Ugrás a tartalomhoz

Vegyipari művelettani alapismeretek

Dr. Fonyó Zsolt, Dr. Fábry György

Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.

Bepárlás

Bepárlás

Bevezetés

A bepárlás a legrégebben alkalmazott műveletek közé tartozik. Termikus töményítő (koncentrációnövelő) művelet, amelynek kiinduló elegye folyadékoldat (lé).

A bepárlás elsőrangú szerepet játszik a szervetlen sók és lúgok technológiájában, az élelmiszeripar több ágazatában (cukorlé, paradicsomlé), az enyvgyártásban stb. A vegyiparban és az élelmiszeriparban sok esetben találkozunk olyan oldatokkal, melyekből az oldott anyagot (cukrot, különböző sókat) az oldószer elpárologtatása útján nyerjük ki. Az oldószer többnyire víz, de a gyógyszeripar más oldószereket is használ.

Egyszerű esetekben az oldószer a környezeti hatások következtében (napsugárzás) lassan elpárolog. Ilyen tipikus eset a sós vizek (tengervíz, sóstó) ún. sókertekbe való terelése. A sókertek csekély folyadékmagasságú lapos medencék. Ezekből a víz a napsugárzás és a természetes légmozgás hatására a környező légtérbe párolog (diffundál). A visszamaradó sóban egyre töményebb oldat végül sókristályokká formálódik. E régi módszernél hatásosabb a nyitott serpenyő használata. Eleinte alátüzeléssel majd gőzköpeny alkalmazásával oldották meg az oldat besűrítését. Még korszerűbb a zárt bepárlókészülékek használata. A fűtőközeg általában vízgőz. Az, hogy a zárt bepárlóból távozó páragőzöket nem engedik ki a szabadba , hanem egy második bepárlótest indirekt fűtésére használják, majd az itt keletkező páragőzöket egy harmadik test fűtésére, korszakalkotó találmány. Ez a a többszörös elgőzölögtetés elve (az ún. Rillieux-elv, 1840).

A folyadékelegyek forralásos-kondenzációs szétválasztása komponensekre a lepárlás vagy desztilláció műveletének is alapelve. Mi a különbség bepárlás és lepárlás között? Eredendő különbség maga a kiinduló elegy. Ugyanis, ha az elegy komponensei közel azonos hőmérsékleti tartományban forrnak, akkor lepárlásról beszélünk. Ilyenkor a komponensek illékonysága egymáshoz közeli. Például vegyük a víz ~ etanol elegyet. A víz légköri (normál) forráspontja 100 °C, az etanolé 78,3 °C: azonos nagyságrendben mozognak. A víz ~ konyhasó oldatban a víz forráspontja 100 °C és fagyáspontja, vagyis a vízjég olvadáspontja 0 °C. A konyhasónak viszont az olvadáspontja 800 °C. Ez azt jelenti, hogy a sóoldatban a só egyáltalán nem illékony. A sós víz forralásakor a gőztérbe csak H2O-molekulák jutnak. Ez tehát bepárlás. A bepárlásnál csak az oldószer illékony, az oldott anyag nem.

Az elgőzölögtetés célja a híg oldatból minél töményebb oldat előállítása, adott esetben kristálypépig való főzés, vagy kolloid oldat géllé dermesztése (zselatin-, csontenyvbepárlás) [54,62]

A bepárlás célja oldatok oldottanyag-koncentrációjának növelése, vagyis oldattöményítés, elgőzölögtetés útján a kívánt koncentráció, de legfeljebb a forralás hőmérsékletének megfelelő telítettségi határ eléréséig. A bepárlást elgőzölögtető készülékben hajtják végre, amely rendszerint vízgőzfűtésű. Így a bepárlókészülékek zöme gőzfűtésű elgőzölögtető. Az oldat bepárlásakor a gőztérbe csak az oldószer molekulái jutnak, az oldott anyag nem illékony. A bepárlás folyamán keletkező gőzt – megkülönböztetésül a fűtésre használt gőztől – páragőznek vagy egyszerűen párának hívják. Az oldószer és az oldat forráspontja ugyanazon nyomás mellett is eltérő. Az oldat forráspontja magasabb: ezt a jelenséget forráspont-emelkedésnek nevezzük.

A folyadékok gőztenziója és forráspontja között egyértelmű összefüggés áll fenn. Eszerint, ha a folyadékot nagyobb nyomású térből kisebb nyomású térbe vezetjük, elérhetjük az alacsonyabb gőztenziónak megfelelő forráspontot, vagyis a folyadék forrásnak indul. Az így keletkező páragőzt sarjúgőznek (is) nevezik, a jelenséget pedig nyomáscsökkenés révén bekövetkező önelpárolgásnak vagy utánpárolgásnak.

A keletkező sarjúgőz a kisebb nyomásnak megfelelő telített gőz. A folyadék hőmérséklete ugyanezen nyomásnak megfelelő telítési hőmérséklet. A sarjúgőz fejlődéséhez szükséges hőmennyiség egyenlő a folyadék lehűlésével szabaddá váló hővel. Ha a bevezetett folyadék mennyisége L, fajhője c és a lehűlés mértéke Δϑ (hőmérséklet-különbség), akkor a keletkező sarjúgőz mennyisége

G S = L c Δ j r ,

ahol r a kisebb nyomású és alacsonyabb hőmérsékletű gőz párolgáshője.

Az önelpárolgás jelenségét a bepárlástechnikában többféle formában hasznosítják pl. a kondenzvizek kigőzölgésénél, az expanziós bepárlóknál, az egyenáramú többfokozatú rendszerekben.

Az önelpárolgás a gőzsugárszivattyús hűtésnek is alapelve.

Robert-bepárló

A már ismertetett duplikátorkészülékek bepárlóként is használhatók.

A legismertebb és nagymértékben elterjedt Robert-bepárlót Robert morvaországi (Seelovitz) cukorgyáros találta fel. Hengeres testű, alul felül edényfenékkel ellátott zárt készülék. Alsó harmadában függőleges csöves csőköteges fűtőkamrájának csöveiben forr a bepárlandó lé, a csövek közötti teret fűtőgőzzel melegítik. A készülék tetején gőzdóm található cseppfogó szerkezettel. A fűtőtér megfelelő helyén légtelenítő csonkot helyeznek el. A fűtőgőz bevezetésére és helyes szétosztására többféle megoldás ismeretes. A csapadék- vagy kondenzvizet alsó csőkötegfalához legközelebb kell alul elvezetni. A bepárlandó lé bevezetése és a bepárolt lé elvezetése is többféle lehet. A mai Robert-bepárló az eredetitől a központi nagyobb átmérőjű ejtőcsőben tér el – a régiben ez hiányzott. A központi ejtőcsövet először Kaszalovszki alkalmazott (13.1. ábra). A függőleges csőköteg mind a mai napig általánosan használt szerkezeti elem.

