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 (CaCl 2 ), magnézium-klorid (MgCl 2 ), nátrium-szulfát (Na 2 SO 4 ), ammónium-szulfát ((NH 4 ) 2 SO 4 ) 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 m + S 0 = ms1 m V m S0 a bepárlandó (híg) oldat mennyisége (kg), m S1 a besűrített (tömény) oldat mennyisége (kg), m V - a lehajtott oldószer (pára) mennyisége (kg) 4
Szakaszos bepárló Szárazanyag-tartalomra vonatkozó anyagmérleg: m S 0 x0 = ms1 x1 x 0 a bepárlandó oldat (kezdeti) koncentrációja (kg oldott anyag/kg oldat), x 1 -a bepárolt oldat (végső) koncentrációja (kg oldott anyag/kg oldat). ms 0x0 Tömény oldat mennyisége: m S 1 = Elpárologtatott oldószer mennyisége: m V x = 0 ms 0 1 x1 x 1 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 = ms1 m& V Nem párolgó komponens mérlege: m& = & S 0x0 ms1x1 m& S 0 m& S1 m& V a betáplált híg oldat tömegárama (kg/s vagy kg/h), a kilépő tömény oldat tömegárama (kg/s), a pára tömegárama (kg/s) 8
Folyamatos bepárló Elpárologtatott oldószer mennyisége: m& V & A bepárló entalpiamérlege: 1 x 0 x = 0 ms 1 m& i + m& i = m& i + m& i + m& i + '' G G S 0 0 GK ' GK S1 1 V V Q& veszt a fűtőgőz mennyisége (kg/s) a kondenzvíz mennyisége (kg/s), a fűtőgőz fajlagos entalpiája (kj/kg) (vízgőztáblázatból kikereshető) a kondenzvíz fajlagos entalpiája (kj/kg) (vízgőztáblázatból kikereshető) a bepárlandó (híg) oldat fajlagos entalpiája (kj/kg) a betöményített oldat fajlagos entalpiája (kj/kg) a pára fajlagos entalpiája (kj/kg) (tiszta oldószerre táblázat, diagramok) a bepárló hővesztesége (kw) 9
Folyamatos bepárlás A szükséges hő és a fűtőgőz mennyisége ( '' ' i ) G igk = m& S1i1 m& S 0i0 + m& ViV Q& veszt Q & = m& + G Feltételezés: = Túlhevítési hő: Koncentráció növelésével jelentős lehet a forrpontemelkedés, így az oldatból túlhevített pára keletkezik. Pontos számításnál figyelembe kell venni! i 0, i 1 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 o C 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: ( i ) Q& = m& S 0 0,fp i0 i 0,fp az x 0 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 T átl k = 1 α 1 + 1 e 1 + λ α 2 k hőátbocsátási tényező, hely szerint és időben is változik. α 1 gőzoldali hőátbocsátási tényező; megfelelően nagy érték (8000-14000 W/m 2 K) α 2 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 közötti különbség átlaga: Tátl = ( T1 T2 ) átl T 1 fűtőgőz kondenzációs hőmérséklete T 2 oldat hőmérséklete; meghatározása nehézkes: A koncentráció legtöbbször hely szerint változik Hidrosztatikus forrpontemelkedés 16
Hidrosztatikus forrpontemelkedés légköri nyomáson és vákuumban víz h (m) P (bar) T fp (ºC) atmoszférikus bepárlás 0 1,013 100 1 1,113 102,6 2 1,213 105,1 vákuum bepárlás 0 0,05 34 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. T korr = ( ) T 1 T Ha az oldat forrpontját sem ismerjük látszólagos hőmérsékletkülönbség. T látsz = x1 ( T T ) 1 P,old Így a hőátbocsátási tényező: Q& = k A T átl = k korr T x1 - a besűrített oldat forrpontja a bepárló gőzterének nyomásán (diagramról vagy táblázatból vett érték). A T T P, old a tiszta oldószer P nyomáshoz tartozó forrpontja (táblázatból vett adat). korr = k látsz A T 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
24 Gőzsugár-szivattyú
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 P 1 >P 2 >P 3 és T 1 >T 2 >T 3 Egyenáram: az oldat a gőzzel egy irányban halad; szerves 26 anyagok (pl. élelmiszerek) oldatának besűrítésére.
Egyenáramú rendszerek Előnyei: 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 P 1 >P 2 >P 3 és T 1 >T 2 >T 3 Ellenáram: az oldat haladási iránya ellentétes a gőzével; inkább szervetlen anyagok (pl. sók) oldatának besűrítésére. 28
Előnyei: Ellenáramú rendszerek 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. AZ EJTŐCSŐBEN A KISEBB FAJLAGOS FELÜLET KÖVETKEZTÉBEN A FOLYADÉK NEM FORR. FORRALÓCSŐ KÖPENYTÉR
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 36 A.H. Lundberg Associates, Inc.
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. Film vastagság: 0,1-1 mm. 40
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 alkalmazható- Buss-SMS-Canzler GmbH típus Sambay 44
Bepárló választás szempontjai Típus Előnyök Felhasználások Iparág Esőfilmes bepárló Rövid tart. idő Alacsony Dp Kis folyadék holdup hőérzékeny termék, kis nyomás, kis DT, nagy kapacitás. Vegyi-, élelmiszer-, gyógyszer-, petrokémiai ipar Kevertetett bepárló Nagy foly. seb., nincs forrás a csövekben, legjobb leállási arány. bomlékony termék, szemcsét tart. foly., sókiválás. Vegyi-, környezetvédelmi-, gyógyszer-, élelmiszer 45
Bepárló választás szempontjai II. Típus Előnyök Felhasználások Iparág Természetes cirkulációs bepárló rövid csövek nincs keringetőszivattyú Egyszerű bepárlás, hőstabil termék, kis viszkozitás. Vegyi-, gyógyszer-, petrokémiai ipar Kúszófilmes bepárló hosszú csövek, olcsó. habzó vagy viszkózus termék vegyipar 46
KÖSZÖNÖM A FIGYELMÜKET! 47