Bepárlás Vegyipari és biomérnöki műveletek segédanyag Simándi Béla, Székely Edit BME, Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Megköszönjük Szternácsik Klaudia és Wolowiec Szilvia hallgatóknak a diák elkészítéséhez nyújtott segítségét
Bepárlás Olyan anyagok elválasztása forralással vagy párologtatással, amelyek közül legalább az egyik tenziója a forrás hőmérsékletén elhanyagolható. Két komponens esetén (oldószer és oldott anyag) a pára tisztán az oldószer gőzét tartalmazza, míg a visszamaradó folyadék az oldott anyagban dúsul (töményedik).
2
Fontosabb alkalmazások • Szervetlen sók kinyerése vizes oldatokból: konyhasó (NaCl), kalcium-klorid (CaCl2), magnézium-klorid (MgCl2), nátrium-szulfát (Na2SO4), ammónium-szulfát ((NH4)2SO4)
• Más szervetlen anyagok előállítása: nátriumhidroxid (NaOH), kálium-hidroxid (KOH)
• Élelmiszeripari technológiákban: cukorgyártás, étolajgyártás, paradicsomlé besűrítése, gyümölcslevek koncentrálása, lekvár főzés 3
Bepárlás művelete- Szakaszos bepárló Egyszerű szakaszos bepárlás: • • • •
Híg oldat betöltése az üstbe Forrpontig melegítés, töményítés Pára folyamatos elvezetése Maradék leeresztése
Differenciálegyenlettel írható le a koncentrációváltozás. A teljes integrális anyagmérlege
mS 0 = mS 1 + mV mS0 –a bepárlandó (híg) oldat mennyisége (kg), mS1 –a besűrített (tömény) oldat mennyisége (kg), mV - a lehajtott oldószer (pára) mennyisége (kg) 4
Szakaszos bepárló Szárazanyag-tartalomra vonatkozó anyagmérleg: mS 0 ⋅ x0 = mS 1 ⋅ x1
x0 –a bepárlandó oldat (kezdeti) koncentrációja (kg oldott anyag/kg oldat), x1 -a bepárolt oldat (végső) koncentrációja (kg oldott anyag/kg oldat). mS 0 x0 m = Tömény oldat mennyisége: S1 x1
Elpárologtatott oldószer mennyisége: x0 mV = mS 0 1 − x1
5
Szakaszos bepárlás hátrányai A műveleti paraméterek időben változnak (oldat térfogata csökken, párolgó komponensek koncentrációja nő) A fizikai-kémiai jellemzők változnak (sűrűség, viszkozitás, fajhő, hővezetés stb.) • Megváltozik a hőátadási tényező (α) hőátadás romlik • Műveleti számítás nehéz • A műveleti idő aránylag nagy hányada fordítódik az oldatnak a forrpontig való előmelegítésére, a hőátadás ekkor rossz • Nagy térfogatú készüléket kell választani, amelyben az oldat térfogata a bepárlás során 1/5 – 1/10 részére is csökkenhet • A szakaszos bepárlás hosszú ideig (akár 5 – 10 óráig) eltarthat, ezalatt a hőre érzékeny anyagok károsodhatnak 6
Folyamatos bepárló
7
Folyamatos bepárló Csak az állandósult (stacionárius) állapotot vizsgáljuk.
