Paisuntahaihdutuksen periaate LämmitysPaisunta Lauhdutus Stöttö Höyry Konsentraatti Lauhde

Esimerkki paisuntahaihduttimesta, jossa erotetaan makeaa vettä suolavedestä

Muutamien materiaalien lämmönjohtokerroin

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

Pintalauhdutus levyhaihduttimessa

Energian käyttö haihdutuksessa

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

Pisaranerotin

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

Putoavafilmihaihdutin (FF) Nesteenjakolaite

Nousevafilmihaihdutin (RF)

Muovikalvohaihdutin MVR

Pakkokiertohaihdutin (FC)

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

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

Ejektorin toiminta 3

Vesirengastyhjöpumppu

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

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

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

Haihduttimen pääkomponentit

Haihduttimen päätyypit

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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.

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

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

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?

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

Esimerkki: vastaus Kiehumispisteen nousu

Haihduttimen energia- ja massatase

Haihdutus luonnon oma puhdistusmenetelmä

vaihehaihduttimen periaate

Monivaihehaihdutus

MVR-haihdutuksen periaate

Lämmönsiirto seinämän läpi

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

Esimerkki 1. Puhdas pinta: α 1 = W/m 2 o C α 2 = 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/ ,0007/15 + 1/1.500) = W/m 2 o C 2. Likainen pinta (piisakka 0,5 mm): α 1 = W/m 2 o C α 2 = 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/ ,0007/15 + 0,0005/0,12 + 1/1.500) = 203 W/m 2 o C

Lämmönläpäisykerroin haihdutuksessa materiaalin ja paksuuden funktiona

Yhtälöt

Laskentaesimerkki

Paisuntahaihdutin

Meriveden kiehumapisteen kohouma

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.

Esimerkki kiehumapisteen kohouma 1

Esimerkki kiehumapisteen kohouma 2

Ebulliometri kiehumapisteen kohouman mittaamiseksi

Ohutfilmihaihdutin viskoottisille liuoksille

Sokeriteollisuuden haihduttamo

Suorakontaktihaihdutin

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

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