Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ TZ6 Odpařování a Odparky Odparky a krystalizátory. Konstrukční uspořádání (periodické, cirkulační, filmové). Vícestupňové odparky, rekomprese.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ TZ6 Odpařování a Odparky Odparky a krystalizátory. Konstrukční uspořádání (periodické, cirkulační, filmové). Vícestupňové odparky, rekomprese."— Transkript prezentace:

1 TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ TZ6 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.

2 Kondenzace TZ6 Kapičková kondenzace Filmová kondenzace Velmi vysoké součinitele  (až W/m 2 K), ale je třeba speciální úprava povrchu (nesmáčivost) Nusseltův vztah -  klesá s délkou filmu L

3 Var TZ6 Var v objemu Var v trubce Krize varu při překročení kritické teploty přehřátí. Bublinkový var ztrácí stabilitu. Odparky by měly pracovat ve stabilní oblasti B-C To je tzv. Nukyamova křivka závislosti hustoty tepelného toku na přehřátí teplosměnné plochy 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..

4 Odparky TZ6 Kondenzace syté páry Odpařování (objemový nebo konvektivní var) Řídký roztok Zahuštěný roztok (koncentrát) kondenzát Topná pára Brýdové páry (brüden) Minton P.E.: Handbook of evaporation technology. Noyes Publ., New Jersey, 1986 Těleso odparky (kaladria)

5 Odparky bilance (hmotnostní a entalpické) TZ6 Řídký roztok (feed) m f (kg/s) h f (J/kg)  f (hmotnostní zlomek) Zahuštěný roztok m c h c  c Kondenzát h C (J/kg) Topná pára D (kg/s) h D (J/kg) T D ( 0 C) Brýdové páry W (kg/s) T w ( 0 C) Hmotnostní bilance Entalpické bilance 1.stupeň 2.stupeň kS U odparek předpokládáme, že v brýdách není rozpuštěná látka (to je rozdíl proti destilaci)

6 Odparky jednostupňové TZ6 Řídký roztok koncentrát kondenzát Topná pára Brýdové páry Separátor (aerocyklon) Kondenzátor brýd Recirkulace zahuštěného roztoku předehřev Vývěva (odtah inertů) 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). 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.

7 T1T1 T2T2 T1T1 T2T2 Protiproud Nástřik s nízkou viskozitou je veden do druhého stupně při nižší teplotě (což je výhodné z hlediska přenosu tepla) Souproud Vysoká viskozita při nižší teplotě varu (z hlediska  nevýhodné, ale teplotně citlivým produktům může při vysoké koncentraci vysoká teplota vadit) T 1 >T 2 tudíž p 1 >p 2 a je nutné čerpadlo Odparky vícestupňové TZ6 Odparka se dvěma efekty (výparné teplo brýdových par se využije pro topení následujícího tělesa)

8 Odparky vícestupňové TZ6 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 Počet efektů12345 kg páry/kg odpařené vody1,10,60,40,30,25 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 C a brýdy 50 0 C plyne

9 Počet efektů je omezen rozsahem teplot (teplotami varu v prvním členu kaskády efektů a teplotou v kondenzátoru) T 1 -T 2 =  T HE +  T pch +  T  p T1T1 T2T2 T3T3 T 1 > T 2 > T 3 Pokles teploty odpovídající tlakové ztrátě (třecí ztráty). Obvykle málo ~ 1 0 C Fyzikálně chemické zvýšení bodu varu (roztok vře při vyšší teplotě než je teplota par). Závisí na koncentraci Teplotní diference na teplosměnné ploše (šplhající film>10 0 C, klesající film >4 0 C)  T pch Cukr0.5~3 NaCl10 NaOH16 Odparky vícestupňové TZ6

10 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 vícestupňové TZ6 T1T1 T2T2 T4T4 T3T3

11 Odparky s tepelným čerpadlem TZ6 Místo vodní páry se může topit chladivem v oběhu tepelného čerpadla 2 1 Kompresor h h p Příklad odparky EVALED typ E (nucená cirkulace), typ R (stíraný film)

12 Odparky s rekompresí brýd TZ6 TVR (Thermal Vapor Recompression) odparky s termokompresorem Termokompresor Asi nejvhodnější literatura pro potřebu navrhování TVR je monografie Power R.: Steam jet ejectors for the process industries. Mac Graw Hill, New York, 1994 Účinnost termokompresoru je dost nízká a termokompresor se nedá dost dobře regulovat. Ale nejsou tam žádné pohyblivé části.

