PROIECT

Dimensionarea unei instalatii de evaporare cu triplu efectSistem de circulatie :ECHICURENT Solutie de Bicarbonat de sodiu (NaHCO3)

Profesor :

Student:

Cuprins

1.Tema de proiectare

2 .Evaporarea

3.Ipoteze simplificatoare in calculul instalatiei

4. Dimensionare (Mathcad)

5. Calculul temperaturii reale de fierbere

1.Tema de proiectare

Sa se dimensioneze tehnologic o instalatie de evaporare cu triplu efect destinata concentrarii unei solutii apoase de NaHCO3.

Date de proiectare:-capacitatea de productie : 25 t/h-concentratia solutiei initiale: 5%-concentratia solutiei finale : 40 %-presiunea aburilor primar saturat uscat : 3 atm-temperatura de intrare a solutiei initiale in instalatie :21-tipul evaporatorului :vertical cu teava central cu circulatie

2 .Evaporarea

Evaporarea este operatia de concentrare a unor solutii care contin substante nevolatile dizolvate in solventi volatili, prin vaporizarea unei parti din solvent din solutia adusa la fierbere. Uneori evaporarea realizeaza indepartarea completa a solventului in vederea obtinerii componentelor nevolatile in stare solida, sau de topitura. Un astfel de exemplu este obtinerea hidroxidului de sodiu sub forma de topitura, prin concentrarea solutiilor obtinute prin electroliza. Caracteristic in evaporare este faptul ca vaporii rezultati la fierberea solutiei sunt formatii numai din solventul (solventii) volatil.Intensitatea evaporarii se caracterizeaza printr-o marime denumita capacitatea de evaporare, m, care reprezinta cantitatea de dizolvant, W, evaporata in unitatea de timp, raportata la unitatea de suprafata de incalzire al evaporatorului:In majoritatea cazurilor, solutia concentrata obtinuta prin evaporarea partiala a dizolvantului formeaza produsul valoros, iar vaporii produsul secundar care se elimina din amestec. Trecerea in stare de vapori se poate face prin evaporare superficiala sau prin fierbere. Evaporarea superficiala se produce numai la suprafata amestecului, la temperaturi inferioare celei de fierbere, in timp ce evaporarea prin fierbere se produce in intreaga masa a lichidului, fiind mult mai intensa.In continuare se va considera evaporarea prin fierberea solutiilor apoase,incalzirea amestecului, in vederea concentrarii fiind asigurata cu aburi saturati.Aparatele de concentrare industriale sint aparate inchise, care asigura imbunatatirea conditiilor sanitare si ofera posibilitatea functionarii sub presiune sau sub depresiune.

Schema de principiu a evaporatorului

Metode de evaporare In majoritatea cazurilor solutia concentrata obtinuta prin evaporarea partiala a solventului formeaza produsul principal iar vaporii solventului formeaza produsul secundar. Daca solventul solutiei este apa (situatie frecvent intalnita), aburul format prin fierberea solutiei se poate utiliza ca agent termic in alte instalatii sau in instalatia de evaporare din care acestia rezulta. Pentru aducerea la fierbere a solutiei din evaporator se foloseste un agent termic care, de obicei, este aburul si care, in evaporare, este denumit abur primar, pentru al deosebi de aburul care rezulta prin evaporarea solutiei, denumit abur secundar. Dupa modul in care se utilizeaza aburul secundar pentru evaporare se deosebesc trei metode de evaporare:

- evaporarea simpla;

- evaporarea cu pompa de caldura;

- evaporarea cu efect multiplu. .

Evaporarea simpla In aceasta metoda vaporii secundari rezultati la evaporator sunt trecuti la un condensator de amestec pentru a se crea vid in spatiul de fierbere ori sunt utilizati in alte instalatii de incalzire sau chiar evacuati in atmosfera. Principalul dezavantaj al acestei metode de evaporare este neutilizarea caldurii vaporilor secundari pentru operatia de evaporare. Din acest motiv metoda este recomandata pentru cantitati mici de solutie.Cel mai simplu evaporator care se utilizeaza si in evaporarea simpla este evaporatorul cu tevi scurte cu circulatia naturala a solutiei, denumit si evaporatorul Robert .

