Tepeln za zen
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 43

TEPELN Á ZAŘÍZENÍ PowerPoint PPT Presentation


  • 82 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

TZ6. TEPELN Á ZAŘÍZENÍ . Odpařování a Odparky. Odparky a krystalizátory. Konstrukční uspořádání (periodické, cirkulační, filmové). Vícestupňové odparky, rekomprese brýdových par. . Rudolf Žitný, Ústav procesní a zpracovatelské techniky ČVUT FS 2010

Download Presentation

TEPELN Á ZAŘÍZENÍ

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Tepeln za zen

TZ6

TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ

Odpařování a Odparky

Odparky a krystalizátory. Konstrukční uspořádání (periodické, cirkulační, filmové). Vícestupňové odparky, rekomprese brýdových par.

Rudolf Žitný, Ústav procesní a zpracovatelské techniky ČVUT FS 2010

V prezentaci jsou použity podkladové materiály firem GEA a Alfa Laval.


Kondenzace

TZ6

Kondenzace

Velmi vysoké součinitele  (až 20000 W/m2K), ale je třeba speciální úprava povrchu (nesmáčivost)

Kapičková kondenzace

Filmová kondenzace

Nusseltův vztah -  klesá s délkou filmu

L


Tepeln za zen

TZ6

Var

To je tzv. Nukyamova křivka závislosti hustoty tepelného toku na přehřátí teplosměnné plochy

Krize varu při překročení kritické teploty přehřátí. Bublinkový var ztrácí stabilitu. Odparky by měly pracovat ve stabilní oblasti B-C

Var v objemu

.

Výpočet varu v rubce je mnohem složitější než u varu v objemu. Je to patrné i z toho, jak se režim varu podél trubky mění.

Var v trubce


Odparky

TZ6

Odparky

Těleso odparky (kaladria)

Brýdové páry (brüden)

Odpařování (objemový nebo konvektivní var)

Topná pára

Řídký roztok

Kondenzace syté páry

Zahuštěný roztok (koncentrát)

kondenzát

Minton P.E.: Handbook of evaporation technology. Noyes Publ., New Jersey, 1986


Odparky bilance hmotnostn a entalpick

TZ6

Odparky bilance (hmotnostní a entalpické)

Brýdové páry W (kg/s) Tw (0C)

Řídký roztok (feed) mf (kg/s) hf (J/kg) f (hmotnostní zlomek)

Topná pára D (kg/s) hD (J/kg) TD (0C)

kS

Zahuštěný roztok mc hc c

U odparek předpokládáme, že v brýdách není rozpuštěná látka (to je rozdíl proti destilaci)

Kondenzát hC (J/kg)

Hmotnostní bilance

Entalpické bilance

1.stupeň

2.stupeň


Odparky jednostup ov

Brýdové páry

Separátor (aerocyklon)

Kondenzátor brýd

Topná pára

Vývěva (odtah inertů)

předehřev

kondenzát

Řídký roztok

koncentrát

Recirkulace zahuštěného roztoku

TZ6

Odparky jednostupňové

Inerty (vzduch) se do systému, který pracuje za podtlaku, dostanou vždy a výrazně zhoršují přenos tepla na teplosměnné ploše (u teplosměnné kondenzační plochy se vytváří izolující vrstva inertů). Tyto nekondenzující plyny je třeba odstranit vývěvou (vodokružnou, ejektorovou). I kondenzátním potrubím protéká dvoufázová směs a proto i sem se zařazuje separátor plynů.

Recirkulace je nutná u odparek s krátkými dobami zdržení (malým objemem zahušťovaného roztoku v tělese odparky, filmové a deskové odparky), protože při kolísání průtoku hrozí nebezpečí úplného odpaření na části teplosměnné plochy jehož důsledkem je tvorba inkrustací. Recyklem je možné udržet průtok tak, aby k foulingu nedocházelo. Jako nouzové bezpečností opatření může být použit i nástřik kondenzátu. Na druhé straně je fakt, že recykl zhoršuje charakteristiky rozložení dob prodlení zpracovávané látky, část nástřiku se několikrát vrací a materiál je vystaven mnohonásobně delší teplotní expozici, což může být na závadu při zahušťování termolabilních materiálů (zpravidla potravinářských látek).