13 Odparky s rekompresí brýd TZ6 MVR (Mechanical Vapor Recompression) odparky s mechanickým kompresorem A C D Rootsův kompresor Nástřik kondenzátu Odstředivý nebo Rootsův kompresor (kompresní poměr typicky 1.8). Před kompresorem musí být demister. Přehřátou páru je třeba převést na sytou nástřikem kondenzátu.

14 Porovnání odparek TZ6

15 Typy odparek TZ6 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 Odparky

16 Var v krátkých trubkách TZ6 Horizontální varné trubky Robertova odparka Košíková odparka V krátkých trubkách (L/D<50) dominuje bublinkový var. Bublinky zajišťují přirozenou cirkulaci postupně zahušťovaného roztoku.

17 Var v krátkých trubkách (L/D < 50) TZ6 Srážeče pěny Řídký roztok Topná pára kondenzát koncentrá t 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 Jorge, L.M.M., Righetto, A.R., Polli, P.A., Santos, O.A.A., Filho, R.M., Simulation and analysis of a sugarcane juice evaporation system, Journal of Food Engineering (2010), doi: /j.jfoodeng 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)

18 Vysunutá topná soustava TZ6 Odparky s vysunutou topnou soustavou (příklad Vogelbusch). Varné trubky jsou mimo, což usnadňuje čištění. Trubky jsou skloněné (30 až 45 0 ) 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.

19 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.

20 Odparky se šplhajícím filmem TZ6 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 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 rychlostí až 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>14 0 C). 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).

21 Odparky se šplhajícím filmem TZ6 Pro výpočet odparky se šplhajícím filmem byl na našem ústavu vyvinut jednoduchý Excelovský program. Excelovský program

22 Odparky s klesajícím filmem TZ6 GEA-Wiegand Odparka s klesajícím filmem (Wiegand) vystačí s nižšími teplotami páry (  T>2 0 C) 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. 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  = / 

23 Deskové odparky TZ6 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 Deskové kazety Předseparátor, často jen T-kus Cyklonový separátor Topná pára shora koncentrát Řídký roztok (feed) kondenzát brýda Kondenzát je dvoufázová směs a proto i zde se použije separátor 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).

24 Deskové odparky Booster Robertovy odparky (  Laval) TZ6 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. 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) Regulace expanzního tlaku. Měl by být mírně vyšší než tlak v následujícím odlučovači. T-kus funguje jako odlučovač. Oddělí se v něm až 95% kapalné fáze. Zbytek se odloučí v separátoru Robertovy odparky. Tento ventil slouží jen pro rozběh odparky, kdy jsou rozdíly teplot a tlaků ve stupních odparek malé. Robert Separátor inertů (nekondenzujících plynů) Desková odparka Sborník kondenzátů jednotlivých stupňů

25 Deskové odparky (klesající film GEA)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 C, 3) neutralizace

26 Deskové odparky (šplhající film GEA)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).

27 Odparky se stíraným filmem (rotorové) TZ6 POPE SambayMüller 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 m/s. Odparka Sambay má výkyvné lopatky tlačené ke stěně odstředivou silou. Obvodové rychlosti lopatek bývají menší, 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.

28 Odparky odstředivé TZ6 CENTRITHERM ALFA LAVAL 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 Wm -2 K -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.

