Однокорпусная выпарная установка.

Однокорпусная выпарная установка применяется, когда необходимо выпарить относительно небольшое количество воды и когда экономия тепла не имеет большого значения. На рис. представлена схема однокорпусной выпарной установки, работающей под вакуумом.

Исходный раствор из сборника 1 за счет разряжения в конденсаторе подается в теплообменник 2, где он подогревается до температуры кипения, и далее в выпарной аппарат 3 на выпаривание. Греющий пар подается в межтрубное пространство теплообменника и выпарного аппарата, где конденсируется отдав тепло раствору. Вторичный пар, образующийся при выпаривании, направляется через каплеуловитель 4 в барометрический конденсатор 5. Здесь пар при смешении с водой конденсируется, а воздух и газы откачиваются вакуум насосом 6. Конденсат вместе с водой самотеком отводится через барометрическую трубу 7. Сгущенный раствор откачивается в сборник 8.

При выпаривании под давлением вместо барометрического конденсатора устанавливают поверхностный и исключают насос для откачивания упаренного раствора.

При расчете выпарной установки определяют:

1) Количество выпаренной воды при заданных начальной и конечной концентрациях;

2) Расход греющего пара;

3) Поверхность нагрева выпарного аппарата.

Материальный и тепловой балансы однокорпусной выпарной установки.

Согласно материальному балансу количество сухих веществ в растворе до и после выпаривания остается постоянным.

G(B_н/100) = (G —W)(B_к/100),

откуда количества выпаренной воды:

W = G(1‑B_н/B_к),

где G —количество раствора поступившего на выпаривание, кг/с;

B_н и B_к —начальная и конечная концентрации раствора, %_масс;

W —количество выпаренной воды, кг/с.

 

 

Расход греющего пара определяют из уравнения теплового баланса (см. рис.)

 

Приход тепла:

с раствором Q₁= Gc₁t₁;

c греющим паром Q₂= D i_пп.
Расход тепла:

с упаренным раствором Q₃= (Gc₂-Wc_в)t₂;
со вторичным паром Q₄= W i_вп;
с конденсатом Q₅= Dc_кt_к;
потери тепла - Q_п.

Тепловой баланс запишется в виде:

Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q_п,

или

Gc₁t₁ + Di_пп=(Gc₂-Wc_в)t₂ + W i_вп + Dc_кt_к + Q_п.

Отсюда расход греющего пара на выпаривание раствора:

G(c₂t₂ - c₁t₁) W(i_вп - c_вt₂) Q_п
D = ────── + ─────── + ─────,
i_пп - c_кt_к i_пп - c_кt_к i_пп - c_кt_к

где c₁ и c₂ - теплоемкости раствора до и после выпаривания;

c_в и c_к - теплоемкости воды и конденсата;

t_к - температура конденсата;

t₁ и t₂ - температура раствора до и после выпаривания;

i_пп и i_вп - энтальпия первичного и вторичного пара.

Таким образом, общий расход пара складывается из расхода тепла на нагрев раствора до температуры кипения, расхода тепла на выпаривание определенного количества воды и на компенсацию потерь в окружающую среду.

Первое слагаемое может быть отрицательным (когда раствор поступает в аппарат перегретым), равным нулю (когда раствор подогрет до температуры кипения) и положительным (если температура раствора ниже температуры кипения).

Отношение расхода пара к количеству выпаренной воды называют удельным расходом пара. На практике считают, что на образование 1 кг вторичного пара в однокорпусной выпарной установке расходуется 1,1 —1,2 кг первичного пара.

Поверхность нагрева выпарного аппарата определяется из основного уравнения теплопередачи:

Q = K FΔt.

Тепловая нагрузка аппарата

Q = D(i_пп - c_кt_к) = Dr.

Тогда

F = Dr/(KDt),

где r - скрытая теплота парообразования при данном давлении;

К - коэффициент теплопередачи;

Dt - полезная разность температур.

Полезная разность температур — это разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора:

Dt_п = t_пп - t_кип.

Различают полезную и полную разность температур. Полной разность температур называют разность между температурами греющего и вторичного пара, поступающего в конденсатор.

