Главная Обратная связь

Дисциплины:






МЕТОДИЧЕСКое пособие



Молодежи и спорта УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧЕСКое пособие

ПО КУРСУ
«ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ »

Теплообменные и выпарные аппараты

 

(для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 6.051301 «Химическая технология», 6.040106 «Экология», 6.050502 «Инженерная механика»).

 

 

Рассмотрено на заседании кафедры химическая технология топлива.

Протокол № 4 от 24.11.2011 г.

 

Утверждено на заседании учебно-издательского совета ДонНТУ
Протокол № 1 от 28.02.2012 г.

 

Донецк, ДонНТУ – 2012


 

УДК66.021

 

 

Методическое пособие по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» / Л.Н.Акимова, И.Г.Дедовец, А.В. Кипря – Донецк; 2012 – 45 с.

 

 

Приведены методические указания к самостоятельному изучению устройств основных конструкции теплообменных и выпарных аппаратов; общие методические указания к порядку расчета теплообменника и выпарного аппарата

 

 

Предназначены для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 6.051301 «Химическая технология», 6.040106 «Экология», 6.050502 «Инженерная механика».

 

Составители: Л.Н. Акимова, доцент, к.т.н.

И.Г. Дедовец, доцент, к.т.н.

А.В. Кипря, доцент, к.х.н.

 

Рецензент: Е.Д. Костина, доцент, к.т.н.

 


ВВЕДЕНИЕ

 

Одной из важнейших задач изучения курса «Процессы и аппараты хи­мической технологии» является освоение студентами принципов устройст­ва и методов расчета аппаратов и оборудования для осуществления раз­личных технологических процессов.

При изучении курса студенты, как правило, сталкиваются с большими трудностями, так как большинство из них на химических предприятиях не бывали и оборудования не видели, а производственную практику про­ходят после прослушивания полного курса лекций.

Задача данных методических указаний – помочь студентам в изучении конструкций теплообменных и выпарных аппаратов на основе научной классификации и анализа отличительных признаков и областей применения каждого типа, а также дать методику конструктивного расчета основных типов аппаратуры.

1 ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

При выборе теплообменного аппарата студент должен обратить внима­ние на соответствие его назначению теплового процесса, на конструк­тивные особенности и на эффективность при работе с принятым теплоно­сителем.

1.1 Выбор теплообменного аппарата по назначению

Различают следующие типы аппаратов по назначению:

1. Подогреватели, в которых тепло передается технологическому продук­ту горячим теплоносителем - нагревающим агентом.



2. Холодильники, в которых технологический продукт охлаждается холод­ным теплоносителем - охлаждающим агентом.

3. Испарители (кипятильники), в которых происходит кипение техноло­гического продукта за счет подвода тепла нагревающим агентом.

4. Конденсаторы, в которых происходит полная конденсация технологи­ческого пара.

5. Дефлегматоры, в которых идет частичная конденсация технологичес­кого пара.

6. Теплообменники, в которых один технологический продукт нагревается за счет тепла, выделенного при охлаждении другого технологического продукта.

1.2 Выбор теплоносителя

При выборе теплоносителя следует обратить внимание на обеспечение им заданной температуры, достижение высоких коэффициентов теплоотдачи, на его дефицитность и стоимость.

В качестве греющих агентов чаще всего применяют насыщенный водяной пар для нагрева до температур не выше 180°С и топочные газы для получения более высоких температур.

Главные преимущества водяного пара перед топочными газами: более высокий коэффициент теплоотдачи, равномерность обогрева, меньший рас­ход теплоносителя. Но пар - более дорогой продукт.

Различают глухой пар, тепло от которого передается нагреваемому ве­ществу через твердую поверхность теплопередачи (стенку), и острый пар, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость.

Использование острого пара проще и эффективнее глухого; но не всег­да допустимо смешение нагреваемой среды с конденсатом пара.

Горячие жидкости (вода, минеральные масла, дифенильная смесь) при­меняются значительно реже.

В качестве охлаждающих агентов используют, в основном, воду и воздух. Лишь для получения температур ниже 10–15°С используют специаль­ные хладагенты (лед, смеси льда с различными солями, низкокипящие жидкости, дросселированные газы).

Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом. Её до­стоинства: доступность, сравнительно высокий коэффициент теплоотдачи, высокая теплоемкость. В случае наличия источников воды (реки, озера, артезианские скважины) охлаждение ею возможно вплоть до 10–20°С.

Если же вода дефицитна, то пользуются оборотной водой, которая ох­лаждается на градирне примерно до 25°С, и может охладить технологический продукт до 28 – 30°С. При этом вода не должна нагреваться выше 40-50°С, чтобы избежать значительного выделения растворенных в ней солей. Недостатком воды как охлаждающего агента являются выпа­дение солей, образующих накипь и ухудшающих теплопередачу.

Если температура охлаждаемой среды выше 100°С, применяют испари­тельное охлаждение, при котором часть воды испаряется, что снижает её расход на охлаждение.

Недостатком атмосферного воздуха как охлаждающего агента является низкий коэффициент теплоотдачи, что делает применяемые аппараты громоздкими. Для улучшения теплообмена осуществляют принудительную циркуляцию воздуха с помощью вентиляторов.

1.3 Выбор теплообменников по способу передачи тепла.

В зависимости от способа передачи тепла различают:

1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла связан с твердой поверхностью;

2) смесительные, в которых теплоперенос происходит при непосредствен­ном смешении горячего и холодного теплоносителей.

В свою очередь поверхностные теплообменники можно разделить на две группы, отличающиеся принципом действия:

рекуперативные, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку; регенеративные, в которых одна и та же поверхность нагрева омыва­ется то горячим, то холодным теплоносителем, отдавая последнему тепло, аккумулированное при контакте с горячим теплоносителем.

1.4 Поверхностные рекуперативные теплообменники

Наиболее широкое распространение получили поверхностные рекупера­тивные теплообменники. Многочисленные конструкции этих теплообменни­ков по характеру и геометрической форме твердой разделяющей стенки можно разбить на следующие группы:

1.4.1 С поверхностью теплопередачи, образованной стенками аппарата.

 

На рис.1 показан цилиндрический аппарат с рубашкой, в которую по­ступает либо насыщенный водяной пар или горячая жидкость, если аппарат служит подогревателем или испарителем, либо охлаждающая вода, если аппарат является холодильником. Для повышения коэффициента теплоотда­чи внутри аппарата установлена мешалка, способствующая турбулизации технологической жидкости.

