Вакуумная конденсация паров

Понятие вакуума, его глубины, остаточного давления, относительного вакуума.

Многие процессы химической технологии и биотехнологии целесообразно проводить при давлениях, меньших атмосферного. Это связано, в частности, с условиями протекания химических реакций, технологическим требованием снижения температуры кипения термолабильных жидкостей и т. д. Пониженное давление (вакуум) используется в процессах: перекачивание, фильтрование, сушка, выпарка и т. д.

Вакуумом называется состояние среды, абсолютное давление которой меньше атмосферного.

Рис. 1.

р _ост = р _атм – р _вак.

Понижение давления газа по сравнению с атмосферным (барометрическим) давлением р _атм характеризуется значением величины вакуума р _вак (разрежения). Измеряется – вакуумметрами. Давление газа, оставшегося в вакуумированном объеме (в аппарате, сосуде) называют абсолютным р _абс или остаточным р _ост (см. рис. 1). Иногда определяют относительный вакуум

А = р _вак/ р _атм.

Аппараты и др. оборудование, в котором создается вакуум называют откачиваемыми объектами. Давление в них часто понижают с помощью вакуумных насосов (ВН). Так называют устройство для создания, повышения, поддержания вакуума. Понижение давления в аппаратах может быть достигнуто также за счет вакуумной конденсации паров.

Важная характеристика вакуума – критерий Кнудсена

Kn = L/ d,

где L – средняя длина свободного пробега молекул газа, d – характерный размер объекта.

Вакуум называют низким, если Kn << 1, p _ост Î (10⁵ ¸ 100) Па; средним – Kn» 1, p _ост Î (0.1 ¸ 100) Па; высоким – Kn >> 1, p _ост Î (10^–5 ¸ 0.1) Па; сверх высоким p _ост < 10^–5 Па.

Вакуумная конденсация паров.

Применяется при выпаривании, сушке, фильтровании, перегонке и т. д. Пары необходимо конденсировать для предотвращения их попадания в ВН.

При конденсации вакуум-конденсаторы по существу являются аппаратами для изотермического сжатия газа.

Пусть p = const < p ₀ (О – тройная точка). Маршрут 1–2–3 на рис. 2 описывает переход: пар–твердое тело–охлажденное твердое тело (лед). При p = const > p ₀ маршрут 4–5–6–7 описывает переход: пар–жидкость–охлажденная жидкость–твердое тело–охлажденное твердое тело.

Жидкостный конденсатор.

1) поверхностный – поверхность теплообмена (пар, труба, жидкость)

2) смешения – непосредственный контакт (пар, жидкость)

В водяных струйных конденсаторах из конденсированного пара удаляются воздух и другие газы. Мы отметили основные свойства жидкостного конденсатора, подробности в учебнике.

Поверхностные конденсаторы.

1)с жидкостным охлаждением

2)с воздушным охлаждением

Интенсивная циркуляция повышает коэффициент теплоотдачи a. Наблюдается значительное удаление неконденсированных газов. Можно использовать любой хладоноситель Þ разные t _конд. Обычно используют кожухотрубчатые теплообменники, с емкостями для отвода конденсата.

Конденсаторы смешения.

¯ ¯

мокрые сухие

Конденсаторы смешения (КС) – простые и дешевые высокопроизводительные аппараты. Хладагент – вода. Мокрые – смесь воды с конденсатом и неконденсированными газами откачивается мокровоздушным насосом. В сухих КС вода с конденсатом стекает самотеком, а неконденсированные газы откачиваются обычным ВН.

Барометрические конденсаторы.

Барометрические конденсаторы (БК) относятся к КС. Минимальное давление в БК равно p _s – давлению насыщения при температуре t _ОС окружающей воды.

p _s + r_в gz = p _атм.

Согласно свойствам воды наименьшая возможная для использования температура t = 4ºC, p _s = 813 Па, r_в = 1000 кг/м³, p _атм = 10⁵ Па Þ z = 10.11 м. Общая высота БК приблизительно 14 – 19 м. Это недостаток. Достоинство – вода удаляется самотеком.

Тепловой баланс.

Тепловой баланс – есть тепловой баланс смешения потоков. Потерями тепла пренебрегаем (_п – пар, _в – вода).

m _п h _п + m _в h _в = (m _п + m _в) h _конд Þ

Здесь m _п, m _в – расходы пара и воды соответственно, поэтому в качестве тепловой функции выступает энтальпия; r – теплота фазового перехода при t _п.