Dt_полн = t_пп - t_вп.

Полезная разность температур меньше полной на величину температурных потерь D:

Dt_п= Dt_полн - D.

Температурные потери при выпаривании вызываются физико-химической D_ф-х, гидростатической D_гс и гидравлической D_г депрессиями:

D = D_ф-х + D_гс + D_г.

Физико-химическая депрессия — это разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя при одинаковом давлении. Принимая температуру насыщенного пара чистого растворителя равной температуре вторичного пара, имеем:

D_ф-х = t_кип - _вп.

Величину физико-химической депрессии для растворов, кипящих под атмосферным давлением находят из справочников, а для давление, отличных от атмосферного, вычисляют по формуле Тищенко:

D_ф-х = 16,2 D_ат(Т²/r),

где D_ат - депрессия при атмосферным давлением, К; Т и r —абсолютная температура кипения и теплота испарения воды при заданном давлении.

Для сахарных растворов, фруктовых соков, молока и других пищевых жидкостей можно рекомендовать следующую формулу:

D_ф-х = 0,38 e ^{(0,05 + 0,045В)},

где В - концентрация СВ, %.

Гидростатическая депрессия - это разность между температурами кипения в верхнем слое раствора и средним по высоте слое, вызванная гидростатическим давлении жидкости. В расчетах D_гс принимают равной 1 град на каждый корпус.

Гидравлическая депрессия - это разность между температурами вторичного пара над раствором и в конце паропровода, вызванная потерями давления при движении пара.

Полезную разность температур, Dt_п необходимую для передачи заданного количества тепла Q через поверхность нагрева F определяют по формуле:

Dt = Q/(KF) = Wr/(KF) = rU/K, K,

где U = W/F - массовое напряжение поверхности нагрева в кг/(м² с), т.е. количество воды, выпариваемое с 1 м² поверхности теплообмена за 1 с.

При заданной производительности аппарата W и массовом напряжении U определяют необходимую поверхность нагрева:

F = W/U, м².

Многокорпусные выпарные установки.

Многокорпусные выпарные установки состоит из нескольких однокорпусных, соединенных последовательно при этом вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для последующего корпуса, в котором раствор кипит при более низком давлении. В многокорпусных установках, в которых головные корпуса работают под давлением, а хвостовой корпус под разряжением, благодаря использованию тепла значительно снижается удельный расход пара. Однако снижение удельного расхода пара происходит не прямо пропорционально. Так при переходе от однокорпусной к двухкорпусной установке экономия пара составляет 50 %, а при переходе от четырех к трехкорпусной всего 10%. Поэтому предельным должно быть число корпусов, при котором полезная разность температур имеет минимально возможные значения (не ниже 5 -7 градусов).

Обычно промышленные выпарные установки имеют не более пяти корпусов.

В зависимости от взаимного движения упариваемого раствора и греющего пара различают прямоточные, противоточные и установки с параллельным питанием. Корпуса нумеруются от головного, в который подается греющий пар.

В прямоточной установке, благодаря перепаду давления, раствор из головного корпуса в последующие перетекает параллельно греющему пару самотеком. При этом он оказывается перегретым т.к. давление в последующем корпусе меньше, чем в предыдущем. В результате чего из раствора самоиспарением удаляется некоторое количество воды. Раствор в такой установке находится в области наинизших температур, что важно для сохранения качества получаемых продуктов.

В противоточной установке взаимное движение греющего пара и упаренного раствора противоположное — исходный раствор поступает в последний корпус, а упаренный раствор отводится из первого корпуса. Поскольку давление от последнего корпуса к первому увеличивается, то для перемещения раствора применяются насосы. Эта схема применяется для выпаривания термически стойких растворов.

В установках с параллельным питанием исходный раствор подается, упаренный раствор отводится одновременно из всех корпусов. По греющему пару сохраняется последовательное соединение корпусов. Такие установки применяются для выпаривания небольшого количества воды.

На большинстве предприятий применяются многокорпусные выпарные установки с прямоточным движением пара и продукта. Обычно в таких установках не весь вторичный пар направляется на обогрев последующего корпуса. Часть вторичного пара отбирается на обогрев других теплообменных аппаратов. Такой пар называют экстрапаром.

