Аппараты со смешиванием теплоносителей

(без разделительной стенки)

В промышленности нашли широкое применение смесительные теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен между теплоносителями происходят непосредственно, без теплопроводной стенки между ними. В большинстве случаев это аппараты непрерывного действия. В зависимости от назначения они имеют различные технические названия. Для осушения или увлажнения воздуха в установках кондиционирования применяются кондиционеры; очистка воздуха или газа от пыли, золы, смолы путем промывки их водой осуществляется в скрубберах; нагрев жидкости за счет тепла воздуха, газа или пара осуществляется в смесительных подогревателях или конденсаторах; охлаждение больших количеств циркуляционной воды от конденсаторов паровых турбин электрических станций достигается тепло- и массообменом ее с воздухом в градирнях и т.д.

По конструктивным признакам различают следующие типы теплообменников смешения:

1. Полые, или безнасадочные, колонны или камеры (рис.2-8,а), в которых жидкость распыливается форсунками в газовую среду; соприкосновение между жидкостью и газом происходит на поверхности образовавшихся при распыливании капель жидкости.

2. Насадочные колонны (рис.2-8,в), в которых соприкосновение газа с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки (кольца Рашига, куски кокса, деревянные доски, рейки и другие устройства, обеспечи-вающие пленочное стекание жидкости)

Преимуществом насадочных колонн по сравнению с безнасадочными являются меньшие геометрические размеры их. Их недостаток состоит в большом расходе электроэнергии на вентилятор, причем он может увеличиваться по мере забивания насадки различными твердыми отложениями, содержащимися в газах или распыляемых растворах.

3. Каскадные аппараты, имеющие внутри горизонтальные либо наклонные полки или перегородки, благодаря которым жидкость постепенно пере-текает с полки на полку, как это показано на рис.2-8,б.

4. Струйные смесительные аппараты, в которых происходит нагревание воды эжектируемым или эжектирующим паром (рис.2-8,г). Разность между температурой насыщенного эжектирующего пара и температурой нагретой эжектируемой воды в односопловых струйных смесительных аппаратах составляетт 15-20^оС, а в двухсопловых около 10^оС.

5. Пленочные смешивающие подогреватели (рис.2-8,д). Нагревание воды водяным паром в них происходит почти до температуры насыщения пара. Преимущество этой конструкции по сравнению с поверхностными подогревателями заключается в простоте, компактности, меньшем весе и независимости коэффициента теплообменаот чистоты поверхности, т.е. от загрязнения ее накипью, маслом и т.п. Такие аппараты обычно работают с незначительным избыточным давлением (0,01-0,05 ат).

Недостатком пленочных подогревателей является коррозия поверхности аппаратов и трубопроводов из-за наличия в воде и частично в конденсирующемся паре значительного количества кислорода.

Рис.2-8. Типы смесительных теплообменников.

а – безнасадочный форсуночный; б – каскадный; в – насадочный; г – струйный;

д – пленочный с насадкой из цилиндров;

1 – форсунки; 2 – трубы, распределяющие воду; 3 – каскады; 4 – насадка; 5 и 6 – сопла первой и второй ступеней струйного смесителя; 7 – насос; 8 и 9 – центробежный и осевой вентиляторы; 10 – электродвигатель; 11 – концентрические цилиндры; 12 – иллюминаторы – сепараторы влаги; 13 – подогреватель воздуха.

6. Пенные аппараты получили применение для улавливания из газов плохо смачиваемой (гидрофобной) пыли. Принципиальная схема трехполочного пенного аппарата приведена на рис.2-9. Скорость набегающего потока газа на решетку обычно составляет 2-2,5 м/сек. При большей скорости усиливается унос воды в виде брызг, а при меньшей скорости уменьшается пенообразование и значительная часть жидкости (более 50%) сливается через отверстия решетки. В нормальных условиях работы половина жидкости сливается через отверстия в решетке и половина через сливной порог. Степень очистки газа в пенных аппаратах может составлять 90-95%.

Рис.2-9. Принципиальная схема многополочного пенного аппарата:

1 - корпус; 2 - решетки; 3 - приемная коробка; 4 - порог; 5 - сливная коробка;

6 - гидравлический затвор.

2. Выпарные установки

Общие понятия о процессе выпаривания водных растворов

Выпаривание представляет собой термический процесс кипения раствора с выделением паров растворителей в практически чистом виде; при этом растворимое нелетучее вещество (твердое тело, например соль, или вязкая жидкость, например вазелин) остается в концентрированном виде в аппарате. Получаемые при выпаривании пары удаляются в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Впервые выпаривание получило промышленное применение в производстве сахара, а в дальнейшем – в химической промышленности. При концентрировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса.

В технологических процессах в различных отраслях промышленности выпаривают преимущественно водные растворы различных нелетучих веществ.

В элементарном виде процесс выпаривания можно осуществить в простом открытом или закрытом сосуде, наполненном раствором, при подводе к нему тепла для кипения и отводе образующихся паров в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Выпарные аппараты по принципу работы и конструктивному оформлению имеют много общего с испарителями, применяющимися на электрических станциях. Однако процесс выпарки водных растворов в выпарных аппаратах имеет принципиальные отличия от процесса кипения чистой воды в испарителях.