Teljes anyagmérleg:
m& S 0 = m& S1 + m& V Nem párolgó komponens mérlege:
m& S 0 x0 = m& S 1 x1 m& S 0 –a betáplált híg oldat tömegárama (kg/s vagy kg/h), m& S1 –a kilépő tömény oldat tömegárama (kg/s), m& V – a pára tömegárama (kg/s) 8
Folyamatos bepárló Elpárologtatott oldószer mennyisége: x0 m& V = m& S 0 1 − x1
A bepárló entalpiamérlege: ' m& G iG'' + m& S 0i0 = m& GK iGK + m& S 1i1 + m& V iV + Q& veszt
ீ − a fűtőgőz mennyisége (kg/s) ீ − a kondenzvíz mennyisége (kg/s), ீᇱᇱ − a fűtőgőz fajlagos entalpiája (kJ/kg) (vízgőztáblázatból kikereshető) ᇱ ீ − a kondenzvíz fajlagos entalpiája (kJ/kg) (vízgőztáblázatból kikereshető) − a bepárlandó (híg) oldat fajlagos entalpiája (kJ/kg) ଵ − a betöményített oldat fajlagos entalpiája (kJ/kg) − a pára fajlagos entalpiája (kJ/kg) (tiszta oldószerre táblázat, diagramok) ௩௦௭௧ − a bepárló hővesztesége (kW) 9
Folyamatos bepárlás A szükséges hő és a fűtőgőz mennyisége
(
)
' Q& = m& G iG'' − iGK = m& S 1i1 − m& S 0i0 + m& V iV + Q& veszt
Feltételezés:
ீ = ீᇱᇱ − ீᇱ
Túlhevítési hő: Koncentráció növelésével jelentős lehet a forrpontemelkedés, így az oldatból túlhevített pára keletkezik. Pontos számításnál figyelembe kell venni! i0, i1 függ a koncentrációtól
10
Merkel-diagram NaOH-víz koncentrációentalpia diagram Abszcissza (vízszintes tengely): tömegtört (kg oldott anyag/kg oldat vagy százalékosan) Ordináta (függőleges tengely): elegy fajlagos entalpiája (KJ/kg oldat). Tiszta oldószer entalpiája 0 oC hőmérsékleten, folyadék állapotban 0. Fagyáspont görbék – alatta a szilárd fázis, felette telítetlen oldat. Izotermák – az adott hőmérsékleten forrásponti pontokat kötik össze. Izobárok– az adott nyomáson forrásponti pontokat kötik össze. 11
Koncentrációs forrpontemelkedés • • • •
Az oldott anyag az oldószer tenzióját csökkenti; Az oldat fizikai-kémiai jellemzője; Oldott anyag koncentrációjával nő; Számértéke az adott anyagra jellemző. Példák: A víz atmoszférikus nyomáson 100 °C-on forr, de a telített konyhasóoldat 108 °C-on, a 30 tömeg%-os NaOH oldat 116 °C-on. 12
Bepárlás folyamata
13
,
Bepárlás folyamata Forrpontig való melegítés hőszükséglete:
Q& = m& S 0 (i0,fp − i0 )
i0,fp az x0 összetételű oldat fajlagos entalpiája az oldat forrpontján Ha a híg oldatot forrpontig előmelegítve táplálják a bepárlóba, ezt használjuk. 14
, .
Bepárlás folyamata A bepárló fűtőfelülete:
Q& = k ⋅ A ⋅ ∆Tátl k=
1
α1
+
1 e
λ
+
1
α2
k – hőátbocsátási tényező, hely szerint és időben is változik.
α1 – gőzoldali hőátbocsátási tényező; megfelelően nagy érték (8000-14000 W/m2K) α2 – folyadékoldali hőátadási tényező; változik a koncentráció növelésével. 15
Telítetlen oldatok bepárlása Rosszabb a hőátadás, mint tiszta oldószer esetében: Besűrítésnél az oldat viszkozitása nő, nyúlós, ragacsos lesz, megkezdődhet a szilárd anyag kiválása, lerakódások új hőellenállás keletkezik, oldattal érintkező felületet időnként tisztítani kell. Az átlagos hőmérsékletkülönbség a fűtőgőz és az oldat ∆ T átl = (T1 − T 2 )átl közötti különbség átlaga: T1 – fűtőgőz kondenzációs hőmérséklete T2 – oldat hőmérséklete; meghatározása nehézkes: • A koncentráció legtöbbször hely szerint változik • Hidrosztatikus forrpontemelkedés
16
Hidrosztatikus forrpontemelkedés légköri nyomáson és vákuumban víz
h (m)
P (bar)
Tfp (ºC)
atmoszférikus
0
1,013
100
bepárlás
1
1,113
102,6
2
1,213
105,1
vákuum
0
0,05
34
bepárlás
1
0,15
54,2
2
0,25
65
Tiszta víz: 1 m vízoszlop nyomása 0,1 bar.