Недостатком таких аппаратов является очень малая поверхность теплопередачи на единицу объема аппарата и, следовательно, его громоздкость.

1.4.2 Трубчатые теплообменники.

 

Это наиболее распространенная группа поверхностных теплообменников. В нее входят: двухтрубные, кожухотрубчатые и змеевиковые (ороситель­ные и с погружным змеевиком).

Двухтрубные аппараты, или аппараты типа «труба в трубе» очень прос­ты по устройству. Они представляют собой (рис.2) несколько расположенных друг над другом элементов, каждый из которых состоит из двух труб: наружной большего диаметра и концентрически расположенной в ней внутренней трубы. Соединены элементы между собой последовательно при помощи съемных соединительных колен (калачей).

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих аппаратах можно создать большие скорости теплоносителей, как по трубному, так и по кольце­вому сечению, даже при небольших расходах теплоносителей,

При значительных расходах теплоносителей устанавливается несколько параллельных секций двухтрубных аппаратов, работающих от общего кол­лектора.


Рисунок 1. Аппарат с рубашкой:

1 – корпус;

2 – рубашка;

3 – фланцевое соединение;

I, II – теплоносители.

 


Преимущества двухтрубных аппаратов:

1) простота изготовления;

2) надежная работа при малых расходах теплоносителей.

Недостатки:

1) малая поверхность теплопередачи (поверхность внутренней трубы) в единице объема и, следовательно, громоздкость аппарата;

2) трудность очистки кольцевого пространства;

3) значительно большая, чем поверхность теплопередачи, поверхность теплопотерь в окружающую среду, в связи с чем их выгоднее исполь­зовать в качестве холодильников, а не подогревателей;

4) большая металлоемкость.

Кожухотрубчатые аппараты.

Эти аппараты относятся к числу наиболее часто применяемых в самых различных отраслях промышленности. Они представляет собой пучок парал­лельных труб небольшого диаметра, размещенных с помощью трубных реше­ток в трубе большого диаметра, называемой кожухом (рис.3).

Один из теплоносителей (I) движется по трубам, второй (П) - в про­странстве между трубами и кожухом (так называемом межтрубном прост­ранстве).

Преимущества кожухотрубчатых аппаратов:

1) компактность, благодаря большой поверхности теплопередачи в единице объема аппарата;

2) малая поверхность теплопотерь, образуемая кожухом, по сравнению с поверхностью теплопередачи, создаваемой поверхностью всех находящихся в кожухе труб;

3) сравнительно небольшая металлоемкость.

Недостаток – сложность очистки межтрубного пространства от отложений Теплоносители обычно движутся противотоком, причем более загрязнен­ный, или дающий отложения теплоноситель подается в трубы, которые легче чистить. При резко отличающихся расходах в трубы подается тот теплоно­ситель, расход которого меньше.

На рис.4 показаны способы крепления труб в трубной решетке. Чаще всего трубы закрепляют в решетках развальцовкой, причем особенно прочное соединение (для работы при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые при развальцовке заполняются материалом трубы. Кроме того, для крепле­ния труб в отдельных случаях может использоваться сварка, если материал трубы не поддается развальцовке, и пайка, в случае соединения медных и латунных труб. Используемое изредка сальниковое уплотнение труб яв­ляется сложным, дорогим и ненадежным.

Размещаются трубы в решетках тремя способами (рис.5):

1) по сторонам и вершинам правильного шестиугольника;

2) по сторонам и вершинам квадрата;

3) по концентрическим окружностям.


Рисунок 2. Теплообменник типа «Труба в трубе»

1 – наружная труба;

2 – внутренняя труба;

3 – калач;

I, II – теплоносители.

 


 

Рисунок 3. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками

1 – кожух;

2 – трубная решетка;

3 – трубы;

4 – патрубок;

5 – днище;

6 – опорная лапа;

I, II – теплоносители.

 

 


Трубы отстоят друг от друга на расстоянии шага (расстояние между центрами соседних труб), который чаще всего принимается равным (1,25–1,3)dн где dн - наружный диаметр трубок.

Расстояние от крайних труб до кожуха принимается равным (0,8–1,0)dн

Число труб, расположенных по периметрам правильных шестиугольников, будет, таким образом, равно n=3x2+3x+1, где x – число шестиугольников.

Однако при числе шестиугольников, большем шести, количество труб увеличивается на то число, которое может быть размещено на сегментах последнего шестиугольника.

Внутренний диаметр кожуха может быть в этом случае найден из выраже­ния D=2(xt+t1), где x – число шестиугольников; t – шаг, t1– расстояние от крайней трубы до кожуха.

Аппарат, изображенный на рис.3, имеет неподвижные, приваренные к корпусу трубные решетки. Это аппарат жесткой конструкции. Его можно при­менять лишь в случае, если средняя разность температур труб и кожуха не превышает 50°С так как в противном случае возникают темпера­турные напряжения вследствие различного теплового удлинения труб и кожуха.

При неодинаковом удлинении труб и кожуха могут разрушиться сварные швы и нарушиться плотность соединения труб с решеткой, что приведет к совершенно недопустимому смешению теплоносителей.

Для компенсации разности температурного удлинения труб и кожуха применяются аппараты нежесткой конструкции, в которых трубы (или кожух) могут при необходимости свободно удлиняться.

На рис.6 и рис.7 показаны несколько способов компенсации неравномерности удлинения. Наиболее простой конструкцией является теплообменник с лин­зовым компенсатором на корпусе (рис.6, а), подвергающийся упругой деформа­ции. Однако линзовые компенсаторы можно применять лишь при небольших избыточных давлениях в межтрубном пространстве (не более 1 МПа).

Более широко применяются аппараты с плавающей головкой (рис.6, б и в), имеющие одну жестко закрепленную и вторую, свободно перемещающуюся трубные решетки. В этих аппаратах возможна любая разность тем­ператур теплоносителей вследствие свободного удлинения труб независимо от корпуса аппарата. Положительным фактором в этих ап­паратах является также возможность демонтажа трубного пучка для ремон­та и очистки. При необходимости обеспечения особенно надежного разоб­щения трубного и межтрубного пространств штуцер от плавающей головки выводится через крышку аппарата при помощи сальникового уплотнения (рис.7, г).