Evaporarea cu pompa de caldura La evaporarea simpla caldura vaporilor secundari nu este utilizata la aceeasi instalatie de evaporare. Deoarece vaporii secundari au un continut caloric ridicat s-au cautat solutii pentru utilizarea lor ca agent termic in instalatia de evaporare.Intrucat temperatura vaporilor secundari, TW, este mai mica decat temperatura de fierbere a solutiei, Tc, caldura vaporilor secundari nu poate fi transferata solutiei si de aceea s-au cautat solutii pentru a inversa relatia dintre cele doua temperaturi. Acest lucru se poate realiza in doua moduri: - prin comprimarea vaporilor secundari pana la o presiune la care temperatura lor devine cu 8-10 0C mai mare decat temperatura de fierbere a solutiei, cand se realizeaza evaporarea cu pompa de caldura; - prin micsorarea presiunii in spatiul de fierbere astfel incat temperatura de fierbere sa scada sub temperatura vaporilor secundari asa cum este cazul in evaporarii cu efect multiplu. In metoda de evaporare cu pompa de caldura vaporii secundari sunt preluati de un compresor sau de un injector si li se ridica presiunea astfel incat temperatura lor sa creasca cu 8-10 0C peste temperatura de fierbere a solutiei. Dupa comprimare vaporii secundari sunt introdusi in camera de incalzire a evaporatorului iar alimentarea cu abur primar se reduce sau chiar se opreste, in functie de necesarul de caldura care rezulta din bilantul termic. Deoarece potentialul global al transferului de caldura este relativ mic este necesara o suprafata de incalzire mare si de aceea aceasta metoda este avantajoasa din punct de vedere economic in urmatoarele situatii: - cand pentru incalzirea evaporatorului avem la dispozitie abur de inalta presiune care ar trebui trecut printr-un reductor de presiune inainte de utilizare. In acest caz este preferabil ca acest abur sa fie utilizat ca fluid motor intr-un injector care preia aburul secundar si il comprima; - cand se face evaporarea unor solutii ce contin substante care nu suporta temperaturi ridicate, cum ar fi: concentrarea laptelui a unor sucuri din fructe a extractelor tanante,Evaporarea cu efect multipluVaporii secundari rezultati dintr-un evaporator pot fi utilizati ca agenti de inclzire la un alt evaporator, cu conditia ca temperatura de fierbere a solutiei din al doilea evaporator s fie mai mic decat temperatura vaporilor ce rezult din primul.Principiul folosirii aburului secundar ca agent de inclzire se poate extinde si la un numr mai mare de corpuri.In practic se intalnesc cazuri de folosire a pan la 10 corpuri, dar cel mai utilizat este pan la 3-4 corpuri de evaporator.O statie la care din numrul N de evaporatoare numai primul foloseste abur primar la inclzire, se numeste statie de evaporare cu efect multiplu, iar evaporarea se numeste evaporare multipl.Exist 4 posibilitti de aranjare, respectiv de functionare a statiilor de evaporare cu efect multiplu: in echicurent, in contracurent, cu alimentare separat a evaporatoarelor cu solutie diluat si in curent mixt.

Statie de evaporare cu 3 corpuri in echicurent

1-vas de alimentare; 2,19 pompe; 3- preanclzitor; 4- alimentare cu solttie diluat 5- intrare abur viu; 6- iesire abur secundar 1; 7- intrare solutie concentrat 1in C2; 8- iesire condens; 9- gaze necondensabile; 10- iesire abur secundar din C3; 12-intrare ap de rcire in condensator; 13- coloan barometric cu condens; 14- colector condens + ap; 15- gaze necondensabile; 16- vas separator; 17- pomp vacuum; 18- iesire solutie concentratie final; 20- colector solutie concentrat;