Odparky v cestup ov

TZ6

Odparky vícestupňové

Odparka se dvěma efekty (výparné teplo brýdových par se využije pro topení následujícího tělesa)

T1

T2

Protiproud

Nástřik s nízkou viskozitou je veden do druhého stupně při nižší teplotě (což je výhodné z hlediska přenosu tepla)

T1>T2tudíž p1>p2a je nutné čerpadlo

T1

T2

Souproud

Vysoká viskozita při nižší teplotě varu (z hlediska  nevýhodné, ale teplotně citlivým produktům může při vysoké koncentraci vysoká teplota vadit)


Odparky v cestup ov1

TZ6

Odparky vícestupňové

Kdyby byla teplota varu ve všech stupních odparky stejná a kdyby nebyly tepelné ztráty stačilo by u N-stupňové odparky na odpaření 1 kg vody pouze 1/N kg páry.

V reálné situaci je to poněkud více

Příklad: jednostupňová odparka průtok topné páry D, průtok brýdové páry W, nástřik při teplotě varu.

Z entalpické bilance (při zanedbání tepelných ztrát) a pro teplotu kondenzující páry 1000C a brýdy 500C plyne


Odparky v cestup ov2

T1

T3

T2

TZ6

Odparky vícestupňové

Počet efektů je omezen rozsahem teplot (teplotami varu v prvním členu kaskády efektů a teplotou v kondenzátoru)

T1 > T2 > T3

T1-T2 = THE + Tpch + Tp

Pokles teploty odpovídající tlakové ztrátě (třecí ztráty). Obvykle málo~ 10C

Teplotní diference na teplosměnné ploše (šplhající film>100C, klesající film >40C)

Fyzikálně chemické zvýšení bodu varu (roztok vře při vyšší teplotě než je teplota par). Závisí na koncentraci


Odparky v cestup ov3

T1

T4

T2

T3

TZ6

Odparky vícestupňové

Rozlišuje se počet efektů a počet stupňů. Následující uspořádání má 3 efekty stejně jako předchozí, ale 4 stupně (řídký roztok prochází postupně tělesy 4,3,2,1 a zahušťuje se)


Odparky s tepeln m erpadlem

4

p

1

1

3

3

Kompresor

2

2

4

1

h

h

TZ6

Odparky s tepelným čerpadlem

Místo vodní páry se může topit chladivem v oběhu tepelného čerpadla

Příklad odparky EVALED typ E (nucená cirkulace), typ R (stíraný film)


Odparky s rekompres br d

2

1

5

Termokompresor

TZ6

Odparky s rekompresí brýd

TVR (Thermal Vapor Recompression) odparky s termokompresorem

Účinnost termokompresoru je dost nízká a termokompresor se nedá dost dobře regulovat. Ale nejsou tam žádné pohyblivé části.

Asi nejvhodnější literatura pro potřebu navrhování TVR je monografie Power R.: Steam jet ejectors for the process industries. Mac Graw Hill, New York, 1994


Odparky s rekompres br d1

Rootsův kompresor

A

C

D

Nástřik kondenzátu

TZ6

Odparky s rekompresí brýd

MVR (Mechanical Vapor Recompression) odparky s mechanickým kompresorem

Odstředivý nebo Rootsův kompresor (kompresní poměr typicky 1.8). Před kompresorem musí být demister. Přehřátou páru je třeba převést na sytou nástřikem kondenzátu.


Tepeln za zen

Porovnání odparek

TZ6


Typy o dpar e k

TZ6

Typy odparek

Odparky

  • s přirozenou cirkulací (var v krátkých trubkách)

  • s nucenou cirkulací

  • se šplhajícím filmem- Kestner (var v dlouhých trubkách)

  • s klesajícím filmem– Wiegand

  • deskové

  • se stíraným filmem– Luwa

  • odstředivé– Centritherm Alfa Laval


Tepeln za zen

Var v krátkých trubkách

Horizontální varné trubky

Robertova odparka

Košíková odparka

TZ6

V krátkých trubkách(L/D<50) dominuje bublinkový var. Bublinky zajišťují přirozenou cirkulaci postupně zahušťovaného roztoku.


Tepeln za zen

Var v krátkých trubkách (L/D < 50)

Srážeče pěny

Řídký roztok

Topná pára

kondenzát

koncentrát

TZ6

Jaký je to typ odparky?

V tělese odparky je velký objem zahušťovaného roztoku tudíž jsou dlouhé střední doby zdržení. Na druhé straně je odparka necitlivá na fluktuace koncentrací řídkého roztoku a je poměrně odolná vůči foulingu. Přirozená cirkulace omezuje aplikace na menší viskozity (<50 mPa.s).

