6.11.20081 Paisuntahaihdutuksen periaate LämmitysPaisunta Lauhdutus Stöttö Höyry Konsentraatti Lauhde.

Esitys aiheesta: "6.11.20081 Paisuntahaihdutuksen periaate LämmitysPaisunta Lauhdutus Stöttö Höyry Konsentraatti Lauhde."— Esityksen transkriptio:

1 6.11.20081 Paisuntahaihdutuksen periaate LämmitysPaisunta Lauhdutus Stöttö Höyry Konsentraatti Lauhde

2 6.11.20082 Esimerkki paisuntahaihduttimesta, jossa erotetaan makeaa vettä suolavedestä

3 6.11.20083 Muutamien materiaalien lämmönjohtokerroin

4 6.11.20084 Lämmönsiirtokertoimen arvoja Lämmönsiirtotilanneα-arvo, W/m 2 o C Vesihöyry, lauhtuminen5.000 ….. 100.000 Kiehuva vesi2.000 ….. 20.000 Lauhtuvat orgaaniset höyryt1.000 ….. 3.000 Vesi, lämmitys tai jäähdytys300 ….. 20.000 Öljyt, lämmitys tai jäähdytys100 ….. 2.000 Kaasut, lämmitys tai jäähdytys10 ….. 500 Vapaa konvektio5 ….. 20

5 6.11.20085 Pintalauhdutus levyhaihduttimessa

6 6.11.20086 Energian käyttö haihdutuksessa

7 6.11.20087 Haihduttimen pääkomponentit Haihdutuslämmönsiirrin Erotin Lauhdutin Syöttö-, kierto- ja alipainepumput Säiliöt, esim. lauhdesäiliöt Putkistot, esilämmittimet,

8 13.11.20088 Pisaranerotin

9 6.11.20089 Haihduttimen päätyypit Pitkätuubinen pystyhaihdutin (LTV) nouseva filmi (RF) putoava filmi (FF) Lyhyttuubinen pystyhaihdutin (STV) Vaakaputkihaihdutin (HT) Pakkokiertohaihdutin (FC) upotettu tyyppi ei-upotettu tyyppi Haihduttimet sekalaisilla lämmönsiirtimillä Haihduttimet ilman lämmönsiirtopintaa

10 6.11.200810 Putoavafilmihaihdutin (FF) Nesteenjakolaite

11 6.11.200811 Nousevafilmihaihdutin (RF)

12 6.11.200812 Muovikalvohaihdutin MVR

13 6.11.200813 Pakkokiertohaihdutin (FC)

14 13.11.200814 Kavitaatio esiintyy pumpussa kun staattinen paine pumpun imupuolella alenee nesteen kiehumispisteeseen saakka. Nesteeseen muodostuu höyrykuplia, jotka paineen taas noustessa juoksupyörässä lauhtuvat takaisin, josta seuraa paineisku. Pumpun tuotto alenee ja juoksupyörä syöpyy. NPSH = Net Positive Suction Head, ilmaistaan metreinä nestepatsasta NPSH voidaan laskea seuraavasti: NPSH = H stat + p i / ρ * g – H putki – p n / ρ * g(1) missä H stat = staattinen imukorkeusm p i = abs. paine imusäiliössä nestepinnallaPa (1 Pa = 1 kg/m s 2 ) H putki = imuputken painehäviöm p n = nesteen höyrynpaine pumppauslämpötilassaPa ρ = nesteen tiheyskg/m 3 g = 9,80665m/s 2 Huom! H stat on – merkinen, jos pumppu on nestepinnan yläpuolella ja + merkkinen jos se on alapuolella. NPSH ja kavitaatioilmiö pumpussa