13.1. ábra - Robert-bepárló (1 – fűtőgőz bevezetése, 2 – csapadékvíz kivezetése, 3 – légtelenítés, 4 – híg lé (töltés), 5 – besűrített lé (ürítés), 6 – visszafolyó cső, 7 – páracsonk)

kepek/abra_13_1.jpg


A Robert-bepárló fűtőkamrájába (1) csonkon át vezetjük be a fűtőgőzt. Ez a csövek közötti térben a párolgáshőt leadva kondenzálódik. A csapadékvíz a (2) levezető csövön át távozik. A jó hőátadás biztosítására a fűtőkamrából a nem kondenzálódó gázokat, így elsősorban a levegőt el kell távolítani, erre való a (3) légtelenítő vezeték. A levegőt a fűtőkamra alsó részéből vezetik el, ügyelve a csapadékvíz rétegmagasságára. A légtelenítés az ábra szerinti megoldásnál a levegőnek a páratérbe való átvezetéséből áll. A híg lé a (4) csonkon érkezik a bepárlóba, a töményített oldat az (5) csonkon át távozhat. A bepárló tetején a „gőzdómban” a párák által elragadott folyadékcseppeket leválasztjuk és az összegyűlt folyadékot a (6) visszafolyón keresztül visszavezetjük. A fejlődött gőzpárák a (7) páracsonkon át távoznak.

A 13.1. ábra alsó, metszeti részéből jól látszanak a kis átmérőjű forrcsövek és a középponti, nagyobb átmérőjű ejtőcső. A forrcsövekben a felszálló gőzpárák erősen felfelé mozgatják az oldatot, míg a középponti ejtőcsőben a folyadék lefelé áramlik, így meghatározott cirkuláció (keringés) jön létre a bepárlóban. A cirkulációt jól szemlélteti elvileg a 13.2. ábra.

13.2. ábra - Folyadékkeringés vázlata

kepek/abra_13_2.jpg


13.3. Többfokozatú bepárlás

A többfokozatú bepárlás lényegét a 13.3. ábra szemlélteti. Az I. bepárlót „friss” fűtőgőzzel fűtjük. Az oldat az I. bepárlótestben bizonyos mértékig töményedik, miközben a belőle fejlődött vízgőz – amelyet általában páragőznek vagy egyszerűen párának neveznek – eltávozik a gőzdómból. Ezt a páragőzt azonban gazdaságtalan a szabadba kiengedni, sokkal célszerűbb – párolgáshőjét kihasználva – hasznosítani egy újabb bepárlókészülékben.

13.3. ábra - Kéttestes bepárló

kepek/abra_13_3.jpg


A párát a II. bepárlótestbe vezetjük (mint fűtőgőzt). Ezért elméletileg 1 kg friss gőzzel közel 1 kg víz elpárologtatható. Az így nyert pára ismét közel 1 kg vizet képes elgőzölögtetni, tehát 1 kg friss gőzzel kétfokozatú bepárlóberendezésben csaknem 2 kg vizet gőzölögtethetünk el – elméletileg.

A páragőz nyomása kisebb a friss fűtőgőznél, így az egymást követő bepárlótestekben egyre kisebb a páratéri nyomás. A többfokozatú bepárlók utolsó fokozatai vákuumban (légkörinél kisebb nyomáson) működnek.

Az utolsó fokozatban nyert páragőzt felületi vagy keverőkondenzátorba vezetik. A többszörös elpárologtatás itt is előnyös: a kondenzátorba viszonylag kevesebb pára jut, így a kondenzátor hűtővízfogyasztása is kisebb.

Az előbb tett megállapításaink csak elméleti közelítések. A hősugárzási veszteségek, a páragőzvezetékek kondenzációs veszteségei stb. miatt 1 kg víz elgőzölögtetéséhez gyakorlatilag

 

– egytestes bepárlónál

1,1

kg,

 

– kéttestes bepárlónál

0,57

kg,

 

– háromtestes bepárlónál

0,4

kg,

 

– négytestes bepárlónál

0,3

kg,

 

– öttestes bepárlónál

0,27

kg friss fűtőgőz szükséges.

Öttestes bepárlótelepet már igen ritkán alkalmaznak, és 6-7 testes telep úgyszólván nincs is.

A 13.4. ábra szokásos, háromtestes bepárlótelep kapcsolási vázlata.

13.4. ábra - Háromtestes bepárlótelep (1 – híg lé tartálya, 2 – adagolótartály, 3 – áramlásmérő, 4 – szivattyú, 5 – léelőmelegítő, 6, 7 és 8 – bepárlótestek, 9 – barometrikus keverőkondenzátor, 10 – cseppfogó, 11 – gyűjtőtartály, 12 – forrcsöves fűtőkamra, 13 – páratér, 14 – gőzdóm, 15 – a híg lé bevezetése, 16 – friss fűtőgőz, 17 – kondenzedény, 18 – lécsonk, 19 – páracsonk)

kepek/abra_13_4.jpg


A híg lé az (1) tartályból kerül a (2) adagolótartályba, ahonnan (3) áramlásmérőn keresztül a (4) szivattyú az (5) léelőmelegítőbe nyomja. A bepárlótelep fő részei a (6), (7) és (8) bepárlótestek. A III. bepárlófokozatból, azaz a (8) testből elvezetett párát a (9) barometrikus keverőkondenzátorban csapatjuk le. A barometrikus kondenzátor (10) cseppfogójából szívjuk el vákuumszivattyú segítségével a nem kondenzálódó gázokat (levegőt). A besűrített oldatot a (11) gyűjtőtartályba nyomatjuk. A bepárlótest főbb részei a (6) első fokozati készüléken vannak megjelölve: (12) forrcsöves fűtőkamra, (13) páratér, (14) gőzdóm, (15) híg lé bevezetése, (16) friss fűtőgőz bevezetése. A fűtőkamrákban lecsapódott gőzt (17) kondenzedényeken keresztül kondenzátumvezetékbe visszük. A besűrített oldatot a bepárlótest alján elhelyezett (18) csonkon át vezetjük a következő bepárlótestbe, míg a (19) páracsonk a gőzdómon helyezkedik el.

A 13.4. ábra egyenáramú bepárlótelep, vagyis mind a gőz- és pára-vezetés, mind a lévezetés iránya egyezik. Ritkábban alkalmaznak ellenáramú, ill. vegyesáramú bepárlótelepet.

A bepárlást befolyásoló tényezők

Koncentráció, sűrűség

A bepárlás lefolytatására nézve az oldat fizikai és kémiai sajátságai meghatározó jellegűek.

Az oldatot elsősorban jellemző tényező a koncentráció vagy töménység. A töménység és a sűrűség többnyire arányos egymással, így gyakori, hogy az iparban minden más tulajdonságot az oldat sűrűségére vonatkoztatva adnak meg. Koncentráción a bepárlástechnikában a

b = S L (13.1. egyenlet)

viszonyszámot értjük.

Itt

S =az oldott (száraz) anyag tömege [kg],

 

L = az oldat tömege [kg],

 

b tört százszorosa tömegszázalékban adja meg a koncentrációt.

A bepárlás folyamán az oldott anyag tömege (a „szárazanyag”) nyilván változatlan, hiszen csak az oldószer (a víz) gőzölög el. A kezdeti állapot (híg oldat) k betűvel, a koncentrált (végső) állapotú oldatot v betűvel jelölve, az időközben elgőzölögtetett pára mennyisége:

W = L k L v (13.2. egyenlet)

itt W = a termelt páramennyiség.

Mivel a szárazanyag-tartalom állandó (ugyanaz a bepárlás előtt és után)

S = b k L k = b v L v (13.3. egyenlet)

innen

L v = b k L k b v (13.4. egyenlet)

így tehát

W = L k b k L k b v = L k ( 1 b k b v ) (13.5. egyenlet)

Utóbbi képlet zárójeles kifejezése azt mutatja, hogy 1 kg kezdeti oldatból hány kg víz távozott:

w = 1 b k b v = b v b k b v kg víz/kg oldat (13.6. egyenlet)

13.1. példa

1000 kg kezdeti híglémennyiség koncentrációja bk=10%. Mennyi vizet kell elpárologtatni, hogy a bepárlás végén a koncentráció bv=50% legyen?