3.Ipoteze simplificatoare in calculul instalatiei

Calculul evaporatoarelor cu efect multiplu se realizeaz prin rezolvarea unui sistem de (4n-1) ecuaii n care n este numrul evaporatoarelor din instalaie. Sistemul de (4n-1) ecuaii este alctuit din cte n ecuaii de bilan de materiale, bilan termic i transfer de cldur i din (n-1) ecuaii de condiii suplimentare (relaii ntre suprafeele de transfer, debite i presiuni, etc.)Evaporatoarele se numeroteaz de la 1 la N n sensul de circulaie a vaporilor. Bilanul de materiale al evaporatorului nPentru majoritatea evaporatoarelor, datorit amestecrii se poate considera concentraia la ieire egal cu concentraia din evaporator. Bilanul termic al evaporatorului n Ecuaia de transfer termic al evaporatorului n:

unde kn este coeficientul total de transfer termic, W/m2grdAn este aria medie a suprafeei de transfer termic a evaporatorului n, m2. Ecuaii de condiii suplimentare:Condiia de egalitate a ariilor de transfer termicA1 = A2 = A3 .O alta posibil condiie suplimentar este ca aria total de transfer termic s fie minim. Aceast condiie nu este ntotdeauna mai avantajoas din punct de vedere economic condiiei de arii egale. Sistemul matematic se mparte n 2 subsisteme: unul format din ecuaiile de bilan masic i termic i altul format din ecuaiile de transfer termic i condiiile suplimentare. n aproximaia de ordin 0, se efectueaz un calcul orientativ, bazat pe ipotezele simplificatoare ale instalaiei ideale. O instalaie ideal de evaporare cu efect multiplu corespunde urmtoarelor ipoteze: temperaturile de fierbere ale soluiilor n evaporatoare se consider egale cu temperaturile de fierbere ale solventului pur la presiunile din utilaje se neglijeaz efectul termic de concentrare a soluiilor se neglijeaz pierderile de cldur spre exterior singurele cderi de temperatur sunt cele necesare transmiterii cldurii de la aburul de nclzire la lichidul fierbnd la punctul de fierbere al solventului aburul de nclzire este saturat; condensatul nu este rcit; n tot spaiul de nclzire temperatura este constant i egal cu temperatura vaporilor saturai la presiunea din evaporator. capacitatea caloric a lichidului dintr-un evaporator oarecare este dat de diferena (G0cp0 - cpapaWi) dintre capacitatea caloric a lichidului diluat iniial i suma capacitilor calorice ale cantitilor de solvent evaporat n evaporatoarele precedente.

4. Dimensionare (Mathcad)

5. Calculul temperaturii reale de fierbere

Temperatura de fierbere a unui lichid este temperatura la care presiunea de vapori devine egala cu presiunea sub care se face fierberea. Dup cum se poate vedea, temperatura de fierbere depinde de presiune i de compoziia lichidului. Temperatura real de fierbere n evaporator se poate calcula cu ecuaia :

unde

este creterea de temperatur datorat efectului de concentrare a soluiei

este creterea de temperatur datorat efectului hidrostatic n evile evaporatorului

este creterea de temperatur datorat rezistenelor hidraulicePresiunea medie se calculeaz cu:

n care p este presiunea la suprafaa lichidului, Hm este distana dintre nivelul superior al lichidului n evaporator i nivelul mediu al suprafeei de nclzire udate de lichid, iar m este densitatea medie a lichidului n fierbere.In evaporatorul 2 temperatura este de 95 ,iar presiunea la suprafata lichidului este de 0.8341 atm (633.9 torr).Densitatea a hidroxidului de sodiu este 2.13 kg/m3 ,iar lungimea tevilor este de 2 m.Hm = Hn /2 , unde Hn este nlimea nivelului de lichid n aparat (fr spum)

Se poate considera pm=

=tft

este creterea de temperatur datorat concentraiei la presiunea p

tf =

=Temperatura de fierbere a soluiilor poate fi calculat n cazul cunoaterii temperaturii normale de fierbere a soluiei cu ecuaia aproximativ a lui Tiscenko

n care

este creterea de temperatur datorat concentraiei la presiunea p

este creterea de temperatur datorat concentraiei la presiune atmosferic T este temperatura absolut de fierbere a dizolvantului pur la presiunea p de fierbereTn este temperatura absolut de fierbere a dizolvantului pur la presiune atmosfericr este cldura latent de dizolvare a dizolvantului pur la presiunea p de fierberern este cldura latent de dizolvare a dizolvantului pur la presiune atmosferic

= Temperatura de fierbere este:

=

http://www.scritub.com/stiinta/chimie/Evaporarea33212161.php

http://www.scrigroup.com/tehnologie/merceologie/Evaporareaconcentrarea-Instala14334.php