Перевищення температури кипіння розчинів сахарози при атмосферному тиску

З точки зору мінімізації перепаду температури між корпусами, підвищення температури кипіння стає важливим фактором лише в концентрованих розчинах. Наприклад, розчин цукру може випарюватись від початкових 20% мас твердої речовини до кінцевих 80% мас в трьохкорпусному випарному апараті. Згідно з уже наведеним рівнянням балансу маси і енергії, розрахункові концентрації розчину в

цих корпусах дорівнюють 27,41 і 80 %мас. відповідно. Підвищення температури кипіння в кожному з трьох корпусів складає: 0.6; 1.0; 6.8°С відповідно з врахуванням поправок на температуру і теплоту пароутворення згідно з рівнянням (6.7). Відповідно, лише підвищення температури кипіння в останньому корпусі вносить суттєвий вклад в різницю температур між окремими корпусами.

Тиск в будь-якому корпусі випарного апарату визначається температурою конденсації вторинної пари. Але, як вже показано, в залежності від концентрації розчину температура кипіння може перевищувати температуру конденсації пари. Тоді вторинна пара, що утворилася з розчину, перегрівається завдяки підвищеній температурі кипіння. Тому в прямотечійних випарних апаратах найбільше підвищення температури кипіння спостерігається в останньому корпусі і визначається різницею температур корпуса і охолоджуючої води. В протитечійних системах найбільше підвищення температури кипіння буде мати місце між першим і другим корпусами.

6.1.4 Ентропійний аналіз

В дійсності трьохкорпусний випарний апарат не настільки економічний, як це може здаватися на перший погляд. Порівняння зниження рівня ентропії сировини і зростання рівня ентропії навколишнього середовища підтверджують цей висновок. Розглянемо схему ентропійного аналізу трьохкорпусного випарного апарату для концентрування розчину сахарози від первинних 20 % мас до кінцевих 80 % мас (рис 6.4). Нехай параметри гріючої пари відповідають умовам для перших трьох корпусів, що представлені в таблиці 6.1.

Рис. б. 4. Схема ентропійного аналізу випарного апарата

Баланси маси і енергії процесу показують, що за допомогою 1 кг гріючої пари може бути сконцентровано 3.6 кг первинного розчину. Якщо припустити, що температури первинного розчину і кінцевого продукту однакові, то отримане зниження ентропії зв'язане тільки з складом розчину. При 20% твердої речовини вихідний розчин містить 0.72 кг сахарози¹ і 2.89 кг води на 1 кг гріючої пари.

При розподілі молекулярних мас сахарози (342) і води (18), вихідний розчин можна представити як розчин, що складається з 0,00211 моля сахарози і 0.16 моля води з сумарним мольним вмістом 0.162. У такому випадку мольна частка сахарози складає 0,013. Ентропія вихідної суміші, згідно рівняння (1.21), дорівнює 0,262 кДж/К на 1 моль випареного розчину, або 0,094 кДж/К на 1 кг гріючої пари. Використовуючи той же метод оцінки для кінцевого продукту, що містить 0,9 кг, або 0,0121 моля речовини, при 0,174 - мольній частці сахарози, отримуємо ентропію 0,877 кДж/К на 1 моль, або 0,023 кДж / К на 1 кг гріючої пари. Оскільки ентропія сконденсованої вторинної пари, по суті, дорівнює нулю, то сумарне зниження ентропії процесу рівне 0,094 -0,023 = 0,071 кДж/К на 1 кг гріючої пари.

Кожен кілограм гріючої пари віддає свою приховану теплоту 2251 кДж в першому корпусі. Це тепло в кінцевому рахунку виводиться у довкілля у вигляді теплових втрат і тепла води конденсатора (циркуляційної води). Ентропія гріючої пари знижується при конденсації на величину 2250 кДж / кг, поділену на його абсолютну температуру 273+106°С, що дає зниження ентропії на 5,93 кДж/(кг'К). Та ж кількість тепла, що повернулася в навколишнє середовище при Т = 29.4° С, збільшує її ентропію на 7.44 кДж/К на 1 кг гріючої пари. Чистий приріст ентропії системи нагрівання й охолодження складає 1.51 кДж/К на 1 кг гріючої пари, що представляє собою 21 - кратне зниження ентропії процесу.