17
Korrigált hőmérsékletkülönbség Nem ismerjük a valódi hőmérséklet-eloszlást a bepárlóban. Tx1 - a besűrített oldat forrpontja a bepárló gőzterének nyomásán ∆Tkorr = T1 − Tx1 (diagramról vagy táblázatból vett érték). Ha az oldat forrpontját sem ismerjük látszólagos hőmérsékletkülönbség. TP, old – a tiszta oldószer P ∆Tlátsz = T1 − TP ,old nyomáshoz tartozó forrpontja (táblázatból vett adat). Így a hőátbocsátási tényező: Q& = k ⋅ A ⋅ ∆T = k ⋅ A ⋅ ∆T = k ⋅ A ⋅ ∆T
(
)
(
)
átl
korr
korr
látsz
látsz
18
Hőenergia gazdálkodás a bepárlásnál A bepárlás energiaigényes folyamat. Fűtés leggyakrabban vízgőzzel: • könnyen szállítható; • nagy a párolgáshője; • állandó hőmérsékletű; • tiszta és viszonylag olcsó. Kogenerációs erőmű: hő- és villamos energia együttes termelése; A nagynyomású gőz először a turbinában elektromos energiát termel, majd az ún. „fáradt gőzt” fűtésre hasznosítják. A turbinából 5 – 8 bar nyomású telített gőzt lehet nyerni. 19
Bepárló energiaforgalmi diagramja
20
A pára energiájának hasznosítása • Két módszer terjedt el: – Párakompresszió vagy hőszivattyú – Többtestes bepárló rendszer
21
Energiahasznosítás párakompresszióval
Az alacsony pára nyomását munkabefektetéssel növelik, ezáltal fűtésre alkalmassá válik. Nyomásnövelés: turbókompresszorral vagy gőzinjektorral. 22
Energiahasznosítás párakompresszióval Pára komprimálás gőzsugár-injektorral
23
Gőzsugár-szivattyú
24
Energiahasznosítás többtestes bepárlóval • A bepárlóban keletkező párát egy hasznos kondenzátorban, egy másik bepárló fűtőterében kondenzáltatják. • A többtestes bepárlóknál • az egymás után következő fokozatok egyre csökkenő nyomáson üzemelnek. • Az első test általában atmoszférikus vagy túlnyomású a további testek vákuum alatt üzemelnek. • A többtestes bepárlók típusai: egyenáramú vagy ellenáramú. 25
Egyenáramú többtestes bepárló rendszer
P1>P2>P3 és T1>T2>T3 Egyenáram: az oldat a gőzzel egy irányban halad; szerves 26 anyagok (pl. élelmiszerek) oldatának besűrítésére.
Előnyei:
Egyenáramú rendszerek
• Az oldat a kisebb nyomás irányába magától áramlik. • Önelpárologtatás • A nyomás csökkenésével csökken a forrpont, így csökken a besűrített oldat hőkárosodása (bomlás, odaégés, kémiai átalakulás) is. Ez főleg szerves anyagok (pl. élelmiszerek) feldolgozásánál előnyös. • A koncentrált oldat kevés energiát visz magával, mivel alacsony a hőmérséklete.
Hátrányai: • A besűrített oldatnak rendszerint nagy a viszkozitása, ezért rossz a hőátadás az utolsó testben (kicsi a hőátadási tényező). • Ezt nagy hőfokkülönbséggel lehet ellensúlyozni, viszont nagy vákuumban ezt igen nehezen lehet megvalósítani. 27
Többtestes bepárló ellenáramú üzemeltetése
P1>P2>P3 és T1>T2>T3 Ellenáram: az oldat haladási iránya ellentétes a gőzével; 28 inkább szervetlen anyagok (pl. sók) oldatának besűrítésére.