15 13.11.200815 Kavitaatio esiintyy pumpussa kun staattinen paine pumpun imupuolella alenee nesteen kiehumispisteeseen saakka. Nesteeseen muodostuu höyrykuplia, jotka paineen taas noustessa juoksupyörässä lauhtuvat takaisin, josta seuraa paineisku. Pumpun tuotto alenee ja juoksupyörä syöpyy. NPSH = Net Positive Suction Head, ilmaistaan metreinä nestepatsasta NPSH voidaan laskea seuraavasti: NPSH = H stat + p i / ρ * g – H putki – p n / ρ * g(1) missä H stat = staattinen imukorkeusm p i = abs. paine imusäiliössä nestepinnallaPa (1 Pa = 1 kg/m s 2 ) H putki = imuputken painehäviöm p n = nesteen höyrynpaine pumppauslämpötilassaPa ρ = nesteen tiheyskg/m 3 g = 9,80665m/s 2 Huom! H stat on – merkinen, jos pumppu on nestepinnan yläpuolella ja + merkkinen jos se on alapuolella. NPSH ja kavitaatioilmiö pumpussa

16 13.11.200816

17 6.11.200817 Ejektorin toiminta 3

18

19 13.11.200819 Vesirengastyhjöpumppu

20 6.11.200820 Mitä ominaisuuksia on hyvällä kuivurilla ja mitkä reunaehdot vaikuttavat sen valintaan? Kuivurin valinta

21 Hyvä kuivuri käyttäjän näkökulmasta Alhaiset investointikustannukset Alhaiset käyttökustannukset Alhaiset huoltokustannukset Tuottaa laadukasta lopputuotetta Toimintavarma Hyvä säädettävyys Hyvä joustavuus erilaisille tuotteille

22 Kuivurin valintaan vaikuttavat reunaehdot Kuivattavalle materiaalille asetetut laatuvaatimukset loppukosteuden vaihtelu, kosteusjakauma, ulkonäkö, maku, muoto… Materiaalin kuivumisominaisuudet lämmönjohtavuus, permeabiliteetti, tehollinen diffuusiokeroin, palakokojakauma… Kokonaisprosessi, johon kuivaus liittyy tärkeys muun prosessin kannalta, vuotuiset käyttötunnit, haihdutuksen tarve aikayksikössä Käytettävissä olevat lämmönlähteet primäärilämmönlähteet (esim. vastapainehöyry, sähkö, polttoaineet), sekundääriset lämmönlähteet (esim. prosessista talteenotettu lämpö) Kuivauksen päästöt likaiset poistokaasut ja lauhteet Turvallisuus Esim. tulipaloriski

23 13.11.200823

24 6.11.200824 Haihduttimen pääkomponentit

25 6.11.200825 Haihduttimen päätyypit

26 6.11.200826 Haihdutusteknologian perusteet Leif Ramm-Schmidt Chemitec Consulting Oy, Espoo Henrik Holmberg

27 6.11.200827

28 6.11.200828 Jätevesien puhdistamiseen haihduttamalla, teollisuuden suljetut vesikierrot PRETREATMENT EVAPO- RATION REUSE PROCESS WASTE WATER CONCEN- TRATE CLEAN WATER MAKE UP WATER ”Tislattu vesi”

29 6.11.200829 Haihduttimien jaottelu Höyrykäyttöiset Yksivaiheinen Monivaiheinen Termiseen höyryn komprimointiin perustuvat (TVR) Yksivaiheinen Monivaiheinen Mekaaniseen höyryn komprimointiin perustuvat (MVR) Yksivaiheinen Monivaiheinen (Paisuntahaihduttimet (flash, MSF))

30 6.11.200830 1-vaihehaihdutin Specific Steam Consumption = 1,1 Vapor Steam Primary Condensate Feed Concentrate Cooling Water Condensate 1,1 1,0 CONDENSER

31 6.11.200831 4-vaihe haihduttamo Specific Steam Consumption = 0,28 Concentrate Condensate Vapor Steam Vapor Waste Heat Feed Cooling Water CONDENSER Vapor Primary Condensate 1 2 34 p steam > p 1 > p 2 > p 3 > p 4