Предположим, имеется два открытых сосуда, обогреваемых паром через паровые рубашки. В первом сосуде находится чистая вода, а во втором – 70%-ный водный раствор аммиачной селитры NH₄NO₃. Пусть давление греющего пара составляет 4 ат. Вода закипит при температуре около 100^оС; раствор при том же атмосферном давлении закипит только при температуре 120^оС. Однако, образующиеся из этого раствора водяные пары будут иметь температуру ту же, что и в случае кипения чистой воды, т.е. около 100^оС.

Понижение температуры образующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-химической температурной депрессией.
Обозначив ее через D₁, можем написать:

D₁ = t_p - J,

где t_p – температура кипения раствора, ^оС; J – температура образующихся паров воды, ^оС.

Физико-химическая температурная депрессия различна для разных растворов. Она больше у растворов веществ с малым молекулярным весом. Для раствора одного и того же вещества физико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением его концентрации.

Под концентрацией раствора понимают отношение веса сухого вещества в растворе к общему весу раствора в процентах:

,

где b – весовая концентрация раствора, %; W – количество растворителя или воды в растворе, кг; G_сух – вес растворенного или сухого вещества в растворе, кг.

При выпарке вес сухого вещества в растворе остается постоянным, а количество растворителя (воды) уменьшается; следовательно, при этом концентрация раствора увеличивается.

Процесс выпарки характерен не только наличием физико-химической температурной депрессии, но и значительным изменением физических констант раствора, связанных с изменением его концентрации. С повышением концентрации раствора увеличиваются его вязкость, плотность и температурная депрессия и понижаются теплоемкость и теплопроводность.

Вследствие увеличения вязкости растворов и понижения их теплопроводности и теплоемкости уменьшается и коэффициент теплообмена a_р между греющей стенкой и кипящим раствором. По опытным данным, например, в начале выпаривания клеевого раствора с начальной концентрацией 2% коэффициент теплопередачи k = 3000 ккал/м²×ч×град, а в конце выпаривания при концентрации 50% k = 250 ккал/м²×ч×град.

Классификация выпарных аппаратов и установок

По принципу работы выпарные установки разделяются на периодические и непрерывно действующие.

В периодически действующих установках жидкость подается в аппарат, выпаривается до необходимой более высокой концентрации, затем упаренный раствор удаляется из аппарата. Опорожненный аппарат вновь наполняется неконцентрированным раствором. Периодическое выпаривание применяется при небольшой производительности установки или когда сгущенная жидкость не поддается откачке насосом либо в тех случаях, когда требуется выпарить весь растворитель.

В аппаратах непрерывного действия неконцентрированный (слабый) раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный (крепкий) раствор непрерывно отводится из него.

По сравнению с аппаратами периодически действующими аппараты непрерывного действия более экономичны в тепловом отношении, так как в них отсутствуют потери, связанные с расходом тепла на периодический разогрев аппарата.

В большинстве случаев аппараты непрерывного действия компонуются в так называемые многокорпусные выпарные установки, в которых упариваемый раствор последовательно проходит через ряд отдельных аппаратов. В каждом последующем аппарате устанавливается большая концентрация раствора, чем в предыдущем.

По давлению внутри аппарата различают выпарные аппараты, работающие при избыточном и атмосферном давлениях и вакууме.

Вакуум в выпарных аппаратах применяется в следующих случаях: а) когда раствор под влиянием высокой температуры разлагается, изменяется цвет, запах (например, сахар, молоко); б) когда раствор при атмосферном давлении имеет высокую температуру кипения, т.е. обладает большой физико-химической температурной депрессией, и требует высоких параметров греющего пара (например, раствор аммиачной селитры, едкого кали и т.п.); в) когда греющий теплоноситель имеет низкую температуру и, следовательно, нужно снижать температуру кипения раствора; г) для увеличения располагаемого температурного перепада в многокорпусной установке.

В тех случаях, когда получаемый в результате выпаривания раствора вторичный пар может быть использован как теплоноситель в других теплообменных устройствах и поэтому нет надобности удорожать выпарную установку подключением вакуум-насоса и конденсатора, может оказаться более рациональным выпаривание под давлением.

В качестве греющего теплоносителя наибольшее применение в выпарных установках получил водяной пар.

Обогрев дистиллированной водой, высокотемпературными теплоносителями: горячим маслом, дифенильной смесью и др. применяется только в аппаратах периодического действия небольшой производительности и требующих высокой температуры обогрева. Система обогрева таких аппаратов состоит обычно из двух соединенных трубопроводами змеевиков, заполненных одним из указанных теплоносителей; один змеевик обогревается в печи, а второй является греющей поверхностью выпарного аппарата. Греющий теплоноситель может иметь в змеевиках естественную или принудительную циркуляцию при помощи насоса. В случае принудительной циркуляции греющий теплоноситель полностью заполняет систему и находится в ней под давлением, исключающим вскипание его, что необходимо для нормальной работы циркуляционных насосов. При естественной циркуляции с возможностью парообразования система может быть заполнена теплоносителем частично.

Обогрев топочными газами можно встретить в примитивных выпарных установках периодического действия или при концентрировании растворов в распыленном состоянии, т.е. практически при сушке растворов.

Электрообогрев методами электрического сопротивления или индукционных токов применяется в основном только в лабораторных выпарных аппаратах. По литературным данным одна из наиболее крупных электровыпарных установок потребляет 1250 квт×ч электроэнергии (1 075 000 ккал/ч), в то время как первый корпус мощной выпарной установки с паровым обогревом, например, для сахарного завода, расходует до 3 млн. ккал/ч.

Дата добавления: 2014-01-04