Использование экстрапара значительно повышает эффективность использования тепла в производстве.

Расчет многокорпусной выпарной установки.

Наиболее простым методом расчета многокорпусной выпарной установки является метод Классена. При расчете принимают следующие допущения:

1) раствор поступает в корпус перегретым, а эффект самоиспарения компенсируется тепловыми потерями;

2) 1 кг греющего пара выпаривает из раствора 1 кг воды, т.е.

образует 1 кг вторичного пара.

Метод дает вполне удовлетворительные результаты для расчета двух и трехкорпусных установок. Погрешность в определении выпаренной воды и расхода пара возрастает с увеличением числа корпусов. Наибольшая ошибка имеет место для последнего корпуса, работающего под вакуумом, т.к. в последнем корпусе наблюдается наибольший эффект самоиспарения и наименьшие потри тепла.

Основные положения метода Классена рассмотрим на примере выпарной установки, состоящей из n корпусов с заданными отборами экстрапара Е₁,Е₂,Е₃,... Е_n-1 и количеством выпаренной воды W во всей установке.

Количество выпаренной воды по корпусам будет:

1 корпус — W₁ = D₁ = X

2 корпус — W₂ = D₂ = D₁ - E₁ = X - E₁

3 корпус — W₃ = D₃ = D₂ - E₂ = X - E₁ - E₂

....................................

n корпус — W_n = D_n = D_n-1 - E_n-1 = X - E₁ - E₂ -... - E_n-1

Общее количество выпаренной воды:

W = W₁ + W₂ + W₃ +...+ W_n = nX - (n‑1)E₁ - (n‑2)E₂ -...- E_n-1

Тогда расход греющего пара

W + (n‑1)E₁ + (n‑2)E₂ +...+ E_n-1
Х = W₁ = D₁ = ─────────────────────────────────
n

Количество воды выпаренной в любом корпусе можно определить из выражения:

W_n = [W - E₁ - 2E₂ -...- (n‑1)E_n-1]/n.

Отсюда можно получить выражение, связывающее общее количество выпаренной воды с заданными пароотборами и количеством воды, выпаренной в последнем корпусе:

W = E₁ + 2E₂ + 3Е₃ +... + (n‑1)E_n-1 + nW_n.

В частном случае для пятикорпусной выпарной установки получим:

Общее количество выпаренной воды:

W = E₁ + 2E₂ + 3Е₃ + 4Е₄ + 5W₅.

Расход греющего пара:

W + 4E₁ + 3E₂ + 2E_n-1 + Е₄
W₁ = D₁ = ─────────────────────────────────.
5

Анализируя полученные уравнения можно сделать выводы:

1.Производительность выпарной установки зависит от пароотбора и возрастает при его увеличении. Влияние пароотбора на производительность увеличивается от головного к хвостовому корпусу;

2.При увеличении пароотбора возрастает расход греющего пара на первый корпус;

3.При вычислении количества выпаренной воды в последнем корпусе может получиться отрицательный результат. Это значит, что необходимо изменить принятый пароотбор: уменьшить его из хвостовых и увеличить их головных корпусов;

4.Экономически выгоднее увеличивать пароотбор из хвостовых и уменьшать из головных корпусов т.к. это повышает в большей степени производительность или уменьшает расход греющего пара. Однако вторичный пар из хвостовых корпусов имеет более низкую температуру и его использование ограничено. Поэтому экстрапар отбирают из головных корпусов;

5.При выпаривании без пароотбора выпаренная вода равномерно распределяется по корпусам установки, т.е. W₁=W₂=W₃=...=W_n=W/n.

Полной разностью температур многокорпусной выпарной установки является разность между температурой греющего пара в первом корпусе и температурой вторичного пара последнего корпуса:

Dt_полн = t_пп.1 —t_вп.n.