1 kg-os kezdeti oldatból

w = b v b k b v = 50 10 50 = 0,8 kg víz/kg oldat

gőzölögtetendő el, így az adott mennyiségből:

W = L k w = 1000 0,8 = 800 kg

vizet kell elpárologtatni.

A koncentráció és az oldat ρ sűrűsége igen jó közelítéssel arányos. A sűrűséget kg/m3, illetve kg/l mértékegységben adják meg.

A sűrűség mérésére alul söréttel ellátott, úszós, fokbeosztású sűrűségmérőket használnak, az ún. areométereket. Ezek az Archimedes-féle felhajtóerő elvén alapulnak. Régente ezeket az aerométereket önkényes sűrűségskálával látták el. Ezek a „fokbeosztások” néhány iparágban még ma is használatosak, így pl. a Balling-fok (Bg°), a Brix-fok (Bx°) és a Baumé-fok (olvasd: bómé; Bé°). Átszámításuk:

Baumé-fok (15 °C hőmérsékleten):

ρ = 144,3 144,3 B é (13.7. egyenlet)

Balling-fok (17,5 °C hőmérsékleten):

ρ = 200 200 B g (13.8. egyenlet)

Brix-fok (15,6 °C hőmérsékleten):

ρ = 400 400 B x (13.9. egyenlet)

Viszkozitás

A bepárlást igen nagy mértékben befolyásolja az oldat viszkozitása (belső súrlódása). A viszkózus, nyúlós oldatok hajlamosak arra, hogy a bepárlókészülék csöveire lerakódjanak, a rásülő kéreg egyre vastagabb lesz és sokszor eldugítja a kisebb átmérőjű csöveket.

Viszkózus, nyúlós anyagoknál a belső folyadékcirkuláció lelassul és a bepárló teljesítménye is lecsökken.

A 13.5.ábrán néhány vizes oldat vízhez viszonyított viszkozitását tüntettük fel az oldatkoncentráció függvényében. Jól látható, hogy a viszkozitás a koncentráció növelésével egyre meredekebben emelkedik.

13.5. ábra - Oldatok vízhez viszonyított viszkozitása

kepek/abra_13_5.jpg


Forráspont-emelkedés

A bepárlásnál fellépő egyik legsajátosabb jelenség a forráspont-emelkedés. Amíg a tiszta víz atmoszférikus (azaz 1013 hPa) nyomáson 100 °C-on forr, addig a vizes oldatok forráspontja ennél mindig nagyobb, pl. a 21%-os konyhasóoldat 105 °C-on forr, a forráspont-emelkedés tehát β = 5 °C.

A forráspont-emelkedés értéke a koncentráció függvénye: minél nagyobb a koncentráció, annál nagyobb a forráspont-emelkedés.

A viszonyokat a 13.6. ábra szemlélteti.

13.6. ábra - Oldatok forráspont-emelkedése

kepek/abra_13_6.jpg


A forráspont-emelkedés fiziko-kémiai jelenség, és növeli a bepárlás nehézségeit. A β forráspont-emelkedés miatt nagyobb hőmérsékletű, tehát nagyobb nyomású gőzt kell a fűtőkamrába bevezetni. A forró oldat hőmérséklete:

ϑ 0 = ϑ + β , (13.10. egyenlet)

ahol

β

=

a forráspont-emelkedés, [°C],

 

ϑ

=

a keletkező páragőz hőmérséklete, [°C].

Például 21%-os konyhasóoldat esetén: β = 5 °C; j = 100 °C és ϑ0 = 105 °C.

Nyilvánvalóan a fűtőgőz hőmérséklete nagyobb kell hogy legyen, mint az oldat forráspontja, tehát legalább 110 °C (de inkább 120 °C).

Ez a forráspont-emelkedés az oldat fizikai-kémiai sajátosságaitól függő anyagi tulajdonság. A folyadéktéri hőmérséklet azonban a folyadékoszlop nyomásától is függ, ugyanis a forrcsövekben a folyadékra nemcsak a páratéri nyomás, hanem a folyadékoszlop súlyából származó nyomás is hat: minél hosszabbak a forrcsövek, annál nagyobb nyomás hat az alsóbb folyadékrétegekre, tehát a forráspontot itt a folyadék hidrosztatikai nyomása is növeli.

Eszerint, ha a folyadékfelszínen a folyadék forráspontja ϑ0, akkor a felszíntől lefelé haladva a forrási zóna aljáig – a nagyobb nyomás miatt – a forráspont is nő ϑ0 helyett ϑf értékre. A keletkező pára elvileg ϑ °C hőmérséklete is csökken a páravezetékben, amíg – többtestes bepárlónál – a következő test fűtőkamrájába belép. Ezt a csökkentést a vezeték súrlódási ellenállása okozza, tehát hidraulikus veszteség. Ez a veszteség kb. 0,5...1,5 °C a gyakorlatban.

Ha pl. a hidrosztatikai forráspont-emelkedés 1 °C és a hidraulikus veszteség 0,5 °C, akkor az előbbi konyhasóoldat esetén az oldat forráspontja a forrási zóna alján ϑf = 106 °C, a felszínen ϑ0 = 105 °C, a páratéri hőmérséklet ϑ = 100 °C, de a következő test fűtőterébe vezetve ez a páragőz már csak 99,5 °C hőmérsékletű.

A bepárló teljesítménye

Már az imént láttuk, hogy a besűrítéshez meghatározott mennyiségű oldószert, többnyire vizet kell elpárologtatnunk. Ehhez az elpárologtatáshoz forrásban lévő oldat esetén

Q = W r [ J/s ] (13.11. egyenlet)

hőmennyiség kell (megközelítőleg).

A képletben W = az elpárologtatandó víz és r = víz párolgáshője.

Természetesen, ha nincs forrásban az oldat, akkor még nagyobb hőmennyiség kell a bepárláshoz, hiszen az előmelegítésre még

Q e = L c ( ϑ b e ϑ f ) (13.12. egyenlet)

hőmennyiség szükséges.

 

L

=

a betáplált teljes lémennyiség

 

c

=

az oldat fajhője,

 

ϑbe

=

a betáplált oldat hőmérséklete,

 

ϑf

=

a forró oldat hőmérséklete.

Tételezzük fel az egyszerűbb esetet, azt, hogy az oldat már előmelegítve lép be a bepárlóba. Mivel bármilyen hőátvitel esetén – így a bepárlásnál is – a fő egyenlet:

Q = k A Δ ϑ [ J / s ] (13.13. egyenlet)

ahol

k

=

a hőátviteli tényező [W/(m2 fok)],

 

A

=

a bepárló fűtőfelülete [m2],

 

Δϑ

=

a rendelkezésre álló hőfokkülönbség [°C].

A hőmérséklet-különbséget

Δ ϑ = ϑ g ϑ f (13.14. egyenlet)

különbség szabja meg, ahol

 

ϑg = a fűtőgőz hőmérséklete [°C],

 

ϑf = a forró folyadék hőmérséklete [°C].

Már láttuk, hogy ϑf értékénél a β forráspont-emelkedést és a hidrosztatikai forráspont-emelkedést feltétlenül számításba kell venni. Ez a két tényező ϑf értékét növeli, és így a rendelkezésre álló Δϑ hőfokkülönbség csökken.