Robertova odparka

V tomto článku je popsána dvouefektová odparka (první efekt odparka s klesajícím filmem a ve druhém efektu 3 paralelní Robertovy odparky). Článek je zaměřen na fouling (model Kern Seaton)

Jorge, L.M.M., Righetto, A.R., Polli, P.A., Santos, O.A.A., Filho, R.M., Simulation andanalysis of a sugarcane juice evaporation system, Journal of Food Engineering (2010), doi: 10.1016/j.jfoodeng.2010.03.017


Tepeln za zen

Vysunutá topná soustava

TZ6

Odparky s vysunutou topnou soustavou (příklad Vogelbusch). Varné trubky jsou mimo, což usnadňuje čištění. Trubky jsou skloněné (30 až 450) aby mohly být dost dlouhé a současně se nezvyšoval hydrostatický tlak na jejich vstupu (a nepotlačoval se tak var).

Cirkulace je stimulována nástřikem řídkého roztoku. Kondenzát topné páry je využit pro předehřev.


Tepeln za zen

Nucená cirkulace (odparky s potlačeným bodem varu)

TZ6

GEA-Wiegand

Odparky s potlačeným varem (expanzní odparky) jsou zdánlivě podobné odparkám s vysunutou topnou soustavou, ale ve výměníku, kde je úmyslně udržován vyšší tlak, k varu nedochází (výměník je nízko, tlak je zvyšován i škrcením na výstupu – perforované desky). K rychlému odpaření (flash evaporation) dochází až při náhlém snížení tlaku na výstupu.

K dosažení přetlaku je nutné oběhové čerpadlo (odstředivé nebo objemové u extrémně vazkých kapalin). Vysoký průtok snižuje fouling a zvyšuje přestup tepla ve výměníku.


Tepeln za zen

Odparky se šplhajícím filmem

TZ6

Kestnerova odparka s extrémně dlouhými trubkami (cca 12 m) a vysokou rychlostí tenkého filmu kapaliny (až 20 m/s). Film šplhá po stěně trubek hnán brýdovou párou, která proudí centrem trubek rychlostíaž 100 m/s. Trubky jsou zaplaveny do cca 1/4 až 1/5 výšky trubek.

Odparka je vhodná pro málo vazké a pěnivé roztoky. Nevýhodou je vysoký rozdíl teplot mezi topnou párou a roztokem (T>140C). Navíc jsou teploty varu omezené tlakem brýdových par, který nesmí být moc nízký (brýdy by pak neměly dostatečnou energii pro pohon filmu). Odparka je citlivá na změny provozních podmínek (při malém průtoku hrozí úplné odpaření filmu a zanesení trubek – krize varu druhého druhu).

Luopeng Yang, Xue Chen, Shengqiang Shen: Heat-transfer characteristics of climbing film evaporation in a vertical tube.Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 34, Issue 6, September 2010, Pages 753-759


Tepeln za zen

Odparky se šplhajícím filmem

TZ6

Pro výpočet odparky se šplhajícím filmem byl na našem ústavu vyvinut jednoduchý Excelovský program.


Tepeln za zen

Odparky s klesajícím filmem

TZ6

Odparka s klesajícím filmem (Wiegand)vystačí s nižšími teplotami páry (T>20C) a je vhodná i pro viskóznější kapaliny (maximálně 0,1 až 0,5 Pa.s) a nižší tlaky; střední doby zdržení jsou delší než u odparek se šplhajícím filmem, cca 15 až 60 s. Délka trubek je až 14 m, průměr cca 50 mm.

Pro nástřik řídkého roztoku (shora) se používají perforované desky, speciální rozprašovací trysky (dynamický distribuční systém) nebo prostě vysouvání trubek nad hladinu. U dynamické distribuce musí být řídký roztok přehřátý (flash) aby se vytvořila homogenní směs kapek a páry.

GEA-Wiegand

K tomu aby odparka fungovala správně (aby se vytvořil rovnoměrný film a pokryla se celá teplosměnná plocha trubek) nesmí rychlost klesající filmu klesnout pod mez danou nerovností (We=Weberovo číslo)

Tím je vlastně daná minimální tloušťka filmu  a tedy i součinitel přenosu tepla =/


Tepeln za zen

Deskové odparky

TZ6

Deskové odparky jsou prostorově výhodnější a lacinější než trubkové, jsou snadno čistitelné a prosazují se zejměna v potravinářském průmyslu (mlékárenském, cukrovarnickém). Některé deskové odparky (APV Paravap) dokáží díky speciálnímu tvarování desek odpařovat i poměrně vysokoviskózní cukrové roztoky, škrobové sirupy, atd (viskozita až 30 Pas, přechod do turbulence už při Re100 !).