Ellenáramú rendszerek Előnyei: • A besűrített, rossz hőátadási tulajdonságú oldat az első testben van, ahol a fűtőgőz hőmérséklete viszonylag könnyen emelhető. • Az első testben a magas hőmérséklet megakadályozza a kristályosodást.
Hátrányai: • Az egyes testek között szivattyúk szállítják az oldatot, ami többlet energiafelhasználást jelent. • Nincs „önelpárologtatás”. Sőt, mivel az oldat hőmérséklete az előző testben lévő oldat forrpontjánál alacsonyabb, többlet energia szükséges a forrpontig melegítéshez. • A legtöményebb oldat találkozik a legmagasabb hőmérsékletű fűtőgőzzel. Ezért hőre érzékeny anyagoknál nem alkalmazható. 29
Fajlagos gőzfogyasztás többtestes bepárlóban Testek száma
Fajlagos gőzfogyasztás kg gőz/kg pára
1
1,1 – 1,2
2
0,57 – 0,65
3
0,40 – 0,45
4
0,30 – 0,35
5
0,24 – 0,27
6
0,21 – 0,23 30
ROBERT BEPÁRLÓ
EJTŐCSŐ
A KÖPENYTÉRBE FŰTŐGŐZ ÁRAMLIK, ÉS A CSÖVEK KÜLSŐ FALÁN LEKONDENZÁL. A FŰTŐTERET A FŰTŐGŐZ KONDENZÁTUM HAGYJA CSAK EL, A FÜTŐGŐZT A KONDENZEDÉNY VISSZATARTJA. AZ ÁTADOTT HŐ HATÁSÁRA A FORRSÖVEKBEN A FOLYADÉK FORRÁSBA JÖN.
KÖPENYTÉR
AZ EJTŐCSŐBEN A KISEBB FAJLAGOS FELÜLET KÖVETKEZTÉBEN A FOLYADÉK NEM FORR.
FORRALÓCSŐ
ROBERT BEPÁRLÓ A FORRALÓCSŐBEN A BUBORÉKOK A FOLYADÉKOT FELFELÉ ÁRMOLTATJÁK, AMELY EZUTÁN AZ EJTŐCSŐBEN FOLYIK LE A BETÁP-ÁRAMMAL EGYÜTT. ÍGY KIALAKUL A KÉSZÜLÉKBEN EGY TERMÉSZETES CIRKULÁCIÓ. A PÁRATÉRBEN A GŐZ FÖLFELÉ ÁRAMLIK, AZ ELRAGADOTT FOLYADÉKCSEPPEK KIÜLEPEDNEK, EZÉRT LEFELÉ HALADNAK. A PÁRA A BEPÁRLÓ TETEJÉN LEVŐ CSEPPLEVÁLASZTÓN KERESZTÜL TÁVOZIK, AHOL MÉG A FELJUTOTT FOLYADÉKCSEPPEK KIÜLEPEDHETNEK.
A SŰRÍTMÉNY ELVÉTELE A KÉSZÜLÉK ALJÁN TÖRTÉNIK.
Robert-bepárló • Álló, hengeres tartály, benne függőleges csőköteg. • Csövek fűtése kívülről. • A folyadékszint a csövek kb. 1/3 magasságánál van. • A csövek hossza kb. egyenlő az üst átmérőjével. • A forralócsövek átmérője (D) 30 – 60 mm. • Nagy áramlási sebesség: jó hőátadás, szilárd anyagok lerakódása gátolt. • Ejtőcső átmérője: D=150-550 mm. • Természetes cirkuláció. • Sűrítmény elvétele páratérből, a páratér nagy keresztmetszetű.