32 6.11.200832 4-Vaihe TVR haihduttamo Specific Steam Consumption = 0,2 (1:5) Concentrate Vapor Steam Condensate Feed Cooling Water CONDENSER Vapor Steam/Vapor mixture Vapor EJECTOR 1 1 22111 5 2 1 2

33 6.11.200833 MVR haihdutin P = C x MF x DT P = Fan Power Use (kW) C = Constant (2,5…3) MF = Vapor mass flow (ton/h) DT = Temp. difference (°C) Vapor Feed Concentrate Condensate COMPRESSOR Compressed Vapor DT

34 6.11.200834 Haihduttimen energia ja massatase h1h1 h2h2 h5h5 h3h3 h4h4 C3C3 C4C4 t4t4 t3t3 C = h

35 6.11.200835 Kiehumapisteen kohouma Q = k x A x  T net  T net =  T tot -  T BPE Q = k x A x  T net  T net =  T tot -  T BPE

36 6.11.200836 Yhtälö Erilaisille liuoksille pätee: ΔT BPE = K b * i * m Jossa : K b = vakio i = van’t Hoffin kerroin m = molalisuus (moolia liuennutta ainetta/kg H 2 O)

37 6.11.200837 Ideaalisille vesiliuoksille kerroin K b = 0,512 o C/m kun toimitaan normaali ilmanpaineessa (100 o C). Voidaan käyttää karkeissa arvioissa laimeahkoille liuoksille, jos muuta tietoa ei ole saatavilla. Dissosioituville aineille lasketaan ionien mukaan kertomalla se van’t Hoff:in kertoimella. Esimerkiksi NaCl dissosioituu yhdeksi Na + -ioniksi ja yhdeksi Cl - -ioniksi vesiliuoksissa ja kerrotaan siis 2:lla.

38 6.11.200838 Liuoksen aktiivisuus p hL liuoksen höyrynpaine p h ’ puhtaan nesteen höyrynpaine n v veden moolimäärä n tot koko liuoksen moolimäärä  aktiivisuuskerroin Reaaliliuoksille Määritelmä Ideaaliliuos  on 1 eli ns. Raoultin laki on voimassa

39 6.11.200839 Elektrolyyttiliuosten aktiivisuus  =  ( + ) + ( - ) -  1/ m j = n/m = + + -

40 6.11.200840 Esimerkki kiehumispisteen nousun määrittämisestä Mikä on 8-%:n CaCl 2 -liuoksen kiehumispisteen nousu lämpötilassa 100 o C ja 60 o C, kun liuos oletetaan ideaaliseksi?

41 6.11.200841 Esimerkki: Lähtötietojen laskenta Molaalisuudet (liuoksen massa 1 kg) n CaCl2 = 80g/(40,08g/mol+2*35,45g/mol) = 0,721mol n H2O = 920g/18g/mol = 51,11mol m jCaCl2 = 0,721mol/0,92kg = 0,784mol/kg Veden höyrystymislämmöt lämpötiloissa 100 o C ja 60 o C l v100C = 40,81 kJ/mol l v60C = 42,49 kJ/mol Aktiivisuus = 0,986

42 6.11.200842 Esimerkki: vastaus Kiehumispisteen nousu

43 6.11.200843 Haihduttimen energia- ja massatase

44 6.11.200844 Haihdutus luonnon oma puhdistusmenetelmä

45 6.11.200845 1-vaihehaihduttimen periaate

46 6.11.200846 Monivaihehaihdutus

47 6.11.200847 MVR-haihdutuksen periaate

48 6.11.200848 Lämmönsiirto seinämän läpi

49 6.11.200849 Lämmönsiirtokerroin k 1/k = 1/α 1 + w/λ w + s/λ s + 1/α 2 jossa: k = lämmönsiirtokerroin, W/m 2 o C α 1 = ulkopinnan lämmönsiirtokerroin, W/m 2 o C α 2 = sisäpinnan lämmönsiirtokerroin, W/m 2 o C w = seinämäpaksuus, m s = sakkakerroksen paksuus, m λ w = seinämän lämmönjohtokerroin, W/m o C λ s = sakan lämmönjohtokerroin, W/m o C

