Температурные потери и температура кипения растворов

В выпарном аппарате возникают температурные потери, снижающие разность температур между греющим паром и выпариваемым раствором. Они складываются из температурной депрессии ', гидростатической депрессии '' и гидравлической депрессии '''.

Температурная депрессия ' равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя при одинаковом давлении.

Значение ' зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления. Значения ', полученные опытным путем, приводятся в справочной и специальной литературе. Если экспериментальные данные о величинах ' для данного раствора отсутствуют, то значения температурной депрессии могут быть приближенно вычислены различными способами, причем должна быть известна либо одна температура кипения данного раствора при некотором давлении (по правилу Бабо), либо две температуры кипения раствора при двух произвольно взятых давлениях (по правилу Дюринга или уравнению Киреева).

Рассмотрим в качестве примера расчет ' с помощью эмпирического правила Бабо, согласно которому относительное понижение давления пара (p1-p2)/p1 или p2/p1 над разбавленным раствором данной концентрации есть величина постоянная, не зависящая от температуры кипения раствора, т. е.

где p1 и р2 — давление пара соответственно растворителя и раствора.

Зная температуру кипения t2 раствора при некотором произвольно взятом давлении р2, находят (по таблицам насыщенного водяного пара) давление, пара чистого растворителя (воды) р1 при той же температуре и рассчитывают константу К, пользуясь зависимостью (11). По тому же уравнению определяют для заданного давления р2 над раствором (в выпарном аппарате) давление пара р1 чистого растворителя и находят по таблицам соответствующую ему температуру t'2, которая и будет температурой кипения раствора при заданном давлении. Так как температура чистого растворителя при этом давлении известна, то температурная депрессия составляет.

(1).

Для концентрированных растворов к величине ', рассчитанной по правилу Бабо, следует вводить поправки, предложенные В. Н. Стабниковым, величина которых зависит от отношения p2/p1 и давления р2. Поправка прибавляется к величине, полученной по правилу Бабо, если теплота растворения положительна, и вычитается, если эта теплота отрицательна.

Опытные значения температурной депрессии обычно приводятся при атмосферном давлении. Величину при любом давлении можно получить, пользуясь уравнением И. А. Тищенко:

где — температурная депрессия при атмосферном давлении, °С; Т, r — температура, кипения чистого растворителя (в К) и его теплота испарения (в кдж/кг) при данном давлении.

Уравнение (1) применимо только к разбавленным растворам. Депрессия обусловлена тем, что некоторая часть высоты кипятильных труб выпарного аппарата заполнена жидкостью, над которой находится паро-жидкостная эмульсия; содержание пара в ней резко возрастает по направлению к верхней кромке труб.

Назовем условно все содержимое кипятильных труб жидкостью. Вследствие гидростатического давления столба жидкости в трубах температура кипения нижерасположенных слоев жидкости в них будет больше, чем температура кипения вышерасположенных. Повышение температуры кипения раствора, связанное с указанным гидростатическим эффектом, называется гидростатической депрессией.

Гидростатическая депрессия наиболее существенна при работе аппарата под вакуумом.

Значение гидростатической депрессии не может быть точно рассчитано ввиду того, что жидкость в трубах находится в движении, причем «зависит от интенсивности циркуляции и изменяющейся плотности паро-жидкостной эмульсии, заполняющей большую часть высоты кипятильных труб.

В первом приближении расчет «возможен на основе определения температуры кипения в среднем поперечном сечении кипятильной трубы. Для этого находят давление р в данном сечении, равное сумме давлений вторичного пара pВТ. П и гидростатического давления pСР столба жидкости на середине высоты H трубы:

где — средняя плотность жидкости, заполняющей трубку.

Допуская, что величина равна половине плотности чистого раствора (без присутствия пузырьков пара), т. е., получают По давлению р с помощью таблиц насыщенного водяного пара находят температуру воды tB, соответствующую данному давлению. Разность между температурой tB и температурой вторичного пара T' определяет гидростатическую депрессию В связи с неточностью такого расчета, которым не учитывается движение (циркуляция) раствора, значения «обычно принимают по практическим данным.

Для вертикальных аппаратов с циркуляцией выпариваемого раствора «может быть принята в пределах 1—3 °С.

Гидравлическая депрессия обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями), которые должен преодолеть вторичный пар при его движении главным образом через сепарационные устройства и паропроводы. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры насыщения.

Повышение температуры кипения раствора, обусловленное гидравлической депрессией, обычно колеблется в пределах 0,5—1,5 °С. В среднем величина '" для единичного аппарата может быть принята равной 1 °C. При расчете многокорпусных установок гидравлическую депрессию учитывают, принимая во внимание снижение давления вторичного пара только в паропроводах между корпусами.

Температура кипения раствора с учетом температурных потерь, обусловленных температурной ' и гидростатической «депрессиями, составляет где T' - температура вторичного пара.