Рисунок 4. Способы уплотнения труб в трубных решетках:

а) развальцовкой;

б) развальцовкой с отверстиями и канавками;

в) сваркой.

 

Рисунок 5. Схемы размещения труб в трубных решетках:

а) по сторонам и вершинам правильного шестиугольника;

б) по сторонам и вершинам квадратов;

в) по концентрическим окружностям.


Компенсация неравномерности удлинения возможна также в теплообмен­никах с U- образными трубами, где сами трубы выполняют функцию компенсирующих устройств (рис.7, д). При этом упрощается и облегча­ется конструкция аппарата. Однако у этого способа есть и весьма серь­езные недостатки: трудность очистки внутренней поверхности труб и сложность размещения большого числа труб в трубной решетке.

Аппарат, приведенный на рис.3 , называют также одноходовым, так как и один, и второй теплоносители проходят через аппарат один раз.

Для интенсификации работы теплообменных аппаратов в них устанавливаются перегородки, заставляющие теплоносители несколько раз проходить по аппарату. Такие аппараты называют многоходовыми. На рис. 8, а пока­зан четырехходовой по трубному пространству аппарат. Благодаря пере­городкам, установленным в крышках теплообменника, трубный пучок разделен на отдельные секции, или ходы, по которым последовательно про­ходит жидкость. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, что­бы число труб в каждом ходе было примерно одинаковым. Так как жидкость поступает теперь в сечение труб, в несколько раз (в соответствии с числом ходов) меньшее, то скорость её движения в соответствующее число раз возрастает. Так, в четырехходовом теплообменнике скорость в трубах при прочих равных условиях в 4 раза больше, чем в одноходовом с тем же числом труб. Увеличение скорости приводит и увеличению коэффициента теплоотдачи и интенсификации теплопередачи в целом.

Для увеличения скорости и удлинения пути движения теплоносителя в межтрубном пространстве могут служить поперечные перегородки (рис.8, б), представляющие собой сегменты, приваренные к стенкам, с отверстиями для труб. Эти перегородки могут служить также промежуточны­ми опорами для пучка труб, уберегая их от прогиба. Наличие большого числа перегородок усложняет конструкцию аппарата и увеличивает его гидравлическое сопротивление как за счет роста ско­рости движения теплоносителей, так и за счет увеличения числа допол­нительных местных сопротивлений. Поэтому обычно, руководствуясь технико-экономическими соображениями, число ходов ограничивают пятью-шестью; в отдельных случаях его доводят до восьми.

Кожухотрубные аппараты могут располагаться вертикально (рис.8, а) или горизонтально (рис.8, б), в зависимости от местных условий. Кроме этого, следует учитывать, что вертикально расположенный аппарат за­нимает меньше места, чем горизонтальный, но зато требует большей за­траты энергии для подъема жидкости на большую высоту.

Чаще всего применяют трубы с диаметрами 25x2, 38x2, 57x2,5 мм, длина труб обычно достигает 6 м, число их в трубной решетке 1500 -1700 штук.

При необходимости удлинения пути теплоносителей теплообменники мо­гут соединяться последовательно; при необходимости иметь большее число труб, чем допускается в одном аппарате, устанавливается несколько аппаратов, соединенных параллельно.


Рисунок 6. Кожухотрубные теплообменники с компенсирующими устройствами:

а) с линзовыми компенсаторами;

б) с плавающей головкой закрытого типа;

в) с плавающей головкой открытого типа;

I, II – теплоносители.


Змеевиковые теплообменники

Их можно подразделить на две группы:

1) аппараты с погружными змеевиками;

2) оросительные аппараты.

В погружном змеевиковом аппарате (рис.9) один теплоноситель движется по спиральному змеевику, выполненному из труб диаметром (15-75 мм), который погружен в жидкость, находящуюся в корпусе аппарата. Вследствие большого объема корпуса скорость жидкости в нем невелика, что приводит к низким значениям коэффициента теплоотдачи снаружи змеевика.

Для увеличения скорости жидкости и интенсификации процесса теплопе­редачи устанавливают в корпусе специальный внутренний стакан, умень­шающий сечение для прохода жидкости в корпусе аппарата.

Преимущества погружных змеевиковых теплообменников заключаются в простоте устройства, дешевизне изготовления, доступности поверхности теплообмена для очистки и ремонта, а также в малой чувствительности к изменению режима вследствие наличия большого объема жидкости в сосуде.

Недостатки этих аппаратов: малые коэффициенты теплопередачи, так как тепло в межтрубном пространстве практически передается путем свободной конвекции; трудность очистки внутренней поверхности труб, громоздкость.

Оросительные теплообменники (рис.10) представляют собой змеевики из размещенных друг над другом прямых труб, соединенных между собой пос­ледовательно сваркой или на фланцах при помощи соединительных колен (калачей). Применяют их чаще всего в качестве холодильников и конден­саторов.

Трубы, по которым движется охлаждаемое вещество, расположены в виде параллельных вертикальных секций (на рисунке показана одна секция) с общими коллекторами для подвода и отвода охлаждаемой среды. Сверху змеевики орошаются водой, равномерно распределяемой в виде капель и струй по поверхности труб при помощи желоба с зубчатыми краями.

Стекающая по поверхности труб вода охлаждает вещество, проходящее по трубам, и собирается в поддоне (корыте), установленном под змеевиками.

Расход воды в этих холодильниках значительно меньше по сравнению с холодильниками других типов, так как около (1–2) % охлаждающей воды испаряется с поверхности труб, отводя примерно половину всего тепла.

Сравнительно малый расход воды, простота конструкции, легкость ос­мотра и очистки наружной поверхности труб (при соединении труб на фланцах легко очищается и внутренняя поверхность труб) – все это можно отнести к преимуществам данной конструкции теплообменников. Однако существенными недостатками их являются громоздкость, слабое участие в теплопередаче нижних поверхностей труб, особенно при небольших расхо­дах воды; ускоренная коррозия труб, повышенная влажность и загрязнен­ность атмосферы цеха в результате испарения технической воды.


Рисунок 7. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами (продолжение):

а) с сальниковым компенсатором;

б) с U-образными трубами;

I, II – теплоносители.

Рисунок 8. Кожухотрубные теплообменники с неподвижными трубными решетками:

а) многоходовой по трубному пространству;

б) многоходовой по межтрубному пространству;

I, II – теплоносители.