Deskové odparky se často používají jako posilovače (boostery) větších, například Robertsových, odparek (seriové nebo paralelní zapojení, viz následující snímek).

brýda

Cyklonový separátor

Předseparátor, často jen T-kus

Deskové kazety

Topná pára shora

Kondenzát je dvoufázová směs a proto i zde se použije separátor

koncentrát

koncentrát

kondenzát

Řídký roztok (feed)

C. R. F. Pacheco, L. S. M. Frioni: Experimental results for evaporation of sucrose solution using a climbing/falling film plate evaporator Journal of Food Engineering, Volume 64, Issue 4, October 2004, Pages 471-480


Tepeln za zen

Deskové odparky Booster Robertovy odparky ( Laval)

TZ6

T-kus funguje jako odlučovač. Oddělí se v něm až 95% kapalné fáze. Zbytek se odloučí v separátoru Robertovy odparky.

Expanzní nádoba (předodparka). Produkt odchází z tělesa odparky na teplotě varu. Vlivem tlakových ztrát (ventil) se roztok stává přehřátým a začne se odpařovat. Předčasná expanze zhoršuje podmínky nátoku do deskové odparky. Výška expanzní nádoby musí být dostatečná, aby nebylo nutné čerpadlo.

Regulace expanzního tlaku . Měl by být mírně vyšší než tlak v následujícím odlučovači.

Robert

Robert

Desková odparka

Průtok je regulován na základě hladiny v Robertově odparce. Ventil musí být dostatečně nízko aby nedocházelo k odpařování (tok ve ventilu by měl být jednofázový)

Separátor inertů (nekondenzujících plynů)

Sborník kondenzátů jednotlivých stupňů

Tento ventil slouží jen pro rozběh odparky, kdy jsou rozdíly teplot a tlaků ve stupních odparek malé.


Tepeln za zen

Deskové odparky (klesající film GEA)

TZ6

Deskové odparky firmy GEA s klesajícím filmem EVAPplus pro zahušťování cukerných roztoků (je možný i retrofit Robertových odparek). Svařované desky mají v podstatě rovné vertikální kanály pro stékající film cukrové šťávy.

Čištění CIP: 1) NaOH 2) HCOOH při 1000C, 3) neutralizace


Tepeln za zen

Deskové odparky (šplhající film GEA)

TZ6

Deskové odparky firmy GEA se šplhajícím filmem Concitherm CT 193. Jsou použity svařované desky pro topnou páru (dvojice desek tvoří kazetu, téměř stejné řešení má GEA i Alfa Laval), těsněné desky pro zahušťovaný roztok (možnost čištění).


Tepeln za zen

Odparky se stíraným filmem (rotorové)

TZ6

Pro nehomogenní nebo extrémně viskozní kapaliny (s viskozitou až 50 Pas) sa používají filmové odparky s mechanicky stíraným filmem (rotorové filmové odparky). Müllerova odparka má rovné rotující lopatky, s fixní vzáloností od stěny (0,5 až 3 mm); obvodová rychlost lopatiek je 10 - 15 m/s. Odparka Sambay má výkyvné lopatky tlačené ke stěně odstředivou silou. Obvodové rychlosti lopatek bývají menší, 3 - 4 m/s. Odparky s výkyvnými lopatkami nebo pružnými stěrkami umožňují zpracování viskoznějších roztoků než s pevnými lopatkami. Odparky POPE Scientific mají šikmé drážky zajišťující přesný axiální transport zahušťované látky a tedy doby zdržení řízené otáčkami rotoru. Zajímavé řešení představuje horizontální odparka SAKO s pevnými lopatkami v mírně kuželovém plášti – axiálním posuvem rotoru se vymezuje štěrbina mezi lopatkami a pláštěm a doby zdržení. Obecně platí, že horizontální odparky mívají stabilnější film a doby zdržení nejsou tak citlivé na viskozitu kapaliny.

Pro odpařování při extrémně nízkých tlacích (<150 Pa) sa navrhují rotorové odparky s kondenzátorem, který je integrální částí odpařovacího tělesa což minimalizuje vzdálenost cesty molekuly z povrchu vroucího filmu ke kondenzátoru.

Müller

Sambay

POPE


Tepeln za zen

Odparky odstředivé

TZ6

Mezi nejlepší odparky patří odstředivé odparky Centritherm fy. Alfa Laval, viz obr. Odstředivá sila pohání nejen zahušťovaný roztok (střední doba zdržení ~5 s), ale především parní bubliny (vypuzované proti směru odstředivé síly), čímž se zintenzívňuje var. Odstředivá síla však zlepšuje i kondenzaci na straně topné páry, protože vyvolává kapkovou kondenzaci s vysokými hodnotami , cca 170000 Wm-2K-1 (kapky dřív než splynou do souvislého filmu jsou odtrženy od teplosměnné plochy).

