Toepassingen van verdampen en condenseren

• Procestechniek
• MBO
• Studiejaar 2

Toepassingen van verdampen in de procestechniek

• Het krijgen van de gewenste reactieomstandigheden
  
• Om oplossingen kunnen concentreren
  
• Om vloeistoffen te kunnen zuiveren
  
• Om vloeistofmengsels te kunnen scheiden
  
• Om stoffen te koelen
  

Toepassing 1: Het verkrijgen van de juiste procesomstandigheden

Om waterstof te maken laat je nafta of aardgas reageren met water. Dat kan alleen door het water eerst om te zetten in stoom met een druk van 30 bar en een temperatuur van ± 800° C.

2.Oplossingen concentreren

Om de concentratie van een oplossing hoger te krijgen verdamp je het water in de oplossing.

Dit noemen we indampen. Een voorbeeld hiervan is de bereiding van suiker uit suikerbieten. Maar ook koffiemelk, melkpoeder en gecondenseerde worden gemaakt met behulp van indampen. Daarnaast kennen we natuurlijk Nouryon van de zoutwinning. Zout wordt m.b.v. water uit de grond gehaald, gezuiverd en daarna ingedampt tot een zoutbrij.

3.Vloeistoffen zuiveren

Als je een mengsel hebt met een oplosmiddel en je wilt dit terugwinnen dan kun je gebruik maken van het verschil in kookpunt. Je verwarmt het mengsel tot het kookpunt van het oplosmiddel. Dit zuivere oplosmiddel kun je dan weer hergebruiken. Dit proces van verdampen en condenseren noem je destilleren. Dit is een fysische scheidingsmethode.

Voorbeelden van oplosmiddelen die je zo terug kun winnen zijn alcohol, aceton, benzine en hexaan. Bij chemische bedrijven als KLK Kolb, Shell, etc. zijn dit veel toegepaste methoden. Reden is besparing en milieu.

Destillatietoren

Zie ook lj1

Lab opstelling van een destillatie Zie ook lj1

4.Vloeistoffen scheiden

Als je een mengsel van vloeistoffen hebt met verschil in kooktemperatuur dan kun je door verdamping deze beide vloeistoffen scheiden.

Dit is een vorm van destilleren en zo werden sterke dranken gemaakt.

02:30

In de koeler condenseert het water weer en wordt dus vloeibaar. Wat is het meest effectief hier tegenstroom of meestroom?

5.Vloeistoffen afkoelen

Een voorbeeld hiervan is de koelkast (zie ook lj1)

Zijaanzicht van de koeljast

Het koelsysteem

Toepassingen van condeseren in de procestechniek

• Om van een zuivere damp een zuivere vloeistof te maken
  
• Om de warmte te gebruiken die vrijkomt bij het condenseren
  
• Om het milieu te beschermen
  
• Om vochtoverlast te voorkomen
  

1.Van een zuivere damp een zuivere vloeistof maken

Bijvoorbeeld het herwinnen van een oplosmiddel uit een mengsel door verschil in kookpunt, is dus ook destilleren.

Verwarmen van een reactor

3.Beschermen van het milieu

Bijvoorbeeld het afzuigen van

tolueen in een drukkerij of het tappen van een eindproduct met oplosmiddelen (puntafzuiging)

4.Vochtoverlast voorkomen

Door waterdamp binnen het bedrijf op te vangen kun je

uitstoot van grote hoeveelheden waterdamp beperken.

TEMPERATUURPROFIEL:

Links: Door het koelwater gaat de damp over naar de vloeibare fase, het koelwater zal stijgen in temperatuur.

Rechts: De olie verwarmt de vloeistof die over zal gaan in gas, de olie wordt kouder.

Wat kun je doen om verdamping te beperken?

1. De druk verlagen
2. De warmte afvoeren
3. De gevormde damp afvoeren
4. De temperatuur verhogen

Je koelt een hoeveelheid oververhitte stoom af, wat gebeurt er dan?

Stelling 1.Het droogproces is in de procestechniek een voorbeeld waarbij verdampen belangrijk is
Stelling 2.Verdampen is belangrijk als je vocht wilt verwijderen uit een gas.
Welke stelling(en) is/zijn waar?

1. Alleen stelling 1
2. Stelling 1 en 2
3. Alleen stelling 2
4. Geen van beide

Berekenen van de warmteoverdracht

Om de warmte overdracht te berekenen gebruiken we de volgende Formule:

 Zie ook tabellenboek blz. 219 en 220 Tabel 111 

Een pijpencondensor moet per seconde 30 Kj aan warmte afvoeren bij een gemiddeld temperatuursverschil van 5°C. De K-waarde is 800 W/m2.K en het warmtewisselend oppervlak van één pijp is 0,5 m2. Hoeveel pijpen zijn er nodig?
Gebruik

ϕ=K.A.ΔT

Dit is alleen toepasbaar als: 

Is dit getal NIET kleiner dan <1,3 dan geldt het volgende:

Voorbeeld

In een condensor condenseren we stoom van 100°C. De overallcoëfficient (K) van deze condensor is 1000 W/(m2.K).

Het koelwater stijgt in temperatuur van 23,0 naar 28,0°C.