 


Рисунок 9. Змеевиковый теплообменник:

1 – спиральный змеевик;

2 – корпус аппарата;

3 – внутренний стакан;

4 – конструкция для крепления змеевика.

 

 

Рисунок 10. Оросительный теплообменник:

1 – желоб;

2 – соединительное колено;

3 – труба;

4 – корыто.


Обычно их устанавливают на открытом воздухе и ограждают деревян­ными решетками, чтобы уменьшить унос воды в виде брызг.

 

Аппараты воздушного охлаждения

Для конденсации и охлаждения рабочих сред применяют в основном аппараты с водяным охлаждением. Ограниченные ресур­сы технической воды и существенные капитальные затраты на создание систем оборотного водоснабжения требуют поиска иных способов охлаждения. В некоторых случаях целесообразно применять теплообменные аппараты воздушного охлаждения (АВО). В этих аппаратах охлаждение продукта, протекающего внутри трубного пучка, осуществляется за счет обдувки пучка труб снаружи потоком воздуха, подаваемого мощными вентиляторами.

В зависимости от расположения оребренного трубного пучка АВО классифицируются на горизонтальные, вертикальные (малогабаритные) и с наклонным расположением трубного пучка (шатровые, зигзагообразные).

На рис.11 показано устройство аппарата воздушного охлаждения с горизонтальным расположением трубного пучка (секции) - АВГ. Аппарат состоит из нескольких секций 1 с горизонтально расположенными оребренными трубами 2. Концы труб каждой секции развальцованы в двух трубных решетках прямоугольной формы. К трубным решеткам через фланцевое соединение на болтах крепят крышки 3 со штуцерами для ввода и вывода охлаждаемой жидкости. Трубные секции монтируют на раме 4, опирающейся на стойки 5. Секции крепят к рамам жестко только с одного конца, что обеспечивает свободное тепловое расширение элементов секции при нагревании. К раме и стойкам крепят всасывающий коллектор 6 и диффузор 7 вентилятора:

На отдельном фундаменте 8 смонтирован осевой вентилятор, рабочее колесо которого 9 насажено на вертикальный вал редуктора 10. Привод осуществляется от специального двухскоростного электродвигателя 11.

Вентилятор нагнетает воздух через межтрубное пространство секций, за счет чего происходит охлаждение горячей жидкости в трубах до температуры, на 10–20°С превышающей температуру окружающего воздуха.

Для снижения температуры охлаждающего воздуха на выходе из вентилятора в летний период его могут увлажнять. Обессоленная вода в увлажнитель подается из отдельной системы водоподготовки. Увлажнитель представляет собой трубу с отверстиями, направленными в сторону оси воздушного потока. В зимнее время для предотвращения замораживания жидкости внутри труб в секциях, воздух на выходе из вентилятора можно подогревать, расположив в диффузоре 7 змеевик с паровым подогревом.

Количество подаваемого через аппарат воздуха регулируется рядом устройств, в том числе поворотом лопастей вентилятора. Поворот лопастей может выполняться при остановленном вентиляторе: либо вручную, либо специальным механизмом дистанционного поворота лопастей. Другим устройством для регулирования количества воздуха, проходящего через секции, являются жалюзи, установленные сверху секции.


 

Рисунок 11. Аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа (АВГ)

1 – секция;

2 – оребренные трубы;

3 – крышка;

4 – рама;

5 – стойка;

6 – всасывающий коллектор;

7 – диффузор;

8 – фундамент;

9 – рабочее колесо;

10 – вал редуктора;

11 – электродвигатель.

 

 

Применение АВО должно быть обосновано технико-экономическим расчетом и сопоставлено с показателями применения аппаратов водяного охлаждения.

1.4.3 Спиральные теплообменники

 

В спиральных теплообменниках (рис.12) поверхность теплообмена обра­зуется двумя металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Спи­рали образуют каналы прямоугольного сечения шириной 2–8 мм, боковыми стенками которых служат две тщательно уплотняемые крышки 4, Внутрен­ние концы спиралей соединены перегородкой 3, разделяющей теплоносители I и II, которые движутся по спиральным каналам в противоположных направ­лениях: один от центра к периферии, другой - от периферии к центру. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними устанавливаются прокладки.

Достоинства спиральных теплообменников: 1) компактность; 2) меньшее гидравлическое сопротивление (при равных скоростях), чем у трубчатых теплообменников; 3) возможность пропускания обоих теплоносителей с большими скоростя­ми, что обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи.

Недостатки: 1) сложность изготовления и ремонта; 2) возможность работы при давлениях не более 600-1000 кПа, так как в противном случае при увеличении толщины листов намотка спиралей за­трудняется; кроме того, при больших давлениях трудно создать надеж­ное уплотнение спиралей торцевыми крышками.

1.4.4 Пластинчатые теплообменники

 

Пластинчатые аппараты (рис.13) состоят из ряда параллельных пластин, изготов­ленных из тонких гофрированных металлических листов. Между листами с помощью специальных эластичных прокладок создаются узкие каналы шириной 3–6 мм.

По одним каналам движется горячий теплоноситель, по другим - холод­ный. Движение теплоносителей может осуществляться как противотоком, так и перекрестным током. Благодаря гофрированной форме пластин кана­лы имеют волнистые стенки, обусловливающие интенсивную турбулизацию потока и, следовательно, рост коэффициента теплопередачи.

Достоинства пластинчатых теплообменников: 1) компактность; 2) высокие коэффициенты теплопередачи; 3) возможность полной разборки и очистки поверхности теплопередачи от загрязнений.

Недостатки: 1) невозможность работать при высоких давлениях;
2) сложность герметизации большого числа каналов; 3) трудность выбора
эластичных химически стойких материалов для прокладок.

 


 

 

Рисунок 12. Горизонтальный спиральный теплообменник:

1 – лист;

2 – лист;

3 – разделительная перегородка;

4 – крышки;

I, II - теплоносители

 

 


Рисунок 13. Пластинчатый теплообменник:

а – сборочная схема; б – пластина

1 – пластины;

2 – балка;

3, 5 – подвижные и неподвижные плиты;

4 – патрубок;

I, II - теплоносители


 

1.4.5. Способы интенсификации работы рекуперативных теплообменников

Способы интенсификации поверхностных рекуперативных теплообменников можно разбить на две группы.