Температурные потери всех корпусов:

_{n n n n}
S D_i = D₁ + D₂+...+ D_n = S D_{i ф‑х}+ S D_{i гс}+ S D_{i г}.
^{i=1 i=1 i=1 i=1}

Полезный температурный перепад для всей установки:

_n
Dt = Dt_полн —S D_i.
ⁱ⁼¹

Для распределения полезной разности температур между отдельными корпусами пользуются следующими формулами:

1. При минимальной общей поверхности нагрева всех корпусов полезную разность температур определяют пропорционально отношению (Q/K)^0,5:

Dt₁ × √Q_n/K_n
Dt_n = ──────────────,
_n ____
S × √Q_n/K_n
¹

где Dt₁ —полезная разность температур первого корпуса; Q_n —тепловая нагрузка n‑корпуса; K_n —коэффициент теплопередачи в n‑корпусе.

При расчете выпарной установки с минимальной общей поверхность теплопередачи, поверхности отдельных корпусов могут значительно отличаться друг от друга. По конструктивным соображениям желательно иметь распределение полезной разности температур, обеспечивающее одинаковые поверхности теплообмена отдельных корпусов установки.

2. Из условия одинаковой поверхности нагрева полезная разность температур распределяется пропорционально отношению Q/K и определяется по формуле:

Dt₁ (Q_n/K_n)
Dt_n = ──────────────,
_n
S (Q_n/K_n)
¹

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Аппараты, предназначенные для проведения теплообменных процессов, называются теплообменными или теплообменниками. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках - рекуператорах - тепло передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках - регенераторах - одна и та же поверхность попеременно омывается различными теплоносителями. При этом поверхность сначала нагревается одним теплоносителем, а затем отдает тепло другому теплоносителю. Таким образом, в регенераторах необходимы аккумуляторы тепловой энергии, которые заряжаются теплом, а затем отдают его.

В смесительных теплообменниках передача тепла происходит непосредственно при соприкосновении и смешении теплоносителей.

Основной задачей при расчете теплообменников является определение требуемой поверхности теплообмена F, которую определяют из основного уравнения теплопередачи:

Q = K F Dt,

где Q‑тепловая нагрузка на аппарат, Вт; Dt - средний температурный напор, К; К‑ коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К).

Порядок расчета теплообменного аппарата:

1. Из уравнения теплового баланса определяют недостающие параметры (расход или температуру одного из теплоносителей);

Тепловой баланс теплообменника можно записать в виде:

Q = Q₁ = Q₂ + Q_п,

где Q₁ и Q₂ —тепло отдаваемое первым и получаемое вторым теплоносителем, соответственно, Вт; Q_п —потери тепла_, Вт.

Тепловая нагрузка при теплообмене без изменения агрегатного состояния определяется по формуле

Q = G(c_нt_н‑с_кt_к),

где c_н и с_к - начальная и конечная удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг Кt_к); t_н и t_к - начальная и конечная температура теплоносителя, К; G - массовый расход теплоносителя.

При фазовом превращении теплоносителя:

Q = G(i_н-i_к),

где i_н и i_к- начальная и конечная энтальпия теплоносителя, кДж/кг.

2. Определяют теплофизические параметры (плотность, вязкость теплоемкость, теплопроводность и т.п.) обоих теплоносителей;

3. Определяют средний температурный напор (в общем случае по формуле средней логарифмической разности температур);

4. По соответствующим уравнениям подобия рассчитывают коэффициенты теплообмена;

5. Выбирают или рассчитывают термические сопротивления стенки и загрязнений;

6. Определяют коэффициент теплопередачи;

7. Определяют поверхность теплопередачи.

 

 

РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

 

 

В зависимости от конструктивного исполнения рекуператоры разделяют на кожухотрубные, двухтрубные, змеевиковые, спиральные, оросительные, специальные и на трубчатые выпарные аппараты.

Кожухотрубчатые аппараты нашли наибольшее распространение. Они допускают создание больших поверхностей теплообмена в одном аппарате, просты в изготовлении и надежны в работе.