A k hőátviteli tényező minél nagyobb értékét kell biztosítani ahhoz, hogy a bepárló A fűtőfelülete ne legyen túl nagy. Ha nagy a fűtőfelület, nagyobb készülék szükséges, ami pedig nagyobb beruházási költséget jelent. Többtestes bepárlótelepnél arra törekszenek, hogy minden test egyforma fűtőfelületű legyen. Ha minden test más-más fűtőfelületű lenne, ez indokolatlanul megnövelné a gyártási nehézségeket, a költségeket, megnehezítené az alkatrészek cserélhetőségét.

Nem elég azonban arra törekedni, hogy a bepárlótestek azonos fűtőfelületűek legyenek. Még az is kell, hogy a fűtőfelületek összege, vagyis az összes fűtőfelület minimális legyen; ugyanazon bepárlóteljesítményt a lehető legkisebb összes fűtőfelület alkalmazásával érjük el a többfokozatú bepárlásnál.

Ha pl. háromtestes bepárlótelepet tervezünk és a fűtőfelületek egyenlőségét előírjuk:

A 1 = A 2 = A 3 = A (13.15. egyenlet)

akkor a főegyenletből következik, hogy

A = Q k Δ ϑ (13.16. egyenlet)

és

Δ ϑ 1 : Δ ϑ 2 : Δ ϑ 3 = Q 1 k 1 : Q 2 k 2 : Q 3 k 4 (13.17. egyenlet)

Ez azt jelenti, hogy az egyes bepárlótestekben a fűtőgőz és a forró folyadék közti hőfokkülönbségek arányosak Q/k törttel.

A bepárló anyag- és hőmérlege

L 0 bevezetett lé egy része elgőzölög és W1 páragőz formájában távozik, a töményebb lé L1 lesz.

Jelöljük a friss gőzt, amelyet a fűtőkamrába vezetünk, G jellel. Ugyanez a mennyiség lecsapatva távozik mint kondenzvíz. Az anyagmérleg tehát léoldalon egytestes bepárlóban:

L 0 = W 1 + L 1 (13.18. egyenlet)

és innen

L 1 = L 0 W 1 .

A hőmérleg (a hőveszteség nélkül):

G i g + L 0 i L 0 = G i k + W 1 i p 1 + ( L 0 W 1 ) i L 1 (13.19. egyenlet)

ahol

i g

=

a fűtőgőz hőtartalma,

 

i k

=

a kondenzvíz hőtartalma,

 

i L 0

=

a bepárlandó lé hőtartalma,

 

i p 1

=

a páragőz hőtartalma,

 

i L 1

=

a távozó lé hőtartalma.

Tekintsük át egy háromtestes bepárlótelep vázlatát (13.7. ábra), és ennek kapcsán írjuk fel egy háromtestes bepárlótelep egyes fokozataira a hőmérleget (hőveszteségek nélkül)!

13.7. ábra - Háromtestes bepárlótelep jelölései a mérlegszámításhoz

kepek/abra_13_7.jpg


I. test:

G i g + L 0 i L 0 = G i k 1 + W 1 i p 1 + ( L 0 W 1 ) i L 1 (13.20. egyenlet)

II. test:

W 1 i p 1 + ( L 0 W 1 ) i L 1 = W 1 i k 2 + W 2 i p 2 + ( L 0 W 1 W 2 ) i L 2 (13.21. egyenlet)

III. test:

W 2 i p 2 + ( L 0 W 1 W 2 ) i L 2 = W 2 i k 3 + W 3 i p 3 + ( L 0 W 1 W 2 W 3 ) i L 3 (13.22. egyenlet)

Az anyagmérleg:

W 1 + W 2 + W 3 = L 0 ( 1 b 0 b 3 ) (13.23. egyenlet)

A bepárlókészülékek k hőátviteli tényezője

A k hőátviteli tényező értéke a következő képlet szerint számítható:

k = 1 1 α g + s λ + 1 α f (13.24. egyenlet)

ahol

α g

=

a kondenzálódó gőz hőátadási tényezője,

 

α f

=

a forró oldat hőátadási tényezője,

 

s

=

az elválasztó csőfal vastagsága,

 

λ

=

a csőfal anyagának hővezetési tényezője.

A hőátviteli tényező számításánál figyelembe kell venni, hogy a csőfal nem mindig tiszta, azon lerakódások, kérgesedés, (kazánkő) keletkezik, ami erősen lerontja a k értékét.

A képletben tehát (adott esetben mindkét oldalon)

s k λ k

tagot is figyelembe kell venni.

Itt

s k

=

a lerakódott kéreg vastagsága,

 

λ k

=

a lerakódott kéreg hővezetési tényezője.

A k tényező közelítő számítása

Mivel mind a kondenzáló gőz mind a forrásban levő folyadék hőmérséklete a bepárlóban állandó, így Δϑ hőfokkülönbség is állandó értékű.

A három résztagból összetevődő Δϑ hőmérséklet-különbséget rajzoljuk fel a hőellenállások függvényében. Az így kapott 13.8.ábrán a ferde egyenes hajlásszögének tangense a felületi q hőterhelést adja meg:

t g ψ = α g Δ ϑ g = λ s Δ ϑ f a l = α f Δ ϑ f = k Δ ϑ = q .

13.8. ábra - A hőmérséklet-különbség és a hőellenállások

kepek/abra_13_8.jpg


A gőzkondenzációs Nusselt-képletben és a buborékos forrási hőátadás képletében szerepel a Δϑg ill. Δϑf:

α g = C g Δ ϑ g u

és

α f = C f Δ ϑ f v ,

ahol u = –1/4 és v = 2.

A C állandók a közeg tulajdonságaitól és a geometriai méretektől és elrendezéstől függenek. Rendezés után az egyes hőmérsékletesésekre adódik:

Δ ϑ g = ( k Δ ϑ C g ) 1 u + 1

Δ ϑ fal = s λ k Δ ϑ

és

Δ ϑ f = ( k Δ ϑ C f ) 1 v + 1

A

Δ ϑ = Δ ϑ g + Δ ϑ fal + Δ ϑ f

egyenletbe behelyettesítve:

Δ ϑ = ( Δ ϑ C g ) 1 u + 1 k 1 u + 1 + s λ Δ ϑ k + ( Δ ϑ C f ) 1 v + 1 k 1 v + 1 ,

vagyis k és Δj közötti összefüggésre jutottunk.

A k=103X3, ill. X=0,1k1/3 transzformációt célszerűen bevezetve, az u=1/4 és v=2 hatványkitevőket beírva

Δ j = A X 4 + B X 3 + D X

alakú egyenletre jutunk, ahol A a gőzre B a falra, D a forró oldatra vonatkozó és a paraméterek megfelelő összevonásából képzett állandók, X pedig transzformált hőátviteli tényező.