К способам первой группы относится применение различного вида про­дольного и поперечного оребрения поверхностей труб и пластин (трубчасто-ребристые и пластинчато-ребристые теплообменники), что увеличивает по­верхность теплоотдачи и усиливает турбулизацию потока, способствующую увеличению коэффициентов теплоотдачи. Часто оребрение поверхности осуществляется только с одной стороны, с той, где коэффициент теплоотдачи ниже (при движении газов, вязких жидкостей и т.п.).

Поперечные ребра выполняют в виде круглых или прямоугольных металлических шайб, насаженных на трубу. Продольные ребра идут вдоль труб, и могут быть прямоугольного или трапециевидного сечения. Часто трубы снабжают не сплошными продольными ребрами, а надрезанными на определен­ном расстоянии и отогнутыми в разные стороны, что усиливает турбулизацию потока. Интенсивно работают оребренные теплообменники с формой ребер в виде многозаходной спирали.

Ко второй группе способов интенсификации теплообменников относится размещение различных перегородок, особенно в межтрубном пространстве, которое было описано выше, а также размещение внутри труб различных вставок, или турбулизаторов, показавших возможность повышения коэффи­циента теплоотдачи в 1,5–5 раз.

Турбулизаторы могут иметь самую разную форму: ленточную или прово­лочную спираль, спирально оребренные стержни с различным шагом, стержни с насаженными на определенных расстояниях перегородками или пропелле­рами и т.п.

Для интенсификации процесса теплообмена внутри труб используют также заполнение их различными насадками, применение труб переменного сечения, создание искусственной шероховатости на внутренней поверхности.

 

 


1.5. Регенеративные теплообменники (регенераторы)

Регенеративные теплообменники в промышленности применяются значительно реже рекуперативных. Регене­раторы (рис.14) имеют корпус прямоугольного или круглого сечения, изготовляе­мый в зависимости от температуры сред из огнеупорного кирпича или листового металла. Аппарат заполняется твердой насадкой: кирпичом различ­ной формы, уложенным в коридорном или шахматном порядке, кусками шамо­та, рифленым металлическим листом, шарами и другим зернистым материалом.

Работают обычно регенераторы попарно, т.е. когда через один из них проходит горячий теплоноситель, нагревающий насадку, через второй идет холодный теплоноситель, отнимающий тепло у насадки.

Следовательно, в каждый регенератор попеременно через определенные периоды времени поступает то горячий, то холодный теплоноситель. Пере­ключение регенераторов с горячего на холодный теплоноситель и наоборот осуществляется автоматически.

Достоинством регенераторов является упрощение конструкции за счет отсутствия стенки, разделяющей потоки теплоносителей, возможность ра­ботать с малыми разностями температур между теплоносителями, а также с теплоносителями при высоких температурах (> 500–700°С), когда ме­таллы малопригодны, и нужно использовать шамотный кирпич.

Недостатки:

1) необходимость переключения регенераторов, что вле­чет за собой периодичность процесса, либо, в противном случае, необходимость работы с движущимся слоем насадки;

2) невозможность избежать некоторого смешения теплоносителей;

3) громоздкость в случае применения насадки из кирпичей.

1.6. Смесительные теплообменники

В смесительных теплообменниках передача тепла от горячего теплоно­сителя к холодному происходит путем их непосредственного соприкоснове­ния. Такой теплообмен отличается наибольшей интенсивностью. Но он может быть применен лишь в том случае, если смешение теплоносителей до­пустимо или даже необходимо в ходе технологического процесса.

Такие аппараты часто используются для охлаждения газов и конденса­ции паров при соприкосновении их с холодной водой, а также для охлаждения воды при помощи воздуха (например, градирни). Возможно также на­гревание жидкостей при конденсации в них пара.

Во всех случаях эффективность работы смесительного аппарата зависит от величины создаваемой поверхности контакта теплоносителей.

По способу создания развитой поверхности контакта сред различают следующие типы аппаратов:

 

Рисунок 14. Схема регенеративного теплообменника с неподвижной насадкой:

1, 3 – регенераторы;

2, 4 – клапаны;

I, II – теплоносители.

 


1.6.1. Аппараты распыливающего типа

 

В этих аппаратах (рис.15,а) газ или пар движется снизу вверх по вертикальному полому цилиндру, встречаясь с мелкими каплями жидкости, распыляемой с помощью форсунок или других разбрызгивающих устройств. Чем мельче капли жидкости, тем больше создаваемая ими поверхность теплопередачи в единице объема.

Полые аппараты распыливающего типа (полые скруб­беры) просты по устройству, дают небольшое гидравлическое сопротивле­ние проходу газа, но для создания большой поверхности теплопередачи требуется весьма тонкое распыление, что влечет за собой повышенный рас­ход энергии на форсунках. Эти аппараты громоздки и требуют тщательной очистки жидкости.

1.6.2. Полочные аппараты

 

В полочных аппаратах (рис.15,б) контакт газа и жидкости осущест­вляется на поверхности струй, которые образуются при стекании жидкос­ти через отверстия в сегментных полках. Газ, проходя снизу вверх, оги­бает полки, омывая струйки жидкости.

Аппарат этот сложнее по устройству, чем полые скрубберы, и имеет большее гидравлическое сопротивление, но поверхность контакта фаз в единице объема здесь можно создать большую, так как на каждой полке жидкость разбивается на струйки снова, а в полых аппаратах мелкие капли коалесцируют и развитая поверхность образуется только в месте распы­ления.

1.6.3. Насадочные скрубберы

 

В насадочных скрубберах (рис.15, в) может быть достигнута большая поверхность в единице объема, чем в полых и полочных аппаратах.

Аппараты эти представляют собой вертикальные цилиндры, заполненные насадкой. В качестве насадки могут использоваться кусковой кварц, кокс, а также специальная насадка из керамических колец или из дере­вянных реек (деревянная хордовая насадка).

Насадка укладывается секциями на решетки, уложенные на двутавровые балки или швеллеры, опирающиеся на приваренные к стенкам цилиндра по окружности уголки.

Жидкость подается на верх насадки и стекает по её поверхности, а газ проходит через пустоты между насадочными элемента­ми, омывая смоченную жидкостью насадку. Таким образом, смоченная по­верхность насадки образует поверхность теплопередачи.

Насадочные аппараты наиболее компактны, хотя более сложны по устройству и имеют большее гидравлическое сопротивление.


Рисунок 15. Смесительные теплообменные аппараты:

а – полый конденсатор с разбрызгивателем воды;

б – противоточный полочный барометрический конденсатор;

в – насадочный конденсатор.