Якщо з метою зведення до мінімуму градієнтів температури, збільшити всі поверхні теплообміну, то підвищення точки кипіння все ще збережеться. За цих умов загальне підвищення температури кипіння становитиме ~ 8,34 °С. Тоді гріюча пара зможе випарювати тільки при температурі 37,78 °С. Навіть при такій мінімальної різниці температур, зростання ентропії системи нагрівання і охолодження при тій же кількості вихідного розчину все ще складе 0.197 кДж / К, що представляє собою приблизно трикратне зниження ентропії процесу.

6.1.5. Цикли стиснення вторинної пари

Випарний апарат може отримувати енергію і тепло від механічних компресорів, що використовуються в циклах стиснення пари. Прикладом може бути однокорпусна випарна установка з системою механічного стиснення,

Буряковий та тростинний цукор,-глюкопіранозил--фруктофуранозид, С₁₂H₂₂О11 — важливий дисахарид. Побутова назва — цукор.

описана в роботі [2] і показана схематично на рис. 6.5. Вона використовується для регенерації води з промислових стічних вод з утворенням сольових шламів, придатних для подальшої утилізації.

Після підігріву дистильованою водою вихідний розчин деаерують з метою видалення повітря і двоокису вуглецю. Потім його вводять в рециркулюючий шлам, що протікає по трубному пучку, де тепло абсорбується конденсуючою гріючою парою. Випаровування в цій системі відбувається при атмосферному тиску, оскільки система має деаератор¹.

Виділена з шламу² вторинна пара перегріта завдяки підвищенню температури кипіння на ~ 2,2 °С. її стискають до тиску -120 кПа і температури 126,7 °С, а конденсується вона при температурі ~ 105,6 °С, завдяки чому на поверхні теплообміну створюється різниця температур ~ 3.3 °С. Утворений конденсат використовують для підігріву вихідного розчину.

Рис. 6.5. Однокорпусна випарна установка з системою механічного стиснення

Спосіб оцінки роботи, що виконується компресором, описаний в роз. 5 відповідно до роботи теплових насосів. Рис. 5.2 і рівняння (5.1) - (5.5) відносяться

Пристрій, що широко застосовується для видалення повітря та інших розчинених газів з живильної води перед парогенератором.

Вугілля крупністю 0—0,5 мм, одержане в результаті мокрого збагачення.

до холодоагенту¹, який рухається в замкненому циклі. У даному випадку цикл розімкнений, але використовуються ті ж рівняння. Різниця температур між джерелом і стоком тепла в випарному апараті визначається просто підвищенням точки кипіння і різницею температур на одиничній поверхні теплообміну. Тому відношення затраченої роботи до отриманого тепла буде значно нижче, ніж у звичайних системах охолодження.

Згідно з розрахунками, в описаному тут циклі стиснення вторинної пари для випаровування води при температурі 102,2 °С потрібно затратити 22.6 кДж. Відношення затраченої роботи до отриманого тепла в розглянутому процесі рівне 0,022, що відповідає 13,7 кВт/год електричної енергії на 1000 л води. З урахуванням додаткових витрат енергії на приведення в дію двигунів насосів, підвід десорбуючої пари в деаератор і теплових втрат, фактичне споживання енергії досягає 19 кВт/год на 1000 л води, що відповідає відношенню роботи до отриманого тепла, рівному 0,030.

Припускаючи, що електроенергія, необхідна для роботи апарату, виробляється за рахунок спалювання палива з термодинамічним к.к.д., що становить32%, теплова економічність системи така, що на 1 кДж тепла, що виділяється при спалюванні палива, вода, що випаровується, отримує10,7 кДж. Це еквівалентно отриманню більшої кількості вторинної пари, ніж цієї, що може утворюватися при пропусканні 1 кг гріючої пари через 15 корпусах звичайної випарної установки. А так як точка скорочення рентабельності досягається набагато раніше п'ятнадцятого корпуса, то можна сказати, що однокорпусний випарний апарат з циклом стиснення пара набагато економічніший від будь-якої кількості звичайних корпусів. Цього і слід було очікувати, оскільки на економічність такої системи впливає підвищення точки кипіння, причому в даному прикладі підвищення на 2,2 °С нижче, ніж у більшості інших системах.