Δ ϑ = E jelölést bevezetve

A X 4 + B X 3 + D X E = 0

negyedfokú hiányos egyenletre jutunk. Itt ugyanis a négyzetes tag zérus. A gőzkondenzációs és forralási α képletekből A és D kiszámítható, továbbá B a falra vonatkoztatva szintén adódik. A pozitív valós gyök az egyenletből kiszámítható. A gyök X = 0,5 és X = 1,5 értéksávban mozog, az első közelítést célszerű X = 1 értékkel kezdeni. Iterációval (pl. HornerNewton-módszerrel) a keresett gyök meghatározható. Íly módon k hőátbocsátási tényező: k=1000X3, eszerint k = 150 és 3300 W/(m2fok) közti sávban van [16]

Bepárlókészülék-típusok

A természetes keringésű egyszerű és osztott léterű bepárlókat a 13.9. ábra a és b része mutatja. A 13.9.a ábra külön fűtőkamrás, külön párakamrás megoldás. A cirkulációs áram a párakamra aljáról vezeti vissza a folyadékot a fűtőkamra alatti létérbe. A lébevezetés hasonlóképp alul történik. A léelvezetési csonkot a párakamra alsó oldalán helyezik el. Páraelvezetés a párakamra tetején történik. A párák a felfröcskölő forró lével együtt tangenciális átvezető csonkon át érkeznek a párakamrába oldalt. A 13.9.b ábra az osztott léterű bepárlót mutatja. A párakamra a fűtőkamra fölött helyezkedik el, benne a forrcsövek fölött vízszintes terelőlap. Az Ince-fenekes párakamra egyik oldalán a léelvezető csonk, másik oldalán lévisszavezető cirkulációs cső van. A betáplálás és lévisszatáplálás az alsó létérbe vezet. A létér alul és felül, vagyis az alsó csőkötegfal alatt a fenéklapig és a felső csőkötegfal fölött a vízszintes terelőlapig ketté van osztva.

13.9. ábra - GEA−Wiegand-féle bepárlótípusok (a – természetes keringésű külső fűtőkamrás bepárló, b – osztott léterű bepárló, c – kúszóáramú bepárló, d – kényszercirkulációs bepárló, e – lemezes fűtőkamrás bepárló, f – esőáramú bepárló, g – csőkígyós bepárló)

kepek/abra_13_9.jpg


Az egyszerű keringésű bepárló a hőérzékeny folyadékok (mint pl. enyv és zselatin) bepárlására a legrégebben alkalmazott készülék.

A készülék kisebb és közepes bepárlóteljesítményüknél (mintegy 3...4 t/h értékig) egy-, két- és háromtestes telepnél jól használható. Üzeme egyszerű és beruházási költsége viszonylag kicsi.

A bepárlókészülék (13.9.b. ábra) egytestes bepárlóként vagy többfokozatú telep utolsó testeként alkalmazható célszerűen. (Ez utóbbi esetben elérhető akár 50%-os csontenyv-koncentráció.)

A kúszóáramú (feltalálójáról Kestner-bepárlónak is nevezett) bepárló hosszú forrcsöves és akár 10...15 t/h teljesítményre képes. A forrásban levő lé a csövekben kúszóáramot képez (13.9.c. ábra).

Viszkózus leveknél a természetes cirkuláció nem elég. A 13.9.d. ábra különleges keringetőszivattyúval ellátott mesterséges vagy kényszercirkulációs bepárló.

A csőköteges fűtőkamrához a frissen betáplált lét és a visszaáramló lét alul elhelyezett örvényszivattyú viszi fel. A vázolt Wiegand–GEA-készülék alsó hosszabbított csővezetékéhez kitápláló szivattyú csatlakozik a besűrített lé kivezetése céljából. Célszerűen kapcsolható többtestes telep utolsó fokozataként. A fűtőkamra fűtésére csőköteges bepárlónál páragőz (vagy frissgőz) szolgálhat.

A mesterséges keringésű bepárló közel hasonló változatát a 13.9.e. ábrán vázoltuk. Itt a csőköteges kamra helyett különálló lemezes hőcserélőt alkalmazunk. Utóbbi megoldás használható melegvizes (melegfolyadékos) fűtésnél.

Ilyen bepárlókkal pl. elérhető 3 Pa · s (= 3000 mPa · s) viszkozitású jó minőségű zselatin.

Az esőáramú bepárló csöveiben lefelé irányul a folyadék és páragőz együttes árama. A felső lébevezető és léelosztó elem különleges szerkesztési feladatot jelent a konstruktőr számára (13.9.f. ábra). A lé és pára téglalap keresztmetszetű csatornán jut át a különálló elválasztó kamrába, ahol a párák felfelé a lé lefelé távozik.

E bepárlófajtával különösen rövid tartózkodási idő garantálható, ezért kíméletes bepárlást tesz lehetővé.

A 13.9.d. és f.ábráján vázolt kényszercirkulációs külső szivattyús bepárlóihoz hasonló, de vízszintes fűtőkamrás készüléket mutat a 13.10. ábra.

13.10. ábra - Vízszintes fűtőkamrás bepárló

kepek/abra_13_10.jpg


A korszerű ipari üzemekben gyakran szükségesek nagy mennyiségű vizet elpárologtató, nagy fűtőfelületű bepárlóberendezések.

Itt és sok más egyéb helyen (mint pl. erősen viszkózus, tömény, hőérzékeny oldatoknál) mesterséges, ún. kényszercirkulációs bepárlókat használnak.

A cirkulációs sebesség ezekben a készülékekben mintegy 2 m/s értékű, pontosabban 1,5 és 3,5 m/s értékek között mozog. Az 1 m/s-nál kisebb sebességek használata célszerűtlen: itt a kényszercirkulációs bepárlás alig különbözik a természetes cirkulációstól. Viszont nagyobb, tehát 4 m/s értéket meghaladó cirkulációs sebességeknél a hőátszármazás már nem javul tovább. A külső szivattyús, kényszercirkulációs készülékek közül említjük a Buflovak-féle bepárlót (13.10. ábra). Ennek elkülönített fűtőtere kétjáratú, vízszintes csőköteges. A csöveken centrifugálszivattyú hajtja át az oldatot. Az oldat csak a fűtőtér felső részéhez csatlakozó függőleges csőben forr fel, mielőtt közvetlenül a páratérbe jutna. Itt a folyadék-pára elegy különlegesen kiképzett terelő cseppfogóba ütközik, a folyadékcseppek lehullanak és visszajutnak a szivattyú szívóvezetékébe.

Fűtőgőzvezetési és légtelenítési megoldások

A bepárlókonstrukcióknak egyik lényeges pontja a fűtőtér kialakítása és a fűtőgőzvezetés, valamint a légtelenítés megoldása. A fűtőtérben levő levegő és nem kondenzálódó gázok káros hatása ismeretes: rontják a hőközlést és a csövek maródását okozhatják. A nem kondenzálódó gázok a fűtőgőz lecsapódásakor a csapadékvíz fölött vékony hártyát alkotnak. Ha a gőzáram elég sebes, ezt a hártyát lesodorja, ezért a jó gázeltávolítás egyik legfontosabb követelménye a nagy gőzsebesség, valamint a gőzbevezető- és légtelenítőnyílások olyan elhelyezése, hogy a sebes gőzáram az összes forralócsövet egyformán érje [62]

Jó légtelenítést mutat a Webre-féle terelőlemezes megoldás (13.11. ábra). Itt a fűtőtérbe benyúló, perforált függőleges csövön a fűtőtérből egyenletesen távolítható el a levegő és a nem kondenzálódó gázok. A terelőlemezek úgy szabják meg a gőz útját, hogy az áramlási keresztmetszet mindig kisebbé válik. A gázokat a központi ejtőcső mellett, középtájon vezetik el. A légtelenítőcső ne legyen nagy átmérőjű, csak annyi gőzt vigyen el, amennyi a gázzal együtt mindenképpen távozik. A légtelenítőcső bármely, a fűtőtér nyomásánál kisebb térbe vezethet. (Túlnyomással dolgozó fűtőtérnél pl. a szabadba.) A távozó levegő-gáz-gőz keverék mennyiségét fojtószeleppel szabályozhatjuk. Adott esetben a légtelenítőcső visszacsatolható a készülék páraterébe, a páratéri nyomás kisebb lévén a fűtőtérinél (13.11. ábra).