Je třeba si uvědomit, že var se zintenzivňuje vždy na vnitřní, zatímco kondenzace na vnější ploše! Princíp intenzifikace varu roztoku rotujícího filmu konec konců využívají i rotorové filmové odparky.

CENTRITHERM ALFA LAVAL


Tepeln za zen

Odparky se spirálovými trubkami

TZ6


Tepeln za zen

Odparky s fluidním ložem

TZ6

  • Aplikace na odsolování mořské vody

  • Dick G. Klaren and Eric F. de Boer: Multi-Stage-Flash / Fluidised Bed Evaporator: Resurrection inThermal Seawater Desalination?CaribDA Conference, Grand Cayman, 2010

  • Fluidní lože ve všech vertikálních trubkách kondenzátoru se skleněnými kuličkami (2mm)

  • Vysoký součinitel přenosu tepla 2500 W/m2K

  • Nízká rychlost kapaliny 0.12 m/s

  • Nízký fouling

Odparka funguje jako protiproudý výměník tepla: chladná slaná voda teče trubkami s výplní kuliček nahoru. Brýda tekoucí dolů na povrchu trubek kondenzuje

Investigation of flow boiling in circulating three-phase fluidised bed: Part II: Theoretical correlation Michael Arumemi-Ikhidea, Khellil Sefiane, a, , Gail Duursmaa and Donald Glassa


Tepeln za zen

Porovnání odparek

TZ6


Optimalizace odparky

TZ6

Optimalizace Odparky

Tansey


Optimalizace odparky1

WI

WII

Tf,mf,f

D,TS

TI

TII

kISI

kIISII

mc,c

m1,1

Hmotnostní bilance

Entalpické bilance

1.stupeň

2.stupeň

TZ6

Optimalizace Odparky

Dvoustupňová odparka

Co je zadané(předpokládá se, že teplota TIIje dána teplotou kondenzátoru a je stejná jako teplota vroucího roztoku i koncentrátu):

Tf mff – teplota, hmotnostní průtok a zlomek nástřiku

TII c – teplota a hmotnostní zlomek produktu

TS – teplota topné páry

Co je třeba určit (9 parametrů):

D,WI,WII– hmotnostní průtok topné páry a brýd

m1,mc – hmotnostní průtoky roztoku z 1. a 2. stupně

1- hmotnostní zlomek částečně zahuštěného roztoku

TI –teplota varu a brýd v prvním stupni

kISI, kIISII- teplosměnné plochy (x součinitel prostupu tepla)

Je pouze 8 rovnic pro 9 parametrů – jeden z nich lze volit (např. teplotu varu v prvním stupni TI). Tento stupeň volnosti může být využit prooptimalizaci (např. velikosti teplosměnné plochy nebo minimalizaci spotřeby páry).


Optimalizace odparky2

TZ6

Optimalizace Odparky

Návrh dvoustupňové souproudé odparky implementovaný jakoExcelovský program

Zadej teplotu topné páry a parametry nástřiku

Zvol teplotu brýdy v 1.stupni TI

Vyber rozpuštěnou látku (ovlivnění zvýšení bodu varu roztoku)

CALC startuje výpočet

Výsledkem bude teplosměnná plocha


Odparky l nky

TZ6

Odparky články

Al- Sahali, M., Ettouney, H.; Developments in thermal desalination processes: Design,energy, and costing aspects. Desalination, Kuwait, 2006, pp. 227-240.


Tepeln za zen

Odparky příklady aplikací

TZ6

Vermeer


Bat evaled tm tc mvr

Odparky příklady aplikací

TZ6

BAT: EVALEDTM TC,MVR


Bat zahu ov n ml ka gea niro

Odparky příklady aplikací

TZ6

BAT: zahušťování mléka GEA Niro


Tepeln za zen

Odparky příklady aplikací (GEA)

TZ6

Zahušťování jablečné šťávy


Tepeln za zen

Odparky příklady aplikací (GEA)

TZ6

Nealkoholické pivo


Tepeln za zen

Odparky příklady aplikací (GEA)

TZ6

Výroba piva: zahušťování extraktu


Tepeln za zen

Odparky příklady aplikací (GEA)

TZ6

Zahušťování dextrozy (škrobárenství)


Tepeln za zen

Odparky příklady aplikací (GEA)

TZ6

Výroba škrobu: zahušťování bramborové škrobové vody


  • Login