50 6.11.200850 Esimerkki 1. Puhdas pinta: α 1 = 20.000 W/m 2 o C α 2 = 1.500 W/m 2 o C w = 0,7 mm s = 0,0 mm (=puhdas) λ w = 15 W/m o C λ s = 0,12 W/m o C k = 1/(1/20.000 + 0,0007/15 + 1/1.500) = 1.310 W/m 2 o C 2. Likainen pinta (piisakka 0,5 mm): α 1 = 20.000 W/m 2 o C α 2 = 1.500 W/m 2 o C w = 0,7 mm s = 0,5 mm (=likainen) λ w = 15 W/m o C λ s = 0,12 W/m o C k = 1/(1/20.000 + 0,0007/15 + 0,0005/0,12 + 1/1.500) = 203 W/m 2 o C

51 6.11.200851 Lämmönläpäisykerroin haihdutuksessa materiaalin ja paksuuden funktiona

52 6.11.200852 Yhtälöt

53 6.11.200853 Laskentaesimerkki

54 6.11.200854

55 6.11.200855 Paisuntahaihdutin

56 6.11.200856 Meriveden kiehumapisteen kohouma

57 6.11.200857 Kiehumapisteen kohouma teoria Haihdutettavan liuoksen kiehumapiste nousee kuiva-ainepitoisuuden noustessa vaikka paine on vakiona. Muutos pienentää haihduttimen lämpötilaeroa, ja alentaa näin haihduttimen kapasiteetin. Ilmiöstä käytetään nimeä ”kiehumapisteen kohouma (engl. Boiling Point Elevation = ΔT BPE ), vaikka käytännössä on kysymyksessä höyrynpaineen alenema. Kiehumapisteen kohouma on otettava huomioon haihduttimen mitoituksessa. Ilmiö on ns. kolligatiivinen ominaisuus. Jäätymispisteen alenema suolan takia on samanlainen ilmiö. Ei haihtuvaa kiintoainetta sisältävän liuoksen höyrynpaine alenee kiintoaineen pitoisuuden nousun myötä, tarkemmin ottaen molaliteetin funktiona (Raoult:in laki). Jotta liuos kiehuisi höyryn kylläisyyspainetta vastaavassa lämpötilassa, se pitää lämmittää höyrynpaineen aleneman verran korkeampaan lämpötilaan. Haihduttimessa tämä pienentää lämpötilaeroa lämpöpinnan yli, ja edellyttää joko lämpötilaeron kasvattamista vastaavasti tai lämpöpinnan suurentamista.

58 6.11.200858 Esimerkki kiehumapisteen kohouma 1

59 6.11.200859 Esimerkki kiehumapisteen kohouma 2

60 6.11.200860

61 6.11.200861 Ebulliometri kiehumapisteen kohouman mittaamiseksi

62 6.11.200862

63 6.11.200863 Ohutfilmihaihdutin viskoottisille liuoksille

64 6.11.200864 Sokeriteollisuuden haihduttamo

65 6.11.200865 Suorakontaktihaihdutin

66 6.11.200866 Lämmönsiirtopintojen suhteellinen raaka-ainekustannus MateriaaliSuht. kustannus/m 2 AISI 316  51 x 1,0 mm tube1 254 SMO  51 x 1,25 mm tube2,5 654 SMO  51 x 1,25 mm tube4,9 Sanicro 28  51 x 1,8 mm tube5,7 Hastelloy C276  51 x 1,0 mm tube13 Titaani  50,8 x 0,9 mm tube13 Polyeteenikalvo 40 my0,004

67 6.11.200867 Esimerkki: Rikkihappo/kuparisulfaatin haihdutus (Nexans Canada) Täysin suljettu kierto!