На рис. представлен одноходовой вертикальный кожухотрубный теплообменник с неподвижными решетками. Он состоит из кожуха 1 в виде цилиндрической обечайки, в которую установлены трубные решетки 2. В трубных решетках закреплен пучек труб 3. К кожуху с помощью фланцев присоединены днища 4 (камеры). Для подвода и отвода теплоносителей к кожуху и днищам приварены патрубки. Движение теплоносителей может быть как противоточным так и прямоточным. Плот ность соединения труб с трубной решеткой обеспечивается либо развальцовкой либо сваркой. Применяется также сальниковое уплотнение,

допускающее продольное перемещение труб при температурном удлинении.

Различают одноходовые и многоходовые кожухотрубные теплообменники.

Для увеличения интенсивности теплоотдачи применяют многоходовые теплообменники. В многоходовом теплообменнике пучек труб или межтрубное пространство (а также и то и другое) разделено перегородками на несколько секций, что при заданном расходе увеличивает скорость теплоносителя, а следовательно и интенсивность теплопередачи.

 

 

┌──────┬──────┐ ┬──┬
├─┘ │ └─┤ ┌────┘ └────┐
├─┐ │ ┌─┤ │ │
├─╫──╫─┴─╫──╫─┼ ├─╫──╫──╫──╫─┼
├─┘ ║ ║ ║ ║ │ ├─┘ ║ ║ ║ ║ │
├─┐ ║ ║ ║ ║ │ ├─┬─║──║──║─ ║ │
│ ║ ║ ║ ║ │ │ ║ ║ ║ ║ │
│ ║ ║ ║ ║ │ │ ║ ─║──║──║─┤
│ ║ ║ ║ ║ │ │ ║ ║ ║ ║ │
│ ║ ║ ║ ║ │ ├─║──║──║─ ║ │
│ ║ ║ ║ ║ └─┤ │ ║ ─║──║──║─┴─┤
│ ║ ║ ║ ║ ┌─┤ │ ║ ║ ║ ║ ┌─┤
├─╫──╫───╫──╫─┼ ├─╫──╫──╫──╫─┼
│ │ │ │
└─────────────┘ └────┐ ┌────┘
┴──┴
а б

Многоходовые теплообменники а - по трубному пространству; б - по межтрубному пространству.

Если разность температур между кожухом и трубами превышает 25 ^оС, то температурные напряжения могут вызвать разрушение аппарата. Поэтому для таких условий применяют кожухотрубные теплообменники с различными компенсаторами температурных удлинений. К таким аппаратам относятся теплообменники с “плавающей” головкой, в которых одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси теплообменника, теплообменники с линзовым компенсатором на корпусе, деформации в котором компенсируются осевым сжатием или расширением этого компенсатора.

В теплообменнике с сальниковым компенсатором одна из трубных решеток может передвигаться вдоль оси теплообменника при температурных расширениях. В теплообменнике с U‑образными трубами оба конца труб закреплены в одной и той же решетке и каждая труба может перемещаться, компенсируя напряжения.

Интенсивность теплообмена в большой мере зависит от скорости движения теплоносителей, ем скорость выше, тем интенсивнее теплообмен. Однако увеличение скорости приводит к росту гидравлического сопротивления, что соответственно увеличивает затраты. Оптимальными считают скорости потока, соответствующие турбулентному режиму движения: для жидкостей 0,1 - 2 м/с, для газов —2 - 20 м/с.

Трубы в трубной решетке размещают несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников; по сторонам и вершинам квадратов и по концентрическим окружностям. Наибольшее распространение нашел первый способ размещения труб в данном случае при подсчете общего числа труб n исходя из числа труб а, расположенных по стороне наибольшего шестиугольника:

n = 3a(a‑1) + 1.

Число труб b, расположенных по диагонали наибольшего шестиугольника, находят по формуле:

b = 2a-1.

При закреплении труб в трубной решетке развальцовкой шаг размещения t выбирают в зависимости от наружного диаметра труб в пределах

t = (1,3 —1,5)d_н.

При закреплении труб сваркой шаг размещения выбирают равным t = 1,25d_н.

Диаметр кожуха находят по соотношению

D = t(b‑1) + 4d_н.

Длину труб находят исходя из требуемой поверхности F и среднего диаметра труб d:

L = F/(pdn).

