. Материальный и тепловой баланс процесса однокорпусного выпаривания.

3. Температурный режим однокорпусного выпарного аппарата. Температурные дипрессии.

4. Схемы многокорпусного выпаривания.

5. Материальный и тепловой баланс многокорпусного выпаривания.

Основные понятия и определения. Способы выпаривания.

Выпаривание – процесс удаления из растворов растворителя путем перевода его в парообразное состояние при температуре кипения и отвода паров из аппарата.

Процесс выпаривания осуществляется в аппаратах, которые называются выпарными.

Процесс выпаривания применяют в пищевой промышленности в качестве:

- заключительной стадии технологических процессов при производстве сгущеного молока, уваривании джемов, концентрировании различных продуктов

- промежуточной стадии технологических процессов: выпаривание молока перед сушкой, при производстве сахара и соли и др.

Для осуществления процесса выпаривания к раствору подводится тепло при помощи греющего (первичного) пара по законам теплопередачи.

Пар, который образуется в процессе выпаривания называют вторичным или соковым паром.

Вторичный пар, который используется на другие технологические нужды называется экстрапаром.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состаят из двух основных частей:

1) кипятильника (греющей камеры) – в которой расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание

2) сепаратора – пространства, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты, поверхность обогрева в которых выполнена:

1- из труб

2- в виде паровой рубашки.

Однако, трубчатая поверхность обладает большей площадью теплообмена при тех же размерах аппарата, а также более равномерным распределением поля темпратур в выпариваемом растворе.

Различают следующие три способа выпаривания:

- под вакуумом

- при атмосферном давлении

- при избыточном давлении

Движущей силой процесса выпаривания является – полезная разность температур.

(1)

Более предпочтительным является выпаривание под вакуумом, это связано с тем, что:

- снижается температура кипения растворителя , и соответственно увеличивается полезная разность температур

- возможно использовать для обогрева пар более низких параметров, в том числе и вторичный

Недостатком выпаривания под вакуумом является необходимость применения дополнительного оборудования для создания вакуума, что увеличивает эксплуатационные затраты.

Выпарные аппараты подразделяют на три группы:

-однокорпусные

-многокорпусные

-однокорпусные с тепловым насосом (в данных аппаратах вторичный пар сжимается до давления греющего и используется для обогрева того же аппарата, в котором он образуется).

Материальный баланс

Запишем материальный баланс процесса выпаривания по всему веществу

, кг/ч (1)

Запишем баланс по сухому веществу

(2)

Тогда расход концентрированного раствора равен

(3)

А количество вторичного пара

(4)

Тепловой баланс

Q – расход теплоты на выпаривание, Вт

(1)

(2) если пар был насыщенный Х=1, в уравнении считаем, что после получения конденсат дольше не охлаждался.

(3)

(4)

Тогда подставив (4) и (2) в (1) и выразив Q получаем:

(5)-тепловой баланс однокорпусного выпаривания.

где

-теплота потраченная на нагрев начального раствора до температуры кипения

-теплота потраченная на испарение воды в пар.

-потери теплоты в окружающую среду через наружные стенки аппарата.

Если начальная температура раствора выше чем температура кипения , то происходит процесс самовыпаривания и тогда не требуется дополнительного подвода теплоты, уравнение балансса примет вид

(6) данная ситуация возникает если уже нагретый раствор подается в емкость находящуюся под вакуумом.

Величину тепловых потерь можно учесть как

(7)

Определим из ур. (5) необходимый расход пара

, кг/с (8)

Эффективность процесса выпаривания оценивают следующим показателем

(9)

Теплоемкость растворов можно определить по формуле

(10)

где

-теплоемкость компонента Дж/кг К

-массовая доля компонента

Температурный режим однокорпусного выпарного аппарата. Температурные дипрессии (потери).

Расход теплоты на выпаривание определяется как

(1)

Откудаплощадь поверхности теплообмена

, м² (2)

Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления первичного греющего и вторичного паров, а следовательно, определены и их температуры. Разность между температурами греющего пара и вторичного пара на выходе из установки (в конденсаторе) называют общей разностью температур выпарного аппарата:

(3)

Общая разность температур связана с полезной разностью температур соотношением:

(4)

Суммарные температурные потери (диссперсии) состоят:

(5)

где

- гидравлическая температурная дисперсия, С

- концентрационная температурная дисперсия, С

- гидростатическая температурная дисперсия, С

Гидравлическая температурная дисперсия связана с уменьшением температуры вторичного пара при прохождении участка трубопровода от сепаратора выпарного аппарата до барометрического конденсатора, из-за гидравлических патель давления в трубопроводе, т.е.

(6)

Потери давления на данном участке трубопровода находятся по ур:

, Н/м² (7)

Концентрационная температурная дисперсия связана с повышением температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения растворителя (жидкости) при томже давлении.

(8)

Гидростатическая дисперсия характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением давления гидростатического столба жидкости. Она проявляется только в аппаратах с кипятильными трубками. В этом случае за темпаратуру кипения раствора принимают температуру в средней части кипятильных труб.

(9)

Давление в среднем слое вырариваемого расствора определяется по формуле

(10)