13.11. ábra - Fűtőgőzvezetés és légtelenítés vázlata (keresztmetszet)

kepek/abra_13_11.jpg


A 13.11.ábrán látható megoldás szerint a légtelenítőnyílást a fűtőtér feneke fölött nem nagy magasságban alkalmazzák. Ez annyiból helyes, hogy a levegő térfogatsúlya a vízgőznél nagyobb lévén, a keverék kevesebb gőzt tartalmaz itt, mint magasabban. Természetesen olyan mélyen nem szabad a légtelenítőnyílást elhelyezni, hogy kondenzvíz csoroghasson bele.

A levegő mellett más nem kondenzáló gázok is jelen lehetnek, pl. a cukoripari bepárlóknál NH3.

Külső ejtőgyűrűs kristályosító bepárló

A külső fal melletti, körgyűrű keresztmetszetű (röviden külső ejtőgyűrűs) ejtőtér kiképzése olyan fűtőtestet kíván, amelyet tartókarokra állíthatunk. (Esetleg függesztve belógathatunk.) Ilyen, külső ejtőgyűrűs (Swenson) bepárlókészülék látható a 13.12.ábrán.

13.12. ábra - Külső ejtőgyűrűs bepárló (a – tartókar, b – gőzbevezetés, c – kondenzátum, d – légtelenítés, e – lébevezetés, f – léelvétel, g – habfogó, h – páraelvezetés)

kepek/abra_13_12.jpg


A fűtőtest tartókarokon nyugszik (a). A gőzbevezetés felülről, középen történik (b). A csapadékvizet alul középről vezetik el (c). A fűtőtest légtelenítővezetéke a felső csőfalhoz csatlakozik (d). A folyadékot a körgyűrű keresztmetszetű ejtőtér egyik középmagas pontján vezetjük be (e) és töményítve a készülék alján vezetjük el (f). A páratérben a gőzcsőre van építve a habfogó (g), a párák felül távoznak (h).

A készülék alkalmas kristályosodó oldatok bepárlására: a kúpos fenekes alsó részén a kristályok lecsúszhatnak. Az alsó kiürítőnyílás alatt két zárt sógyűjtő (sószűrő) szolgál a kristálymassza befogadására. Ezekbe felváltva ürítik a kristálymasszát, így a bepárlóval folyamatosan dolgozhatunk, és nem kell a vákuumot megszüntetni. A sófogók szűrőkádként vannak kiképezve. Ha az egyik megtelt, a bepárló alsó ürítőnyílását zárjuk, illetve a másik sófogót kapcsoljuk vele össze. A szűrőrostélyon át az oldat lecsorog, ezt megfelelő helyre vezetjük, a kristályokat pedig a szűrő fölött levő ajtón át kilapátoljuk.

A szerkezet előnyei: az önálló fűtőtest egyszerűbben szerelhető ki és kiszerelve könnyebben tisztítható, javítható, mint a szokásos Robert-készüléknél alkalmazott fűtőtest.

Zsigmond-féle bepárló

A magyar cukor- és konzervgyárakban alkalmazott Zsigmond-féle bepárlóban a forrcsövekben a kisebb folyadéktartalmat úgy hozzák létre, hogy a csövek belsejében térkitöltő betéteket helyeznek el. A betét megfelelő kialakításával elérhető a cső egész hossza mentén a közel állandó vastagságú folyadékréteg (-film). A 13.13. ábra Zsigmond által javasolt betét kialakítását mutatja, amelyet egyaránt lehet használni emelkedő- és esőáramú készülékben. A betét alsó részén a csőkeresztmetszetet majdnem kitöltő, csavarmenetszerűen kiképzett elem van. Felfelé haladva a betét egyre csökkenő keresztmetszettel tölti ki a csövet. A csavarvonal alakú betétnek perdítő hatása van. A folyadék effektív sebessége nagyobb, mint a szokásos, természetes keringésű készülékekben. Megfelelő kialakítás és üzemeltetés esetén lényegesen javul a hőátadás és rövidebb lesz a tartózkodási idő. Legfontosabb alkalmazási területe a cukorgyártás [22]

13.13. ábra - Zsigmond-bepárló betétes csöve

kepek/abra_13_13.jpg


Az átlagos hőátviteli tényezőre 3500...4500 W/(m2 K) értékeket mértek a bepárlóállomás I. fokozatában. Ez a gyakorlatban 20% fűtőfelület-megtakarítást jelent. A tartózkodási idő átlagosan két perc, szemben a Robert-bepárlónál mért 12,5 perccel.

Gyorsbepárlók

A gyorsbepárlók legkülönbözőbb típusai legújabban fejlődtek ki hőérzékeny szerves oldatok (tej, gyógyszerek stb.) bepárlására. Ezek bizonyos része a kényszeráramlású bepárlók között tárgyalható, ez esetben ui. a folyadékáramlás oly módon adott, hogy bár lefelé csorgó folyadékhártyáról van szó, a hártya vastagságát mesterségesen szabjuk meg egy gyorsan forgó, többlapátos keverőszerkezettel. A folyadékfilm rendkívül vékony, esetleg tized mm nagyságrendű.

Két rokontípust ismertetünk: a Luwa cég bepárlóját és az ún. Sambay-féle bepárlót. Összehasonlításul a két bepárló keresztmetszetét egy ábrán közöljük (13.14. ábra).

13.14. ábra - Filmbepárló keresztmetszeti vázlatok (A – Luwa-készülék, B – Sambay-készülék, a – gőztér, b – fűtőköpeny, c – forgástengely, d – lapát, e – folyadékhártya, f – készülékfal)

kepek/abra_13_14.jpg


A bal oldali A kép a Luwa-készülék, a jobb oldali B kép a Sambay-féle készülék keresztmetszete.

A Luwa-készülék lapátjai merevek, ezért a folyadékszint vastagsága megszabottan állandó a faltól való állandó távolsága révén. A Sambay-féle bepárló lapátjai (lengőlapátok) csuklósan megerősítettek lévén, a folyadékhártyán mintegy végigcsúsznak.

A Sambay-félebepárló hosszmetszete a 13.15.ábrán látható. A függőleges készülék (1) teste hengeres. Több rövid (2) fűtőköpennyel van ellátva a hossz mentén. A híg oldat a (3) csonkon lép be és a (4) elosztó cseppfogó tálcára kerül. A gyorsan forgó tengelyre erősített lapátokat a centrifugális erő a fal felé tolja, és így a fal mentén igen vékony (néhány tized mm vastagságú) folyadékréteg csorog lefelé gomolygó áramlásban. Az (5) lapátok a (6) tengelyhez kapcsolódnak. A tömény folyadék a (7) kilépőcsonkon, a párák felül, oldalt (8) távoznak.

13.15. ábra - Sambay-bepárló (1 – bepárlótest, 2 – fűtőköpeny, 3 – a folyadék belépése, 4 – elosztó, 5 – lapát, 6 – tengely, 7 – kilépőcsonk, 8 – páracsonk)

kepek/abra_13_15.jpg


Centri–Therm-bepárló

A különösen hőérzékeny anyagok (gyógyszerek, vitamintartalmú oldatok) bepárlásához vékony rétegű, gyors átfutási idejű bepárlók több változatát fejlesztették ki az utóbbi években. A Centri–Therm-bepárlók több változata közül a 13.16. ábra egy egyszerűbbet mutat be.