 

 

РУБАШЕЧНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Представляют собой сосуд с двойными стенками. Внутри сосуда 1 находится один из теплоносителей. В зарубашечное пространство 2 подается другой теплоноситель. Теплообмен происходит через стенку, разделяющую теплоносители.

┬──────╫──────┬ ┬──────╫──────┬
┌┤ ║ ├┐ 1 │ о ║ о │ 1
├┤│ ║ ││ │ о ║ о │
├┤│ ║ ││ 3 │ о ║ о │ 3
││ ║ ││ │ о ║ о │
││ ╔═╬═” │├┤ │ о ╔═╬═” о │
││ ╚═╩═╝ │├┤ 2 │ о ╚═╩═╝ о │ 2
└┴─────────────┴┘ └─────────────┘

Рис. а - Рубашечный теплообменник, б - Змеевиковый теплообменник.

 

Змеевиковый теплообменник представляет собой сосуд, в который погружен змеевик. Оба описанных теплообменника относятся к аппаратам периодического действия. Такие аппараты применяются при небольших тепловых нагрузках, имеют небольшие поверхности теплообмена и невысокую интенсивность теплопередачи. Для повышения интенсивности теплообмена в теплообменник устанавливают различные перемешивающие устройства 3.

 

ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ.

 

Представляют собой набор штампованных пластин, которые собираются при помощи болтовых соединений. Теплообменник обеспечивает высокую интенсивность теплообмена, возможность создания больших теплообменных поверхностей, возможность очистки и малые габариты аппарата.

 

СПИРАЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ.

Представляют собой поверхность теплообмена, образованную
двумя пластинчатыми спиралями.

 

 

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Массообменные процессы - это процессы, сущность которых составляет перенос вещества из одной фазы в другую.

К ним относятся:

Сушка - удаление влаги из влажных материалов путем ее испарения. К сушке можно отнести и процесс копчения. При копчении процесс сушки сопровождается замещением удаленной влаги компонентами дыма, обладающими антисептическими свойствами, что повышает стойкость продуктов при хранении и придает им специфический ароматный вкус.

Сорбционные процессы (абсорбция, адсорбция и десорбция) - процесс поглощения каким-либо телом газов, паров или растворенных веществ из окружающей среды.

Экстрагирование - извлечение из сложного по составу вещества (твердого или жидкого) одного или нескольких компонентов с помощью растворителя, обладающего избирательной растворимостью.

Кристаллизация - возникновение и рост кристаллов.

Перегонка - однократное частичное испарение жидкой смеси и конденсация образующихся паров. Ректификация - многократное частичное испарение жидкой смеси и конденсация образующихся паров с целью разделения компонентов, входящих в жидкую смесь.

ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ

 

Массопередача - это массообмен между двумя фазами, разделенными поверхностью раздела.

Перенос массы в каждой из фаз может осуществляться двумя способами: молекулярной диффузией и конвективным переносом или массоотдачей.
Первый способ связан с тепловым движением структурных частиц, второй - с перемещением молярных объемов среды, т.е. объемов, состоящих из большого числа частиц.

Скорость массопередачи прямо пропорциональна движущей силе процесса и обратно пропорциональна сопротивлению. Величина движущей силы зависит от равновесных концентраций и направления течения процесса, сопротивление зависит от частных сопротивлений.

В общем случае процесс массопередачи состоит из трех последовательных этапов: диффузии компонента к межфазной поверхности, перехода через нее и диффузии в объем второй фазы.

Движущей силой массопередачи является разность концентраций компонента в данной фазе, т.е. рабочей концентрации и концентрацией компонента, равновесной с другой фазой. Количество вещества, переходящее из одной фазы в другую, называют диффузионным потоком.

Основное уравнение массопередачи записывается в виде:

M = K ΔC F,
где M - количество вещества, кг/с;

K - коэффициент массопередачи, кг/(м^2.с^.кг/м³);

ΔC - движущая сила, кг/м³;

F - площадь поверхности массопередачи, м².

