12. Prednáška ___________________________________________________________________________________________________ _________________________________ Odparovanie kvapalín Odparovanie kvapalín Cieľ: Zahustenie roztokov, získavanie kryštálov látok, regenerácia rozpúšťadla... Odparka - systém zariadení v ktorých sa uskutočňuje odparovanie (1 odparovač, alebo viacej odparovačov, odlučovač kvapiek, kondenzátor, chladič...) Dej: periodický (pretržitý), alebo nepretržitý (kontinuálny) Pracovný tlak: Patm atmosferický; P> Patm; P < Patm (vákuové odparky) Surovina : čerstvý roztok Produkt: zahustený roztok, štiavna (brýdová) para, kryštály tuhej fázy Zapojenie viacčlennej odparky: súprúdové usporiadanie protiprúdové uspordanie paralelné usporiadanie kombinované usporiadanie Teplota varu rozpúšťadla Dvyph – špecifické výparné teplo rozpúšťadla M – mólová hmotnosť rozpúšťadla Clausiova – Clapeyronova rovnica Teplota varu roztoku pri danom tlaku Určujúci tlak v odparovači Po h Roztok má vždy teplotu varu vyššiu ako má čisté rozpúšťadlo! PREČO ? Pridaním tuhej zložky do roztoku poklesne tlak pár roztoku – pokles tlaku roztoku vyvolá zvýšenie bodu varu roztoku Odparovanie kvapalín Výpočet teploty varu roztoku pri danom tlaku Prepočtové vzťahy odvodené z Clausiovej – Clapeyronovej rovnice, teplota varu roztoku sa porovnáva: s teplotou varu štandardnej kvapaliny pri tom istom tlaku Düringovo pravidlo Ramsay-Youngovo pravidlo • porovnáva sa tlak pár skúmaného roztoku s tlakom pár štandardnej kvapaliny pri tej istej teplote Baboovo pravidlo Othmer-Coxovo pravidlo Typy odparovačov Ohrevná para prúdi vo vnútri rúrok, •slabá cirkulácia roztoku, viskozita ¯, bez kryštalizácie, ! jednoduché a lacné • Roztok prúdi vo vnútri rúrok a ohrevná para kondenzuje v oplášťovanej časti, stredná časť slúži na cirkuláciu roztoku Odparka s horizontálnou ohrevnou sústavou Otvorené nádrže – odparovanie z voľnej hladiny (pod teplotou varu , NaCl) Uzavreté nádrže vyhrievané parou: s prirodzenou cirkuláciou, s nútenou cirkuláciou, filmové odparky Odparovače s prirodzenou cirkuláciou Odparka s vertikálnou ohrevnou sústavou Robertov-Kasalovského odparovač Prúdová schéma jednočlennej odparky Jednočlenná odparka Materiálová bilancia jednočlennej odparky s kryštalizáciou xR´- nasýtený roztok G – čerstvý roztok R- zahustený roztok W – štiavna (brýdová) para P – ohrevná para K – kondenzát pary S – tuhá fáza G R W P K S Materiálová bilancia jednočlennej odparky (bez kryštalizácie) Jednočlenná odparka Prúdová schéma jednočlennej odparky Entalpická bilancia jednočlennej odparky Použitie ref. stavov: hP, hK, hW – parné tabuľky a diagramy hG, hR, - výpočet G – čerstvý roztok R- zahustený roztok W – štiavna (brýdová) para P – ohrevná para K – kondenzát pary S – tuhá fáza G R W P K S Množstvo tepla, ktoré sa prevedie z ohrevnej pary do roztoku za jednotku času Voľba referenčného stavu (napr.): pre ohrevnú paru: to = 0 ºC, (l), Pq pre zložky roztoku: stav čistých zložiek pri to = 0 ºC Poznámky k riešeniu entalpickej bilancie jednočlennej odparky Výpočet entalpie roztoku: hG a hR *, to ® *, tG ® roztok, tG Špecifické tepelné kapacity tuhej zložky a rozpúšťadla Výpočet DhtM z integrálnych rozpúšťacích tepiel roztokov DhtS – tabelované data DhtM – špecifická zmiešavacia entalpia roztoku pri zodpovedajúcej teplote t - (!!! funkcia t, x) Štiavna (brýdová) para •Odchádza pri teplote varu roztoku – prehriata