13.16. ábra - Centri–Therm-bepárló

kepek/abra_13_16.jpg


A bepárlásnál itt a centrifugálás elvét is alkalmazzák. Az alsó konzolos tengely motorhajtású tányért és kónuszt (kúpot) tart, illetve forgat. A bepárlandó híg oldatot a kónusz felső szájrészébe bevezetett álló etetőcsövön táplálják be; az oldat a forgó kónusz belső palástján szétterül és ott mintegy 0,1 mm vékony filmet (folyadékhártyát) képez. A lecsorgó folyadékhártya tartózkodási ideje a kónuszban 1 másodpercnél rövidebb! A forgó kónuszt körülvevő házba oldalt fűtőgőzt vezetnek be, amely lecsapódva alul mint kondenzvíz kivezethető. A koncentrált oldatot a forgó kónusz szájrészén átvezetett álló hámozócsövön vezetik el. A bepárláskor képződő gőzök a forgó kónusz szájrészéhez illeszkedő, álló párakivezető csonkon át távoznak.

A CentriTherm-bepárló alkalmazási területe: inzulin, antibiotikumok, dextrán, enzimes, proteines és vitaminos oldatok bepárlása.

A távozó oldat legfeljebb 85% szárazanyag-tartalmú. Bepárolhatók erősen viszkózus oldatok is (egészen 20 Pa s viszkozitásig). A bepárlók teljesítménye 50...2500 kg/h vízelpárologtatás.

Lemezes bepárló

A berendezés működését és felépítését a 13.17. és 13.18. ábra szemlélteti. Utalunk továbbá a 13.9.e.ábrán vázolt lemezes fűtőszekrényes bepárlóra is.

13.17. ábra - Lemezes bepárló egyszerű sémája (a – vázlat, b – szétszerelt állapot; 1 – gőzlemez, 2 – lébevezető lemez, 3 – gőzlemez, 4 – léleengedő lemez)

kepek/abra_13_17.jpg


13.18. ábra - Lemezes bepárlótelep

kepek/abra_13_18.jpg


A 13.17.a. ábrán a lemezek összekapcsolási sorrendjét láthatjuk. A zárólapot követően négy, különböző funkciójú lemez következik (és ez a négy lemez követi egymást a műszaki feltételeknek megfelelően).

A fűtőgőz-bevezetés: felül, oldalt, a kondenzátum kivezetése: alul, oldalt. A besűrítendő oldatot kétoldalt vezetik be a lemezsorozat elején, és a koncentrált lé a párákkal együtt távozik, tehát a párákat el kell választani a koncentrátumtól. Erre a célra való a hengeres dob (lásd a 13.18. ábrát).

A 13.17.b.ábrán szétszedett állapotban láthatók a lemezek, amelyek két lapján a gőz és a lé elválasztását és külön-külön vezetését tömítő gumiszalagok biztosítják. A gőzlemezeken a vízszintes, kidomborított lécek a távolságtartást szolgálják.

A 13.18. ábra a lemezes bepárló és a páraelválasztó kapcsolási rajza. A lemezes bepárló az egyszeres átfutású, vékony rétegű bepárlás elvét alkalmazza. A lemezek könnyen összerakhatók, szétszedhetők és tisztíthatók. Különösen célszerű higénikusan kezelendő folyadékok besűrítésénél. A lemezek számát (bizonyos korlátok között) növelni lehet. A bepárló lehet egy, két vagy három fokozatú, működhet párakompresszorral vagy anélkül. A berendezések 300 és 20 000 kg/h vízelpárolgási teljesítményhatárok között állíthatók össze.

Páravíz eltávolítása

A bepárló jó üzemelésének egyik előfeltétele, hogy a páravizet gyorsan elvezessük a fűtőkamrából, de úgy, hogy közben gőz ne szökjék el. Erre a célra kondenzedényt (nevezik ezt úszószekrénynek vagy páravíz-elvezető automatának is) vagy Niessner-készüléket használunk [65]

A kondenzedény (13.19. ábra) lényeges eleme az úszógolyó által vezérelt szelep. Ha a fűtőkamrából páravíz áramlik az edénybe, az úszó felemelkedik, nyitja a szelepet és lefolyik a víz. Ha viszont az edényben süllyed a vízszint, az úszó leszáll és zárja a szelepet. Így a fűtőkamrából nem szökhet el a gőz. Ha a szelep esetleg fennakad, kívülről meg lehet mozgatni. Tilos azonban a kondenzedényt teljesen felemelt úszószerkezettel üzemeltetni. Ez nagy gőzveszteséget okoz, mert a gőz munkavégzés nélkül szökik át a magasabb nyomású térből az alacsonyabb nyomású térbe, és ezáltal csökkenti az illető fokozat teljesítményét. Ezt a jelenséget rövidzárlatnak nevezzük. Fontossága miatt hangsúlyozzuk, hogy a rövidzárlat mindig kerülendő!

13.19. ábra - Kondenzedény

kepek/abra_13_19.jpg


A kondenzedényes levezető rendszernél az a jó megoldás, amikor az azonos nyomású fűtőkamrák páravizeit előbb egy közös gyűjtőedénybe vezetjük, majd ebből engedjük a kondenzedényre. A Niessner-féle páravíz-elvezető (13.20. ábra) két egymásba helyezett csőből áll. A páravizet a belső cső alsó részébe vezetjük, a víz felfelé áramlik, majd a felső tölcsérből átbukik a külső cső széles fejébe. Itt a nyomás kisebb, ezért a víz egy része elpárolog (önelpárolgás) és lehűl az alacsonyabb nyomásnak megfelelő hőmérsékletre. A keletkezett párát a páravíz származási helyénél eggyel alacsonyabb nyomásfokozatba vezetjük, pl. az I. fokozat fűtőkamrájából származó páravíz esetén a II. fokozat fűtőkamrájába.

13.20. ábra - Niessner-készülék

kepek/abra_13_20.jpg


A néhány C°-kal lehűlt víz egy része kilép a Niessner-elvezetőből, másik része a külső csövön lefelé áramolva visszakering és az alul levő nyílásokon újra a belső csőbe jut. Mivel a Niessner-elvezető két nyomásfokozattal áll kapcsolatban, a benne levő vízoszlopnak olyan magasnak kell lenni, amely biztos vízzárat létesít és megakadályozza a rövidzárlatot, vagyis azt, hogy a Niessner átfújjon. A készülék magassága az előfordulható legnagyobb nyomáskülönbségtől függően 6...8 m.

A 13.21. ábra a bepárlórendszer egyszerűsített páravízsémáját mutatja. A bepárló 4 fokozatú, mindegyik után külön Niessner-elvezetővel. A fáradt gőz páravize az első testből az R-Niessneren (retur-Niessner) át a tápkazánba folyik. Ugyanide kerül a második testből az I. páravíz. A felesleges tápvíz az 1. Niessnerbe jut. Innen a víz a 2. és a 3. Niessneren keresztül továbbfolyik a páravízszivattyúra, amely a felhasználási helyre nyomja. Az ábrából látható, hogy minden Niessner önelpárolgása eggyel alacsonyabb fokozatba van kötve. Ezzel a rendszerrel a páravizek hőtartalma hasznosítható azáltal, hogy a vizek fokozatosan alacsonyabb nyomású térbe kerülnek.