Основным условием протекания процесса является нарушение равновесия между фазами из-за изменения температуры или давления. Процесс при этом будет происходить до восстановления равновесия. При приближении системы к состоянию равновесия движущая сила и скорость процесса уменьшается. В состоянии равновесия существует определенная зависимость между концентрациями компонентов в обеих фазах. Любой концентрации X вещества в фазе L соответствует определенная равновесная концентрация этого вещества Y_р в фазе G, т.е.

Y_р = f(X).

Равновесие между фазами графически выражается на Y‑X диаграмме кривыми равновесия. Конкретный вид закона определяется природой и концентрацией компонентов.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ МАССООБМЕНЫХ ПРОЦЕССОВ

 

Классификация массообменных процессов проводится по следующим признакам: по агрегатному состоянию фаз, по способу контакта и характеру взаимодействия.

Массообменные процессы в пищевой промышленности могут протекать в системе с твердым телом (твердое тело - жидкость, твердое тело - газ) к ним относятся кристаллизация, экстракция, адсорбция, сушка, сублимация, ионный обмен. И процессы без твердой фазы (жидкость - жидкость, жидкость - газ), к ним можно отнести жидкостную экстракцию, ректификацию, абсорбцию, сушку жидких продуктов.

По способу контакта различают процессы с непосредственным контактом, контактом через мембраны и контактом без границы раздела фаз. Способ контакта через мембраны позволяет проводить процесс в системе газ - газ. Он основан на растворении одного компонента на пористой мембраной, диффузии его через мембрану и испарении с другой стороны (выделение этилового спирта из водного раствора).

Примером массообмена в системе без границы раздела фаз является термодиффузия, возникающая в смеси жидкостей или газов, находящихся в поле неоднородных температур, Вследствие чего более тяжелые молекулы перемещаются в область более низких температур, а легкие - в область высоких температур (эффект Соре).

По способу взаимодействия фаз различают периодические и непрерывные процессы, последние подразделяются на противоточные, прямоточные, смешения и комбинированные.

 

 

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС. РАБОЧАЯ ЛИНИЯ ПРОЦЕССА

 

Рассмотрим массообменный процесс, происходящий в противоточном аппарате непрерывного действия.

 

Пусть в фазе G концентрация компонента уменьшается от y_н, кг/кг до y_к,кг/кг, а в фазе L, концентрация соответственно увеличивается от x_н, кг/кг до x_к, кг/кг. На бесконечно малом элементе dF фазового контакта материальный баланс выразиться уравнением dM = G dy = L dx.

После интегрирования получим уравнение материального баланса для всей поверхности фазового контакта

M = G(Y_н-Y_к) = L(X_к-X_н).

Для произвольного сечения аппарата, где концентрации равны y и x получим

G(Y‑Y_к) = L(X‑X_н)

откуда

Y = (L/G) X + (GY_к —X_н)/G.

Это уравнение называется уравнением рабочей линии и показывает, что концентрация вдоль поверхности меняется по линейному закону.

Рассмотрим пример построения рабочей линии массообменного аппарата. Точке «А» соответствует концентрация в верхнем сечении аппарата y_н и x_к; в точке «В» - в нижнем сечении - y_к и x_н. Линия ОЕ - равновесная линия. Если рабочая линия находится над линией равновесия, то концентрация компонента в газовой фазе для любой точки (точка С) будет выше равновесной: y_с > y_сР, а в жидкой - ниже равновесной x_с < x_сР. следовательно, этот компонент из газовой фазы будут переходить в жидкую фазу.

 

 

Y

 

 

Если рабочая линия расположена под линией равновесия, то для
любой точки y _с <y _сР и x _с >x _сР, следовательно компонент из жидкой фазы будет переходить в газовую. Т.е. по расположению рабочей линии можно судить о направлении процесса. По таким диаграммам можно определять основные параметры процесса.

СПОСОБЫ ПЕРЕНОСА МАССЫ

Молекулярная диффузия.

Молекулярная диффузия осуществляется в результату движения молекул какого-либо компонента из области высоких концентраций в область с меньшей концентрацией.

Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика: количество вещества dM, продиффундировавшего за время dt через элементарную поверхность dF, нормальную к направлению диффузии, пропорционально градиенту концентрации dC/dx этого вещества:

dM = -D dF dt (dC/dx) или M = -D F t (dC/dx),
где D —коэффициент диффузии, м²/с.