para pri pracovnom tlaku odparovača (pri zjednodušených výpočtoch - nasýtená para) •Ak má dostatočne vysokú teplotu, používajú sa ako ohrevné médium v ďalšom odparovači Odnáša najviac tepla (takmer celé množstvo tepla privedeného ohrevnou parou) •Odlučovač kvapiek – odstránenie kvapiek roztoku •Straty tlaku v parnom potrubí – rozmery potrubia Analógia pre hR - zahustený roztok R Výpočet ohrevnej plochy odparovača Hnacia sila - rozdiel teploty ohrevnej pary a roztoku (dá sa regulovať znížením tlaku (do 100 Torr), maximálny rozdiel 30 K – blanový var) Úhrnný koeficient prechodu tepla Tepelný odpor usadenín (na strane vriaceho roztoku) Zmena úhrnného koeficienta prechodu tepla s časom v dôsledku tvorby usadenín k0 - na začiatku prevádzky, bez usadenín t - doba prevádzky zariadenia C – empirická konštanta Sústava rúrkových výmenníkov tepla a - zo strany vriaceho roztoku – rýchlosť cirkulácie roztoku v odparovači (s konštrukciou); výška hladiny roztoku; koncentrácia roztoku (m); tv roztoku - m , k ( ! Dt, !Pmin ) Index hospodárnosti Index hospodárnosti – množstvo štiavnej pary odparenej jednotkovým množstvom ohrevného média Návrh odparky– aby sa na minimálnej ploche odparilo maximálne množstvo kvapaliny – konštrukcia odparky čo najhospodárnejšia •Rekompresia štiavnej pary – adiabatická kompresia štiavnej pary na tlak spätnej pary (5 atm, vysoká entalpia, nie je vhodná konať mechanickú prácu) zvýši sa tK - štiavna para je spôsobilá na ohrev v odparovači (index hospodárnosti 1.5 až 3) •Teplotou kondenzátu ohrevnej pary •Tepelnými stratami •Teplotou (tlakom) v odparovači – pri nižšom tlaku je index hospodárnosti o niečo vyšší (roztok sa zohrieva na nižšiu teplotu varu •Teplotou čerstvého roztoku - s teplotou roztoku vzrastá index hospodárnosti (aj vyšší ako 1 – samoodparovanie roztoku – predhrievanie roztoku na teplotu vyššiu ako je teplota varu daného roztoku v odparovači (P¯) •Zapojenie niekoľkých odparovačov – viacčlenné odparky Viacčlenné odparky s protiprúdovým usporiadaním Štiavna para II Čerstvý roztok Čiastočne zahustený roztok Štiavna para I Kondenzát štiavnej pary I Výhody: - výhodné podmienky z pohľadu m a k Nevýhody: - zapojenie čerpadiel pre transport roztoku Smer vzrastu koncentrácie Smer vzrastu teploty varu Smer vzrastu koncentrácie Smer vzrastu teploty varu ! Viacčlenné odparky so súprúdovým usporiadaním Výhody: -roztok tečie samotokom v dôsledku udržiavaného tlakového spádu (nie je potrebné čerpadlo) Nevýhody: -potreba (poklesu teploty varu) poklesu tlaku v jednotlivých členoch – zapojenie vývevy, Þ nevýhodné podmienky z pohľadu m a k, -spravidla 1. člen vyšší tlak ako Patm,, posledný člen Patm, Štiavna para II Čerstvý roztok Zahustený roztok Čiastočne zahustený roztok I II Štiavna para I Kondenzát štiavnej pary Ohrevná para Kondenzát pary Viacčlenné odparky s kombinovaným usporiadaním -kombinácia výhod súprudového a protiprúdového usporiadania -prívod čerstvého roztoku do stredného člena - postačí 1 čerpadlo Viacčlenné odparky s paralelným usporiadaním -prívod čerstvého roztoku súčasne do všetkých členov odparky -vhodný aj pre kryštalizujúce roztoky -problém s reguláciou prietokov Využitie: príprava destilovanej vody Optimálny počet členov odparky Každý člen odparky zvyšuje index hospodárnosti , ! OPTIMUM Bilancia investičných a prevádzkových nákladov Počet členov odparky Spotreba chladiacej vody v kondenzátore štiavnej pary