Тепловые процессы в химической аппаратуре

Основные уравнения теплового расчета аппаратов

Основные уравнения - уравнения теплового баланса, уравнения теплообмена, которые решаются совместно:

а) уравнение теплового баланса чаще всего служит для определения тепловой нагрузки

G - расход однофазной рабочий среды, ;

,

- средняя теплоёмкость в данном температурном интервале;

- начальные и конечные температуры рабочей среды.

Если тепло от более нагретого теплоносителя, для которого известны и , передаётся к менее нагретому теплоносителю с и , то уравнение теплового баланса без учёта потерь тепла будет:

или с помощью w = . Проинтегрируем:

Q=, откуда:

, т.е изменения температур однофазных рабочих сред обратно пропорциональны их водяным эквивалентам.

б) Уравнение теплообмена служит для определения поверхности теплообмена F.

Если температуры рабочих сред и не изменяются, то , Вт;

Однако в теплообменных аппаратах температуры рабочих сред вдоль поверхности теплообмена чаще всего не остаются постоянными. Одновременно с изменением температур рабочих сред вдоль поверхности теплообмена изменяется и разность температур, т.е. изменяется температурный напор .

В этом случае уравнение теплообмена справедливо лишь в дифференциальной форме:

или при .

(Вт.),

- средняя разность температур.

Совместное уравнение теплового баланса и теплообмена следовательно будет :

.

При решении данного уравнения следует учитывать, что

1) В наиболее общем случае следует принять, что в рассматриваемом интервале температур с и K зависят от температурных условий процесса.

2) Во многих общих случаях оказывается достаточно надёжным пользоваться данными о средней теплоёмкости рабочих сред, но остаётся необходимым считаться с изменением K в зависимости от температурных условий процесса теплообмена.

3) Но основным и наиболее частым способом определения F является способ условного усреднения значения коэффициента теплопередачи с отнесением его к некоторым средним t-рам.- tсред. При этом справедливо уравнение:

(м).

При расчетах следует помнить:

а) - разность температур между рабочими средами.

б) и - разность между конечной и начальной температурами каждой из рабочих сред в отдельности.

а) t - это движущая сила процесса теплообмена; она входит в уравнение теплообмена и характеризует при других условиях производительность теплообменного аппарата.

б) - мера изменения температуры данной рабочей среды; она входит в уравнение теплового баланса и также характеризует производительность аппарата при других условиях.

Периодическое нагревание с помощью паровой рубашки

Жидкость в реакторе нагревается насыщенным водяным паром. Характерная черта этого процесса T=Const (T - температура пара). В реакторе G кг

жидкости. - начальная температура жидкости. Через время - конечная температура жидкости. Поверхность теплообмена F, коэффициент теплопередачи K. За время жидкость в аппарате изменит температуру на , а полученное жидкостью количество тепла по уравнению теплового баланса.

(1),

c -средняя в диапазоне теплоёмкость жидкости. Уравнение теплопередачи (скорость теплопередачи).

(2). Преобразуя уравнения (1) и (2) получим:

(3). Разделим переменные, получаем:

;

т.к. T=const, уравнение интегрируется

; (5)

Зная из (5) можно определить поверхность F или конечную температуру за время при известной F . Можно определить средне логарифмическую разность температур.

;

- разность температур в начальной стадии процесса; - разность температур в конечной стадии процесса. Из (5) имеем:; умножим левую и правую часть на , получим

.

Выпаривание

Выпаривание - процесс концентрирования растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

При выпаривании происходит частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения.

В качестве греющего агента при выпаривании используют чаще всего водяной пар, который называется греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании, называется вторичным. Тепло в выпарных аппаратах подводится через стенку или непосредственно.

Различают выпаривание под вакуумом, при атмосферном давлении, при повышенном давлении. Выпаривание под атмосферном давлении и под вакуумом проводят в однокорпусных аппаратах. Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные аппараты ,в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего для следующего корпуса. Давление при этом снижается так, чтобы обеспечить достаточную разность температуры вторичного пара и температуры кипения раствора в корпусе, т.е. создать необходимую движущую силу процесса. Первичным паром обогревается только 1 - ый корпус. Рассмотрим устройство выпарного аппарата.

Схема однокорпусной выпарной установки

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

Греющий пар поступает в межтрубное пространство нагревательной камеры, охлаждается, конденсат отводится внизу. Раствор, поднимаясь по трубам, кипит с образованием вторичного пара. Отделение вторичного пара от брызг происходит в сепараторе. Вторичный пар выходит из верха аппарата. Часть раствора опускается по циркулярной трубе под решетку греющей камеры. Плотность жидкости в трубе < с в циркуляционной трубе, поэтому раствор циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор удаляется снизу.

Температура кипения раствора и температурные потери

Многокорпусная прямоточная выпарная установка:

1-3-корпуса; 4-барометрический конденсатор; 5-вакуум-насос; 6-подогреватель исходного раствора

Прямоточная выпарная установка по сравнению с другими обладает некоторыми преимуществами: т.к. перетекание раствора из 1 корпуса во 2 корпус благодаря разности давлений идет самотеком, отпадает необходимость в установке насосов для перекачивания кипящих растворов. Температуры кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор в корпусах (кроме 1-го) поступает перегретым. Теплота, которая выделяется при охлаждении раствора до температуры кипения в последующем корпусе, идет на дополнительное испарение растворителя из этого же раствора. Это явление получило название самоиспарения.

Недостатками прямоточной схемы выпарной установки являются понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора от первого корпуса к последнему. Это приводит к повышению вязкости раствора и, следовательно, к снижению интенсивности теплоотдачи при кипении, уменьшению коэффициента теплопередачи и, как следствие, к увеличению общей поверхности теплопередачи. Однако, несмотря на увеличение необходимой поверхности теплопередачи, достоинства прямоточной схемы имеют превалирующее значение, что определяет их широкое распространение.

Материальный и тепловые балансы многокорпусных установок

Суммарную полезную разность температур многокорпусной установки находят из уравнения

где общая разность температур многокорпусной установки, равная разности между температурой греющего пара в первом корпусе и температурой вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в барометрический конденсатор

Материальный баланс выпарной установки

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенными нагревательной камерой (а) и циркуляционной трубой (б):

1-нагревательные камеры; 2-сепараторы; 3-брызгоуловитель; 4-циркуляционные трубы; 5-насосы

Размещено на Allbest.ru