Підведена до компресора чиста енергія врешті виводиться з випарного апарата у вигляді різниці фізичних теплот кінцевого продукту і вихідного розчину. Тоді без будь-яких інших джерел і стоків тепла температура кінцевих продуктів буде визначатися температурою вихідного розчину. Всмоктування в компресор відбувається при атмосферному тиску, оскільки через деаератор він пов'язаний з атмосферою. Якщо десорбційна обробка недостатня, то неконденсований газ буде впливати на теплообмін і знижувати к.к.д. циклу. Надмірна десорбційна обробка буде збільшувати втрати гріючої пари і тим самим знижувати к.к.д. циклу. Для отримання кращих характеристик слід регулювати кількість надходжуючої

Робоча речовина холодильної машини, яка при кипінні або в процесі розширення віднімаєтеплоту від охолоджуваного об'єкта і потім після стиснення передає її охолоджувальному середовищу (воді, повітрю тощо).

десорбційної пари шляхом регулювання перепаду тиску пари в деаератор, який вимірюється датчиком перепаду тиску, зображеним на рис. 3.6 та 3.7.

У деяких типах апаратів для випарювання з метою прискорення руху розчину температури повинні підтримуватися на мінімальному рівні. У цьому випадку для регулювання температури кінцевого продукту або абсолютного тиску в корпусі в цикл можна вводити додаткову кількість гріючої водяної пари.

У першому корпусі багатоступеневих випарних апаратів все більш широке застосування знаходять паростискаючі ежектори . У роботі [3] описана така система, в якій в перший корпус поступає не пара низького тиску, а пара, що має надлишковий тиск 0,103 МПа (рис. 6.6). Ежектор стискає деяку кількість вторинної пари першого корпусу до тиску гріючої пари в паровій коробці першого корпусу подібно до того, як це робиться механічним компресором. Для одержання 1 кг гріючої пари з тиском 0,103 МПа потрібно 0,474 кг гріючої пари з тиском 1,14 МПа, який стискає 0,526 кг вторинної пари першого корпусу, насиченої при температурі 82,2 ° С. На поверхні теплообміну виникає різниця температур 17,8 ° С.

Рис. 6. б. Система з додатковим паростискаючим ежектором

Представлена на рис. 6.7 діаграма тиск Р - ентальпія Е допомагає пояснити робочий процес компресора. При злитті двох потоків повинен досягатися баланс маси та ентальпії. Тому незалежно від термодинамічного к.к.д компресора, ентальпія суміші піддається визначенню. Якщо змішування носить необоротний характер, то стиснення відбуватися не буде, а суміш буде просто перегріватися до точки А. Це невигідно для системи, так як прихована теплота суміші не відновлюється.

Якщо стиск повністю оборотний, то ентропія буде зберігатися. Баланс ентропії суміші показує, що рівноважний стан має тоді перебувати на кривій насичення в точці В, в котрій відбувається стиснення до тиску0,21 МПа. Однак

Струминний насос для відсмоктування (при значному розрідженні) рідин, газів, пари або сипких мас за рахунок передачі кінетичної енергії від робочого середовища (що рухається) до відсмоктувального.

фактично рівноважний стан суміші досягається в проміжній між цими двома екстремумами точці С. При цьому частково зростає ентропія і суміш стає перегрітою до температури117,2 °С.

Рис. б. 7. Діаграма тиск - ентальпія

Відповідно до представленого на рис. 6.6 балансу маси, компресор додає ще один корпус у систему. Фактично в першому корпусі досягається випарювання, еквівалентне двокорпусному в тому сенсі, що при використанні лише 0,474 кг гріючої пари в ньому виділяється 0,965 кг вторинної пари. Проте в другий корпус надходить лише 0,444 кг вторинної пари. Тоді в другому і в усіх подальших корпусах буде практично утворюватися така ж кількість вторинної пари на 1 кг гріючої пари, що і без компресора. В цілому, компресор використовується замість одного ступеня випаровування.

У промислових умовах економічність роботи такої системи нижча, ніж у простого багатокорпусного випарного апарату. Трьохкорпусний випарний апарат із компресором буде видаляти ~ 4.7 кг вторинної пари на 1 кг гріючої пари, що має тиск 1.14МПа. Семикорпусний випарний апарат без стискування може видаляти 5.6 кг вторинної пари на 1 кг гріючої пари при тому ж тиску (табл. 6.1). Однак при визначенні оптимальної технологічної схеми будь-якого процесу повинні розглядатися багато чинників і в тому числі температурні обмеження щодо кінцевого продукту, капітальні витрати та наявність достатніх кількостей гріючої пари.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Частина III. Масообмінні процеси	\|	Регулювання якості кінцевого продукту

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.015 сек.