29 Odparky se spirálovými trubkami TZ6

30 Odparky s fluidním ložem TZ6 Investigation of flow boiling in circulating three-phase fluidised bed: Part II: Theoretical correlation Michael Arumemi-Ikhide a, Khellil Sefiane, a,, Gail Duursma a and Donald Glass a Aplikace na odsolování mořské vody Dick G. Klaren and Eric F. de Boer: Multi-Stage- Flash / Fluidised Bed Evaporator: Resurrection in Thermal Seawater Desalination? CaribDA Conference, Grand Cayman, 2010 Fluidní lože ve všech vertikálních trubkách kondenzátoru se skleněnými kuličkami (2mm) Vysoký součinitel přenosu tepla 2500 W/m 2 K 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

31 Typ odparky  (Pas) stupeň zahuštění sklon k foulingu doba zdržení TT Přirozená cirkulace 0,05 malý  velký velkývelmi dlouhá ~600 s Nucená cirkulace 1 malý  velký nižšívelmi dlouhá šplhající film0,5 malý  velký velkývemi krátká ~ s15 klesající film0,1malýstředníkrátká ~ s5 rotorové10 až 100velkýmalývariabilní s expanzní0,01 malý  střední malý krátká  dlouhá Porovnání odparek TZ6

32 Optimalizace Odparky TZ6 Tansey

33 TITI T II T f,m f,  f m1,1m1,1 mc,cmc,c WIWI W II D,TSD,TS kISIkISI k II S II Co je zadané (předpokládá se, že teplota T II je dána teplotou kondenzátoru a je stejná jako teplota vroucího roztoku i koncentrátu): T f m f  f – teplota, hmotnostní průtok a zlomek nástřiku T II  c – teplota a hmotnostní zlomek produktu T S – teplota topné páry Co je třeba určit (9 parametrů): D,W I,W II – hmotnostní průtok topné páry a brýd m 1,m c – hmotnostní průtoky roztoku z 1. a 2. stupně  1 - hmotnostní zlomek částečně zahuštěného roztoku T I –teplota varu a brýd v prvním stupni k I S I, k II S II - teplosměnné plochy (x součinitel prostupu tepla) Hmotnostní bilance Entalpické bilance 1.stupeň 2.stupeň Je pouze 8 rovnic pro 9 parametrů – jeden z nich lze volit (např. teplotu varu v prvním stupni T I ). Tento stupeň volnosti může být využit pro optimalizaci (např. velikosti teplosměnné plochy nebo minimalizaci spotřeby páry). Dvoustupňová odparka Optimalizace Odparky TZ6

34 Návrh dvoustupňové souproudé odparky implementovaný jako Excelovský programExcelovský program Vyber rozpuštěnou látku (ovlivnění zvýšení bodu varu roztoku) Zadej teplotu topné páry a parametry nástřiku CALC startuje výpočet Výsledkem bude teplosměnná plocha Zvol teplotu brýdy v 1.stupni T I Optimalizace Odparky TZ6

35 Odparky články TZ6 Al- Sahali, M., Ettouney, H.; Developments in thermal desalination processes: Design,energy, and costing aspects. Desalination, Kuwait, 2006, pp

36 Odparky příklady aplikací TZ6 Vermeer

37 BAT: EVALED TM TC,MVR Odparky příklady aplikací TZ6

38 BAT: zahušťování mléka GEA Niro Odparky příklady aplikací TZ6

39 Odparky příklady aplikací (GEA) TZ6 Zahušťování jablečné šťávy

40 Odparky příklady aplikací (GEA) TZ6 Nealkoholické pivo

41 Odparky příklady aplikací (GEA) TZ6 Výroba piva: zahušťování extraktu

42 Odparky příklady aplikací (GEA) TZ6 Zahušťování dextrozy (škrobárenství)

43 Odparky příklady aplikací (GEA) TZ6 Výroba škrobu: zahušťování bramborové škrobové vody


Stáhnout ppt "TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ TZ6 Odpařování a Odparky Odparky a krystalizátory. Konstrukční uspořádání (periodické, cirkulační, filmové). Vícestupňové odparky, rekomprese."

Podobné prezentace


Reklamy Google