33
Külső fűtőterű bepárló természetes cirkulációval • A fűtött csövekben az oldószer elpárolog és a gőzbuborékok a folyadékot magukkal viszik az elkülönített cseppleválasztóba. • A csövek szokásos mérete D=25-50 mm, H= 3-6 m . 34
Kúszófilmes bepárló • A fűtőcsövek átmérője 30 – 60 mm, hossza 6 – 8 m. • Hőre érzékeny anyagok esetén: az oldat csak egyszer megy át, ezért ejtőcsőre nincs szükség. • A pára hányad nagy. • A folyadékfilm áramlási sebessége 10 – 20 m/s. 35
Kúszófilmes bepárló
A: Betáplálás B: Gőz C: Koncentrátum D: Fűtő gőz E: Kondenzátum
A.H. Lundberg Associates, Inc. 36
Esőfilmes bepárló • Megbízható, olcsó készülék. • D=50-250 mm. • A pára és a folyadék elválasztása az elkülönített, ciklon kiképzésű páratérben történik. • A filmvastagság a betáplálási áramtól és az oldat viszkozitásától függ. • Helyi túlmelegedés kialakulhat a nem egyenletes, lamináris áramlás miatt. 37
Esőfilmes bepárló A: Betáplálás B: Pára C: Bepárolt oldat D: Fűtőgőz 1: Fej 2: Csőköteges hőcserélő 3: Tömény oldat leválasztó, alsó része 5: Gőz-folyadék elválasztó 38
Bepárlós rendszer az étolajgyártásban
39
Kavarós filmbepárló, merevlapátos kivitel • Drága. • Csak az elpárologtatásos tartományban működik jól. • Hőérzékeny anyagoknál a tartózkodási idő kicsi. • Keveréssel vékony és nagy sebességgel mozgó filmet lehet kialakítani. • A szokásos kerületi sebesség 4 – 6 m/s. • A merevlapátos bepárlóknál a lapát és a cső belső palástja közti rés (és a filmvastagság) 1 – 2 mm. • Szabadon mozgó lapátok hozzásimulnak a bepárló cső falához. 40 • Film vastagság: 0,1-1 mm.
Lengőlapátos filmbepárló
41
Vizszintes elrendezésű filmbepárló
42
Kavarós filmbepárló II.
Viszonylag könnyen tisztítható merev lapát kialakitás élelmiszeripari és gyógyszeripari célokra. Buss-SMS-Canzler GmbH – típus Luwa 43
Kavarós filmbepárló III.
Hajlékony, rezgethető lapátok Rendkívül nagy viszokzitású (35 Pas!) oldatok bepárlásra is alkalmazhatóBuss-SMS-Canzler GmbH – típus Sambay
44
Bepárló választás szempontjai Típus
Előnyök
Esőfilmes bepárló
• hőérzékeny termék, • Rövid tart. idő • kis nyomás, • Alacsony Dp • kis DT, • Kis folyadék holdup • nagy kapacitás.
• Nagy foly. seb., Kevertetett • nincs forrás a csövekben, bepárló • legjobb leállási arány.
Felhasználások
• bomlékony termék, • szemcsét tart. foly., • sókiválás.
Iparág Vegyi-, élelmiszer-, gyógyszer-, petrokémiai ipar Vegyi-, környezetvédelmi-, gyógyszer-, élelmiszer 45
Bepárló választás szempontjai II. Típus
Előnyök
Felhasználások
Iparág
Természetes • rövid csövek cirkulációs • nincs bepárló keringetőszivattyú
• Egyszerű bepárlás, • hőstabil termék, • kis viszkozitás.
Vegyi-, gyógyszer-, petrokémiai ipar
Kúszófilmes • hosszú csövek, bepárló • olcsó.
• habzó vagy vegyipar viszkózus termék
46
KÖSZÖNÖM A FIGYELMÜKET!
47