Коэффициент диффузии характеризует способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду и определяется опытным путем. Значение D зависит от агрегатного состояния фаз. Так D для газов выше, чем для жидкостей в четыре раза. С увеличением температуры коэффициент диффузии растет, для газов с повышением давления - снижается.

КОНВЕКТИВНАЯ ДИФФУЗИЯ

Конвективная диффузия представляет собой перенос распределяемого компонента в движущейся фазе (жидкость, газ) при турбулентном режиме. В ядре потока вещество перемещается к границе раздела фаз за счет перемещения молярных частей среды т.е. конвективной диффузии. Конвективная диффузия подчиняется закону Щукарева: количество вещества dM, переносимого за время dt через элементарную поверхность dF, пропорционально разности концентрации у поверхности раздела фаз с_п и в ядре потока воспринимающей фазы - с:

dM = b(c_п- с) dF dt,

где b - коэффициент массоотдачи, т.е. количество вещества, передаваемого за единицу времени через единицу поверхности раздела фаз, при разности концентраций между поверхностью раздела и ядром потока равной 1 кг/м³.

Для установившегося процесса

dM = b(c_п - с) dF, при b = Const M = b(c_п - с) dF.

ТЕРМОДИФФУЗИЯ - перемещение частиц вещества за счет разности температур. В результате термодиффузии происходит разделение компонентов. Разность температур в твердом теле вызывает поток массы вещества.

МАССОПРОВОДНОСТЬ ИЛИ ВНУТРЕННЯЯ ДИФФУЗИЯ

Данный перенос вещества осуществляется внутри твердого вещества. Данный перенос описывается законом, аналогичным теплопроводности или первым законом Фика:

dM = -D dF dt (dC/dx).

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАНЕНИЕ КОНВЕКТИВНОЙ ДИФФУЗИИ

Закон распределения концентраций при конвективной диффузии в общем виде определяется уравнением

dс dс dс dс d²с d²с d²с
── + w_x ─── + w_y ─── + w_z ─── = D ─── + ─── + ───,
dt dx dy dz dx² dy² dz²

где w_x, w_y, w_z —проекции скорости на соответствующие оси координат.

 

Для установившегося режима:

dс dс dс d²с d²с d²с
w_x ─── + w_y ─── + w_z ─── = D ─── + ─── + ───.
dx dy dz dx² dy² dz²

При массообмене в неподвижной среде

dс d²с d²с d²с
── = D ─── + ─── + ───.

dt dx² dy² dz²

Это уравнение называется вторым законом Фика. В дифференциальном уравнении массообмена в движущейся среде переменной величиной помимо концентрации является скорость потока, поэтому необходимо рассматривать так же дифференциальное уравнение движение вязкой жидкости. Эта система имеет решения только для простейших случаев массообмена, поэтому в большинстве случаев используют методы теории подобия. Числа подобия для массообменных процессов имеют одинаковую структуру с тепловыми числами подобия; так, например, для установившегося движения:

Nu_D = C Re_D^mPr_Dⁿ_.

Числовые значения С, m и n находят опытным путем. По найденному значению Nu_D определяют коэффициент массоотдачи b

b = (Nu_D D)/ L.

 

МАССОПЕРЕДАЧА В СИСТЕМЕ С ТВЕРДОЙ ФАЗОЙ

 

Отличается от конвективного массообмена тем, что протекает в нестационарном режиме. Рассмотрим схему перемещение вещества из жидкой фазы в твердую. В начальный момент концентрация постоянна во всем объеме твердой пластины и равна с_н. При концентрации начальной больше равновесной т.е. с_н > с_р компонент перемещается из твердой фазы в ядро жидкой, преодолевая как внешнее так и внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление связано с диффузией вещества внутри твердого тела к его поверхности (массопроводность). Внешнее сопротивление - с диффузией через пограничный слой к ядру жидкости (массоотдача). В начальный момент времени градиент концентраций dc/dx=0, с = с_н = Const. В последующие моменты времени t₁, t₂,... t ¥ появляется градиент ко

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: