ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ВЫПАРНОМ АППАРАТЕ

 

Содержание работы

 

Выпаривание, то есть процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества, эффективно может быть проведён под вакуумом, так как при этом понижается температура кипения раствора, а теплота, необходимая для проведения процесса, может быть подведена от теплоносителя с низким температурным потенциалом.

Интенсивность теплообмена в выпарном аппарате определяется величиной коэффициента теплопередачи (K_Т), который, согласно основному уравнению теплопередачи, равен:

 

,

(2.5.1)

 

где – количество теплоты, передаваемой в единицу времени от греющего теплоносителя к кипящему раствору, или тепловой поток;

– средняя вдоль поверхности теплообмена разность температур теплоносителей;

А – площадь поверхности теплообмена, вычисляемая обычно по наружному диаметру теплообменных труб.

Тепловой поток в аппарате определяется количеством теплоты, отдаваемой за единицу времени греющим теплоносителем:

 

,

(2.5.2)

 

где h _{1, н} и h _{1, к} – начальная и конечная удельные энтальпии греющего теплоносителя, соответственно;

– массовый расход греющего теплоносителя.

Количество теплоты, воспринимаемой за единицу времени кипящим раствором, или тепловой поток при выпаривании водного раствора вещества (без учёта теплоты концентрирования раствора и тепловых потерь в окружающую среду) определяется уравнением:

 

,

(2.5.3)

где с_{р , н} – удельная теплоёмкость раствора с начальной концентрацией растворённого вещества и при его средней температуре, то есть при температуре, равной ¹/₂∙(Т _н + Т _кон);

Т _н – начальная температура раствора, поступающего на вы-паривание;

Т _кон – конечная температура упаренного раствора, равная температуре его кипения в аппарате в верхнем слое;

– массовый расход раствора, поступающего в выпарной аппарат;

– удельная энтальпия водяного пара над кипящим раствором;

– удельная энтальпия воды при конечной температуре кипящего раствора;

– массовый расход воды, удаляемой из раствора.

Примечание: индексы “aq” и “W” — на основе лат. aqua – вода и нем. Wasser – вода, соответственно.

 

Средняя разность температур (при выпаривании называемая иначе «полезная разность температур») зависит от распределения температур греющего агента и кипящего раствора вдоль поверхности теплообмена.

Температура кипения раствора (Т _кип) в какой-либо точке объёма аппарата определяется соотношением:

 

Т кип = Т * + D¢,

(2.5.4)

 

где Т * – температура насыщенного водяного пара при давлении р в данной точке аппарата;

D¢ – концентрационная (физико-химическая) депрессия температурного потенциала установки.

Давление р в той или иной точке объёма кипящего раствора может быть определено по закону гидростатики:

 

р = р W + 1/2rL gh,

(2.5.5)

 

где р _W – давление насыщенного водяного пара над свободной поверхностью раствора;

r_L – плотность раствора;

h – высота слоя кипящего раствора над рассматриваемой точкой;

¹/₂ – коэффициент, учитывающий среднее снижение плотности жидкости из-за наполнения её паром.

Концентрационная депрессия (D¢) в аппарате с циркуляцией кипящего раствора является практически постоянной величиной и определяется конечной концентрацией упариваемого раствора.

Конечная концентрация раствора связана с его начальной концентрацией соотношением:

 

,

(2.5.6)

 

где w _к и w _н – массовые доли концентрированного (конечного) и исходного (начального) растворов, соответственно.

Концентрация растворённого вещества в исходном растворе может быть определена инструментально, например, методом рефрактометрии.

 

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплопередачи в выпарном аппарате при упаривании водного раствора сульфата меди; сравнение полученного значения со значением, рассчитанным по уравнению аддитивности термических сопротивлений.