1.7. Расчет теплообменных аппаратов

Выполняемые при проектировании теплообменников расчеты подразделя­ются на тепловые, конструктивные и гидравлические.

Тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теп­лообмена из общего уравнения теплопередачи, которое для установивше­гося процесса имеет вид:

,

где Q – тепловая нагрузка аппарата, то есть количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному за единицу времени, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·град);

Δtср – средняя разность температур, град.

Для определения тепловой нагрузки и средней разности температур необходимо составить тепловой баланс аппарата. В этом случае уравне­ние теплового баланса может быть представлено следующим образом:

где Qприх – количество тепла, вносимого в аппарат входящими в него материальными потоками (теплоносителями), Вт;

ΣQрасх – количество тепла, уносимого из аппарата выходящими из него материальными потоками, Вт;

ΣQпот – количество тепла, потерянное через стенки аппарата в окружающую среду, Вт.

Количество тепла, вносимого в аппарат (или уносимого из него) материальным потоком. Определяется произведением расхода вещества (G , кг/с), на его энтальпию (I , Дж/кг):

Энтальпия веществ приводится в справочных таблицах в зависимости от температуры и давления. Она может быть также рассчитана по форму­ле


I=c·t


если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей.

Здесь c – теплоемкость вещества, Дж/(кг·град);

t – температура вещества, град.

Если теплообмен осуществляется при изменении агрегатного состоя­ния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и др.) или в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождаемые тепловыми эффектами, то в тепловом балансе должно быть учтено тепло, выделяющееся или поглощаемое при физическом или химическом превраще­нии. Например, энтальпия насыщенного водяного пара равна

Iн.п.= r0+cп·t,

где r0 - скрытая теплота испарения воды при стандартных условиях, Дж/кг

cп - теплоемкость водяного пара, Дж/(кг·град),

Количество тепла, теряемого аппаратом в окружающую среду, прини­мается по опытным данным (примерно 2–4 % от подведенного тепла).

Из уравнения теплового баланса определяется неизвестный расход теплоносителя или неизвестная его температура (на входе или выходе). На основе полученных данных рассчитываются тепловая нагрузка и средняя разность температур

Q=G1(I1н-I1к)=G2(I­2к-I­2н)

 

где G1, и G2 - расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/c;

I, I, I­, I­ - энтальпии теплоносителей начальные и конечные, Дж/кг.

Средняя разность температур определяется из выражения

где Δt1 – большая разность температур теплоносителей;

Δt2 – меньшая разность температур теплоносителей.

При одних и тех же начальных и конечных температурах теплоносите­лей средняя разность температур может быть различной в зависимости от взаимного направления движения теплоносителей.

Различают параллельное движение теплоносителей в одном направлении (прямоток) или в противоположных направлениях (противоток), а также перекрестный и смешанный токи.

В случав перекрестного и смешанного токов средняя разность темпе­ратур определяется по уравнению

где Δtпр – средняя разность температур при противотоке теплоносителей;

ε – поправочный коэффициент, определяемый по специальным графикам, приведенным в справочниках.

Значение ε всегда меньше единицы.

Коэффициент теплопередачи для рекуперативных теплообменников опре­деляется по уравнению

где α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от cтенки к холодному теплоносителю, Вт/(м2 ·град)

δi – толщина стенки, разделяющей потоки теплоносителей или
слоев загрязнений по обе стороны стенки, м;

λi – коэффициент теплопроводности материала стенки или соответствующего загрязнения, Вт/(м·град).

Это уравнение справедливо для передачи тепла через плоскую или цилиндрическую стенку при условии, что наружный диаметр цилиндра больше внутреннего не более, чем в 2 раза

Коэффициенты теплоотдачи α определяются в общем случае по критериальным уравнениям типа

 

Nu=ARemPrnГp

 

где: = – определяемый критерий теплового подобия;

λ – коэффициент теплопроводности среды;

dэ – эквивалентный диаметр канала, по которому движется соот­ветствующий теплоноситель, м;

– критерий Рейнольдса;

– критерий Прандтля;

Г - критерий геометрического подобия;

ω - скорость движения теплоносителя, м/с;

ρ- плотность теплоносителя, кг/м3 ;

µ -динамический коэффициент вязкости Па·с,

λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м·град).

Значения коэффициента А и показателей степеней m , n, р зависят от конструкции аппарата, режима движения теплоносителей и других условий. Их значения приводятся в специальной литературе.

По найденному значению поверхности теплопередачи подбирается стан­дартный теплообменник.

2. ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

2.1. Выбор условий проведения процесса выпаривания

Приступая к выбору выпарного аппарата, необходимо прежде решить вопросы о том, будет процесс выпаривания идти под давлением или под вакуумом, будет установка однокорпусной или многокорпусной и какой греющий агент будет использован.

2.2. Выбор выпарного аппарата

По конструктивным особенностям поверхности нагрева все выпарные ап­параты можно разделить на следующие группы:

1.Аппараты с рубашкой;

2.Змеевиковые;

3. Трубчатые.

Наиболее простыми являются аппараты с рубашками (рис.16). Это вер­тикальные полые цилиндры, снабженные нагревательной рубашкой, куда по­дается насыщенный водяной пар или горячая жидкость. Поверхность нагре­ва в этих аппаратах легкодоступна для очистки или нанесения антикор­розионного покрытия, но они отличаются малой поверхностью нагрева на единицу рабочего объема и поэтому громоздки, малопроизводительны. Они применяются редко, в основном, в производствах небольшого масштаба.

Несколько большую удельную поверхность имеют змеевиковые аппараты (рис.17). Греющий пар поступает в трубы, изогнутые в виде змеевика, а кипящий раствор находится в межтрубном пространстве. Для интен­сификации процесса теплопередачи, а также для предотвращения выпаде­ния осадков в этих аппаратах (так же, как и в аппаратах с рубашкой) часто устанавливаются мешалки. Недостатком змеевиковых аппаратов является сложность очистки и ремонта змеевиков.

Трубчатые аппараты можно подразделить на аппараты с горизонтальны­ми, вертикальными и наклонными трубами (рис.18).

Наиболее существенным признаком классификации выпарных аппаратов является вид циркуляции выпариваемого раствора.

Различают аппараты со свободной (неорганизованной) циркуляцией, а также с направленной естественной либо принудительной циркуляцией раствора.