13.21. ábra - Páravízséma cukorgyári bepárlótelepen (I, II, III és IV – bepárlótestek, R – retúr-Niessner, 1, 2 és 3 – Niessner-készülékek, T – tápkazán)

kepek/abra_13_21.jpg


Előnye, hogy mozgó alkatrésze nincs és semmi felügyeletet nem igényel.

A bepárlás különleges esetei (Különleges bepárlók)

A bepárlás különleges esetei, azaz a különleges bepárlók közül a merülőégős bepárlást, az expanziós bepárlást (tengervíz-, ill. sósvíz sótalanítást) és a kompressziós bepárlást ismertetjük röviden.

Merülőégős bepárlás

Erősen korrózív anyagok (foszforsav, kénsav) bepárlására a füstgázok és a folyadék közvetlen érintkeztetésével működő merülőégős bepárlók (is) alkalmazhatók. A merülőégőt a folyadékba benyúló vezetőcső veszi körül. A páragőzök a lehűlt füstgázokkal együtt távoznak. A fűtőanyag olaj vagy gáz.

A 13.22. ábra olyan merülőégős bepárló, amely sótartalmú 24%-os kénsavat 65...68%-osra képes besűríteni. Az égetőkamrából kilépő mintegy 1600 °C-os füstgáz a merülőcsövön jut a bepárlandó folyadékba. A merülőcsövet vezetőcső veszi körül. Ez lehetővé teszi a folyadék irányított mozgatását (keverését). A folyadék hőmérséklete 145...148 °C, a távozó füstgázé 150 °C. A páragőz a lehűlt füstgázzal együtt távozik.

13.22. ábra - Merülőégős bepárló (1 – égő, 2 – merülőcső, 3 – vezetőcső, 4 – füstgáz és páragőzcsonk, 5 – sav bevezetése, 6 – savtúlfolyás)

kepek/abra_13_22.jpg


Expanziós bepárlás

Az expanziós bepárlás lényegileg abban áll, hogy a bepárlandó oldatot előmelegítéskor olyan nagy nyomásra hozzuk, hogy a folyamatban fellépő legmagasabb hőmérsékleten még ne érje el a forráspontját. A kellő hőmérsékletre hevített oldatot kisebb nyomású térbe vezetjük: fojtjuk. Itt az önelpárolgás következtében gőz fejlődik és az oldat a térrészben uralkodó nyomásnak megfelelő hőmérsékletet vesz fel. Alkalmazása sólevek bepárlása, tengervíz bepárlása, édesvíz nyerése (ivóvíz előállítása) tengervízből. A bepárlás mindig többfokozatú. A sokféle megoldás közül a keverő kondenzációval működő szivattyús és szivattyú nélküli expanziós bepárlót mutatjuk be (13.23. ábra).

13.23. ábra - Expanziós bepárló (a – keverő kondenzációval és szivattyúkkal, b – keverő kondenzációval szivattyúk nélkül, 1 – hőcserélő, 2 – édesvíz melegítése, 3 – édesvíz hűtése)

kepek/abra_13_23.jpg


A működés lényege: a fokozatok páragőzeit az ellenáramban folyó hidegebb édesvízáram kondenzálja.

A felmelegített forró tengervizet (sólét) a legfelső fokozatba vezetik, ahol a legnagyobb a nyomás és legmagasabb a hőmérséklet. A keletkezett páragőz a tér másik (szomszéd) részében levő hidegebb édesvízzel érintkezve kondenzálódik. A maradék sólé fojtóberendezéseken keresztül fokozatról fokozatra folyik lefelé, eközben az egyes fokozatok nyomása fentről lefelé csökken. Ellenáramban kb. azonos nagyságú édesvízáram halad, fokozatról fokozatra szivattyúk emelik felfelé [22]

A 13.23.b. ábrarész szerinti kapcsolásban nincs szükség emelőszivattyúkra. A forró sólét a legalsó fokozatba vezetik, a gőznyomások alulról felfelé csökkennek és a sóléáramot nem kell fojtani. Az ábrán vázolt berendezéshez sólé ~ édesvíz hőcserélő (1), édesvíz melegítő (2) és édesvíz hűtő (3) hőcserélő szorosan csatlakozik.

Párakompresszoros bepárlás

Többfokozatú bepárló rendszer helyett esetleg érdemes egyfokozatú hőszivattyús (párakompresszoros) bepárlót alkalmazni. A páragőz egyszerű túlhevítésével és a fűtőkamrába visszavezetésével nem oldható meg a bepárlás.

A páragőzök nyomásfokozása elengedhetetlen. Erre két út kínálkozik:

  1. turbókompresszor alkalmazása, azaz mechanikus nyomásfokozás,

  2. gőzsugárkompresszor alkalmazása, ha rendelkezésre áll megfelelő nyomású hajtógőz.

Az első eset rentabilitásának eldöntéséhez a villamos áram ára, a hűtővíz ára és a gőz ára a mértékadó összehasonlító paraméter.

A második esetben a gőz és a hűtővíz ára mértékadó.

Mindkét esetben meghatározó a gazdaságosság szempontjából az áthidalandó hőmérsékletesés. Ennek résztagjai a hőátviteli hőmérséklet-különbség, a gőzrendszer nyomásvesztesége és az elgőzölögtetendő folyadék forráspontemelkedése.

Kondorossy és Walter részletesen elemezték egy évi 500 000 t sóbepárló üzem gazdaságossági határvonalait abból a szempontból, hogy többfokozatú telepet vagy villamos motorral hajtott gőzkompresszoros (turbókompresszoros) hőszivattyús bepárlót érdemesebb-e alkalmazni. Ezt mutatja a 13.24. ábra. A diagram magyarázata (az árak svájci frankban értendők):

13.24. ábra - Turbókompresszoros bepárló és sóbepárló gazdaságossági határvonalai

kepek/abra_13_24.jpg


Legyen

 

a)

villamos áram ára

0,075 sFr/kWh

  

a hűtővíz ára

0,05 sFr/m3

  

a gőz ára (limit)

12,5 sFr/t

ugyanis, ha a gőz ára > 12,5 sFr/t a termokompresszió kedvezőbb,

ha a gőz ára < 12,5 sFr/t az ötfokozatú telep kedvezőbb,

avagy

 

b)

a villamos áram ára

0,075 sFr/kWh

  

a gőz ára

12,5 sFr/t

  

a hűtővíz ára (limit)

0,05 sFr/m3

ugyanis, ha a hűtővíz ára > 0,05 sFr/m3 , a termokompresszió kedvezőbb,

ha a hűtővíz ára < 0,05 sFr/m3, az ötfokozatú telep kedvezőbb [64]

Sok esetben – így hazánkban is – egyszerűbb és olcsóbb megoldás a gőzsugárkompresszoros hőszivattyús (13.25. ábra) bepárló, ha kiépített kellően nagy nyomású gőz a hálózatból hozzáférhető. Ebben az esetben gőzfelesleg keletkezik, amelyet extragőzként más fogyasztóhoz vezethetünk, de indításhoz frissgőz betáplálása is szükséges. A részleteket illetőleg utalunk a szakirodalomra [10, 39, 41, 62, 64], továbbá könyvünk 15. fejezetében a gőzsugárkompresszorok alfejezetére is.

13.25. ábra - Gőzsugárkompresszoros bepárló (1 – lébelépés, 2 – elosztó, 3 – forrcsövek, 4 – létér és páraelválasztó tér, 5 – besűrített lé kilépése, 6 – gőzsugárkompresszor, 7 – páraelvezetés, 8 – kondenzátum)

kepek/abra_13_25.jpg