Het oppervlak van de condensor is 250 m2.

Hoe groot is de warmtestroom?

Uitwerking

De temperatuur wordt in deze altijd uitgedrukt in Kelvin (K).

0°C = 273 K

Grootste verschil 100°C en 23°C

Kleinste verschil 100°C en 28°C, hier uit volgt:

Verdere uitwerking

Hoeveel warmte voer je toe en af bij condensors en verdampers? blz. 81 tabel 48

Condensatiewarmte en verdampingswarmte

Warmte bij verdampen  is dus:

Andersom is het ook zo bij condenseren: 

Let wel, deze warmte is gelijk aan elkaar, alleen bij het condensatie en verdampingspunt. Zodra je oververhitte stoom hebt of water beneden de 100°C is er meer aan de hand.

Q=m.r​v​​

Q=m.r​c​​

Oplossing

We condenseren 30 ton/uur aan stoom = 30.000 kg/uur. Condensatiewarmte van stoom is 2260 kJ/kg

De warmte die bij het condenseren van de stoom moet worden afgevoerd is dus Q=m.r_c =30.000kg/uur x 2260 kJ/kg

De temperatuurstijging van het water is 5 K, hoeveel water is er dan nodig om deze warmte op te nemen?

Hiervoor geldt: Q= m_water x c_water x ΔT

De warmte die de stoom afgeeft moet gelijk zijn aan de warmte die het koelwater opneemt ofwel: Q_afgestaan = Q_opgenomen

_{In formule betekent dit dus: 30.000  kg/uur x 2260 kJ/kg =  mwater x  4,19 kJ/(kg.K) x 5 K}

_{67800000 = mwater x 20,95  => mwater =67800000 : 20,95 = 32362777 kg/uur ofwel 3236 ton/uur}

Oplossing

We verdampen 5000 kg/uur = 1,39 kg/s en de Rv = 2260.10³  j/kg (K is ook in  W, ofwel J/s en niet kW)

Om het oppervlak te berekenen kunnen we dus  stellen dat aan de ene kant 

Q= 1,39 kg/s x 2260. 10³ J/kg is.

Aan de andere kant is er dus de warmte nodig van de olie om te verdampen.

We willen het oppervlak weten en kunnen dus Q= K.A.ΔT gebruiken.

K is bekend, Q ook alleen ΔT niet, die moeten we berekenen.

Vervolg

Wat is ΔT?

Vervolg

We kunnen nu de beide formules aan elkaar gelijk stellen want aan de ene kant heb je dus de warmte die nodig is om te verdampen, aan de andere kant de formule 

Q= K.A.ΔT   

Q= 1.39kg/s x 2260.10³ J/kg    K = 1500 W/m².K  en ΔT  = 14,43 K

ofwel:

1.39kg/s x 2260.103 J/kg = 1500W/m².K x A x 14,43 K

3141400 = A x 21645

A = 145 m²

In een condensor condenseer je per uur 15 kg Ammoniak. We hebben hiervoor 3000 kg lucht per uur van 20°C nodig. Wat is de eindtemperatuur van de lucht?

Opdracht

4. In een condensor condenseert per minuut 600 kg stoom. De verdampingswarmte van deze stoom is 2132 kJ/kg. Het gemiddelde temperatuursverschil is 20°C. Het warmtewisseld oppervlak is 15 m2. Wat is de K-waarde van deze condensor?

Uitwerking

Gegevens: Q= m x r_v en   Q= K.A.ΔT

m= 600kg/min ofwel 10 kg/s   en  r_v=2132 kJ/kg   en  

ΔTm=20 K   A= 15 m2

m x rv = K.A.ΔT

10 kg/s x 2132 kJ/kg = K x 15m2 x 20 K

21320 = K x 300

K = 21320/300 = 71,1 kW/(m2.K)

Opdracht

 We gebruiken een verdamper om 6 ton water per uur te verdampen bij 100°C. De verdampingswarmte van water is 2260 kJ/kg. De overallcoëfficiënt (K-waarde) van de verdamper is 1400 W/(m2.K). We gebruiken olie als warmte transportmiddel. De temperatuur van de olie daalt in temperatuur van 125 naar 110°C. Hoe groot moet het oppervlak van de verdamper zijn. Gebruik voor het temperatuursverschil je tabellenboek blz 219 en 220 en Ǿ=K.A.ΔTm en Q=m.Rv

Uitwerking

rv = 2260 kJ/kg = 2260.103J/kg  massa water: 6 ton/uur = 1,667 kg/s  K = 1400 W/(m2.K)

ΔTgroot: ΔTklein = 2,5 dus > 1,3 

 

ΔTm = 16,3 K

Q=Q

2260.103 x 1,667 = 1400 x A x 16,3

3767420 = A x 22820

A= 165 m2

Formules die je kunt gebruiken

Q= K.A.ΔT (ΔT eerst berekenen) om b.v. oppervlak te berekenen

Q= m.c.ΔT ofwel Q= C.ΔT voor warmte hoeveelheid

Q= m.r_v of Q= m.r_c bij verdampen of condenseren.

Je kunt deze formules dus door elkaar gebruiken om iets uit te rekenen.