Примером аппаратов со свободной циркуляцией являются аппараты с рубашкой, змеевиковые и аппараты с горизонтальной трубчатой нагрева­тельной камерой.

Преимуществом аппаратов с горизонтальными трубами является меньшая (по сравнению с вертикальными трубами) высота слоя раствора в аппара­те, что приводит к уменьшению гидростатической депрессии. Кроме того, эти аппараты имеют большую поверхность испарения раствора, что спо­собствует более спокойному кипению и меньшему брызгоуносу.

Недостатки: 1) трудность очистки межтрубного пространства, вслед­ствие чего они не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов, 2) невысокие коэффициенты теплоотдачи внутри горизонтальных паровых труб из-за накапливающегося слоя конденсата; 3) громоздкость и большой расход металла.

В настоящее время наибольшее распространение получили более совер­шенные вертикальные трубчатые аппараты с направленной циркуляцией как естественной (рис.19), так и вынужденной (рис.20).

В отличие от аппаратов с горизонтальными трубами здесь раствор по­ступает в трубы (снизу или сверху), а греющий пар - в межтрубное про­странство. Движение раствора по трубам может осуществляться по-разному. По этому признаку аппараты делят на прямоточные, в которых выпарива­ние раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуля­ции, и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора. Примером прямоточных аппаратов может служить пленочный аппарат с под­нимающейся пленкой (рис.21). Раствор на выпаривание поступает в пучок труб небольшого (15–25мм) диаметра и длиной 7–9 м. На уровне, соответствующем обычно 20–25 % высоты труб, наступает ин­тенсивное кипение. Бурно выделяющийся пар увлекает за собой раствор, который поднимается в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб, и дальнейшее выпаривание идет из тонкого слоя раствора.

В результате интенсивного процесса выпаривания время пребывания раствора в таких аппаратах невелико, что позволяет применять их для выпарки термически нестойких веществ. Эти аппараты применяются так­же для выпаривания сильно пенящихся растворов.

Однако они весьма чувствительны к изменению режима работы и требуют очень высоких производственных помещений.

Поэтому чаще всего в промышленности применяют вертикальные аппара­ты с многократной циркуляцией. Циркуляция может быть естественной за счет разности плотностей кипящего и холодного растворов или вы­нужденной, осуществляемой при помощи насосов.

На рис.19, а представлен аппарат, в котором естественная циркуляция происходит с помощью внутренней циркуляционной трубы.

 

Нагревательная камера состоит из двух трубных решеток, в которых закреплены тонкие кипятильные трубы длиной 2-4 м и циркуляционная труба большого диаметра, установленная по оси камеры. Раствор подается в аппарат над верхней трубной решёткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, а затем поднимается по кипятильным трубам вверх, где на сравнительно небольшой высоте от нижней трубной решетки вскипает и дальше по трубам движется парожидкостная смесь.



Рисунок 16. Выпарной аппарат с рубашкой

Рисунок 17. Змеевиковый выпарной аппарат


 


Циркуляция раствора происходит за счет разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и кипятильных трубах, которые прогреваются значительно интенсивнее. Наличие циркуляции в аппарате улучшает теп­лопередачу и предотвращает образование отложений и накипи на поверх­ности труб.

Недостатком этой конструкции является то, что центральная труба обогревается, и в ней также идет парообразование, хотя и менее интен­сивное, чем в кипятильных трубках.

В аппарате, изображенном на рис.19 б, циркуляционная труба выне­сена за пределы корпуса аппарата, что способствует увеличению скорос­ти естественной циркуляции за счет большей разности плотностей раст­вора в выносной трубе и кипятильных трубах. Конструкция аппарата в этом случае оказывается несколько более сложной; увеличивается также гидравлическое сопротивление циркуляционного контура, но зато дости­гается более интенсивная теплопередача и нагревательная камера может быть гораздо компактнее.

Для того, чтобы устранить отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизующихся растворов, а также для улучшения тепло­передачи нужны большие скорости циркуляции раствора, чем при естест­венной циркуляции. Это достигается с помощью циркуляционного насоса в аппарате с принудительной циркуляцией (рис.20). Такие аппараты чаще всего выполняются с необогреваемой циркуляционной трубой, в кото­рую подается исходный раствор. Циркуляция раствора производится про­пеллерным или центробежным насосом. Упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ни­же верхнего среза кипятильных труб и, поскольку вся циркуляционная система заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается только на пре­одоление гидравлических сопротивлений. Скорость циркуляции определя­ется производительностью насоса и не зависит от уровня жидкости и па­рообразования в кипятильных трубах.

Поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (до 3–5 град) и при выпаривании растворов с большой вязкостью, естественная циркуляция которых затруднена. Недостатком этих аппаратов является необходимость расхода энергии на циркуляцию раствора.

Аппараты с наклонной нагревательной камерой применяются реже. Их основное преимущество – меньшая гидростатическая депрессия по срав­нению с вертикально расположенными трубами. Однако они более громозд­ки и неудобны в эксплуатации.


Рисунок 18. Кожухотрубные выпарные аппараты:

а – с горизонтальными трубами;

б – с вертикальными трубами;

в – с наклонными трубами.

Рисунок 19. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией:

а – с внутренней циркуляционной трубой;

б – с внешней циркуляционной трубой


Рисунок 20. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

Рисунок 21. Пленочный выпарной аппарат


 

2.3. Расчет выпарных аппаратов

Расчет однокорпусной выпарной установки производится в такой после­довательности.

Количество выпариваемой из раствора воды определяется из уравнения материального баланса

где G1 - количество исходного раствора, кг/с;

x1 и x2 - начальная и конечная концентрации раствора, массовые доли.

Расход тепла на выпаривание Q находят из теплового баланса установки

Q=G1(c2t2 –c1t1)+W(I2–cвt2)+Qдег+Qпот ,

где с1 и с2 – удельные теплоемкости поступающего и упаренного растворов, Дж/(кг·град);

t1 и t2 – температуры этих растворов, град;

I2 – энтальпия вторичного пара, Дж/кг;

св – теплоемкость воды, Дж/(кг·град);

Qдег. – теплота дегидратации, то есть расход тепла на повышение концентрации раствора, Вт. Обычно она невелика и часто в расчетах не учитывается;

Qпот. – теплота, теряемая аппаратом в о кружащую среду, Вт.

Она равна (5–8) % от тепла, пошедшего на выпаривание влаги.

Расход греющего пара

где I1 – энтальпия греющего пара, Дж/кг;

Iк– энтальпия конденсата, Дж/кг.

Поверхность теплопередачи в выпарном аппарате

где K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·град);

Δtпол.– средняя полезная разность температур, град.

где Δtобщ. – разность между температурами конденсации греющего и вторичного пара, град;

ΣΔtпот. – сумма температурных потерь, град.

Общая разность температур равна Δtобщ. = tг.п.tв.п.

где tг.п. - температура конденсации греющего пара, град;

tв.п. - температура конденсации вторичного пара, соответствую­щая давлению в барометрическом конденсаторе, град.

Сумма температурных потерь складывается из трех величин

где Δ' – температурная депрессия, равная разности между температу­рами кипения раствора и чистого растворителя при одинаковом дав­лении; температурная депрессия зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления. Значения Δ', полученные опытным путем, приводятся в справоч­ной литературе. Они могут быть также рассчитаны по эмпирическим формулам,

Δ'' – гидростатическая депрессия, то есть повышение температуры ки­пения раствора внизу кипятильных труб вследствие гидростатического давления столба жидкости. Значение Δ'' не может быть точно рас­считано, поскольку неизвестно распределение плотности парожидкост­ной эмульсии по высоте кипятильных труб. Для вертикальных аппаратов с циркуляцией выпариваемого раствора величина Δ'' может быть принята в пределах 1–3°С;

Δ''' – гидравлическая депрессия, равная снижению температуры насыще­ния вторичного пара вследствие потерь давления при движении его через сепарационное пространство и паропроводы. Повышение темпера­туры кипения раствора, обусловленное гидравлической депрессией, обычно колеблется в пределах 0,5–1,5°С.

Коэффициент теплопередачи К рассчитывается по приведенной выше методике.

Расчет многокорпусной выпарной установки существенно усложняется ввиду необходимости решения ряда дополнительных вопросов:

1) определения количества растворителя, выпариваемого в каждом корпусе;

2) определения расхода греющего пара по корпусам с учетом отбора экстра-пара;

3) распределения полезной разности температур по корпусам.

Расчет установки заключается в решении системы уравнений материаль­ного и теплового балансов, а также уравнений теплопередачи. Так как число неизвестных величин больше числа уравнений, то расчет ведется методом последовательных приближений.

При этом задаются значениями каких-либо величин (чаще всего распре­делением количества выпариваемого растворителя по корпусам), и после выполнения расчетов проверяют эти величины. Если расхождения превыша­ют 3–5 %, задаются новыми значениями величин для последующего прибли­жения. Обычно пересчитывать приходится не более двух - трех раз.

Порядок расчета многокорпусной выпарной установки следующий.

Вначале определяется общее количество выпариваемого растворителя из общего уравнения материального баланса

Затем это количество распределяется по корпусам. При отсутствии отбора экстра-пара выпариваемый растворитель распределяют или поровну, или на основании практических данных в отношении:

W1 : W2 : W3 = 1 : 1,1 : 1,2

В случае отбора экстра-пара нужно из общего количества выпарива­емого растворителя вычесть количество отбираемого экстра-пара, рас­пределить остаток по корпусам в указанном ранее порядке, а затем к полученным величинам прибавить количества экстра-пара по корпусам.

Зная количества выпариваемого в каждом корпусе растворителя, мож­но определить количества и концентрации растворов, переходящих из аппарата в аппарат, на основе составления материальных балансов отдельных аппаратов. Затем необходимо произвести распределение давлений между корпусами. Чаще всего предварительно распределяют перепад дав­лений между греющим паром и вторичным паром в барометрическом конден­саторе поровну между аппаратами, т.е. на каждый корпус приходится величина падения давления

 

 

где Pг.п – давление греющего пара;

Pв.п – давление вторичного пара в барометрическом конденсаторе;

n - число корпусов.

Это позволяет определить абсолютные давления пара в каждом аппара­те, а по ним температуры насыщенных паров, теплоты парообразования, энтальпию и т.д.

Суммарная полезная разность температур (для всех корпусов вместе) определяется, как и в случае однокорпусной выпарки, по разности между общей разностью температур и суммой температурных потерь во всех корпусах:

ΣΔtпол.= ΣΔtобщ.ΣΔtпот.,

 

ΣΔtобщ.= tг.п.tв.п.,

 

где tг.п.– температура конденсации вторичного пара в барометрическом конденсаторе;

tв.п. – температура греющего пара в первом аппарате.

Для каждого из аппаратов определяется температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, сумма которых вычитается из общей разности температур.

После нахождения ΣΔtпол. её нужно распределить между корпусами.

 

Здесь могут быть два варианта:

1) если необходимо, чтобы поверхности нагрева во всех корпусах были равны, суммарная полезная разность температур распределяется по следующему закону:

где – полезная разность температур в j-м корпусе;

– отношение тепловой нагрузки к коэффициенту теплопередачи в этом корпусе.

2) если необходимо общую поверхность нагрева корпусов свести к минимуму, то закон распределения суммарной полезной разности температур будет иной:

 

После распределения полезной разности температур уточняются температуры и давления по корпусам и если расхождение с принятыми ранее пре­вышают допустимые, то необходимо скорректировать распределение давлений по корпусам и повторять расчет.

Тепловую нагрузку по каждому корпусу определяют из уравнения

 

Qi=wiIв.п.+Gкcкtк–Gнcнtн+Qпот. ,

 

где Wi – количество выпариваемого растворителя в j-м корпусе, кг/с;

Iв.п - энтальпия вторичного пара в этом корпусе;

Gн и Gк – количество исходного и упаренного раствора в данном кор­пусе, кг/с;

tн и tк – температуры исходного и упаренного растворов, град.

Зная Qi для каждого корпуса, можно найти расход греющего пара для каждого из корпусов

где r – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.

Так как греющим паром для всех корпусов, кроме первого, является
вторичный пар предыдущего корпуса, то Di для данного корпуса
должно равняться Wi-1 для предыдущего. Расхождения не должны превышать 2–3 %. В противном случае нужно перераспределить нагрузку по корпусам, найти новые значения W и повторить рас­четы.

Коэффициенты теплопередачи в каждом корпусе определяются по из­вестной методике.

Затем определяются поверхности нагрева каждого корпуса:

 

По каталогу или нормалям подбирают подходящие выпарные аппараты.

 


 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ





sdamzavas.net - 2020 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...