СТРОЙОВИЙ ОГЛЯД БАТАЛЬЙОНУ

Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 779

Выбор конструктивного материала определяется допустимыми потерями прочности материала при рабочих температурах. Для химически активных сред используются неметаллические теплопередающие поверхности. Например, графитовые теплообменные аппараты с высокой теплопроводностью графита, но механически менее прочные. Используются также эмалированные поверхности и материалы из пластических масс и из керамики.

При выборе охлаждающего теплоносителя обычно отдается предпочтение воде из-за ее высокой теплоемкости. Однако вследствие дефицита воды в промышленных районах и ее коррозионных свойств по отношению к металлам, а также из-за возможности применения оребренных теплообменников, обладающих большой внешней поверхностью теплоотдачи, чаще используют воздушное охлаждение.

В качестве греющих агентов широко используется водяной пар, единственный существенный недостаток которого – необходимость повышения давления при увеличении температуры нагрева. Дымовые газы, образующиеся при сжигании органических топлив, позволяют проводить нагрев до 800°С и выше при атмосферном давлении, но они имеют малую теплоемкость и не обеспечивают высоких коэффициентов теплоотдачи.

Применяется также электрический нагрев.

Выбор конструкции теплообменного аппарата для проведения конкретного теплообменного процесса весьма разнообразен. Простой теплообменный аппарат может представлять сосуд с наружным, чаще всего паровым обогревом. Греющий пар подается в рубашку или приваренные снаружи змеевики, где он конденсируется, отдавая теплоту фазового перехода через стенку сосуда жидкости. Для увеличения поверхности теплообмена змеевик размещают в объеме нагреваемой жидкости, но при этом теряется часть полезного объема. Преимущество таких аппаратов состоит в возможности создания больших давлений пара и, следовательно, нагрева жидкости до значительных температур.

Часто используют оросительные теплообменные аппараты, где охлаждаемая жидкость движется внутри труб, на которые снаружи разбрызгивается охлаждающая вода. Оросительные теплообменные аппараты имеют высокие коэффициенты теплопередачи, но громоздки.

Наибольшее распространение получили компактные кожухотрубчатые теплообменные аппараты.

Если процесс теплообмена происходит между теплоносителями, которые имеют значительные различия в величинах коэффициентов теплоотдачи (например, при теплопередаче между воздухом и жидкостью), то со стороны с меньшим a поверхность оребряется, что дает возможность компенсировать малый коэффициент теплоотдачи со стороны этого теплоносителя. Для теплообмена между двумя газовыми потоками с близкими и относительно небольшими коэффициентами теплоотдачи используются компактные пластинчатые теплообменные аппараты, имеющие различную конфигурацию каналов для прохождения теплоносителей. Они имеют значительную поверхность теплообмена на единицу объема.

3.2.4. Теплообмен при выпаривании растворов

Многие процессы химической технологии требуют концентрирования растворов твердых нелетучих веществ. Процесс концентрирования жидких растворов путем испарения и удаления части растворителя из кипящего раствора называется выпариванием. В процессе выпаривания раствор поддерживается при температуре кипения с целью увеличения скорости парообразования в объеме раствора и, в конечном счете, для интенсификации процесса концентрирования на единицу объема выпарного аппарата. Как правило, целевым продуктом при выпаривании является концентрированный раствор. Лишь в некоторых случаях целевым продуктом является растворитель, например при опреснении морской воды.

Для процесса выпаривания требуется значительное количество энергии, которая чаще всего подводится к упариваемому раствору в виде наиболее распространенного теплоносителя – насыщенного водяного пара, отдающего раствору теплоту фазового перехода при конденсации. В отличие от греющего пара пары растворителя, образующиеся в результате выпаривания, называются вторичным паром.

Процесс выпаривания можно проводить при атмосферном давлении, а также при давлении больше атмосферного или при разрежении. Выбор величины давления определяется многими факторами, главными из которых являются свойства упариваемого раствора и способ использования вторичного пара.

Основное преимущество выпаривания под вакуумом состоит в понижении температуры кипения раствора, что существенно для веществ, которые при высоких температурах испытывают нежелательные превращения (термическое разложение, осмоление, окисление и т.д.). Кроме того, понижение температуры кипения интенсифицирует процесс передачи теплоты, т.к. увеличивается разность температур между греющим паром и кипящим раствором, или при той же поверхности теплообмена дает возможность использовать греющий пар более низких параметров. С другой стороны, создание разрежения требует применения специальных устройств (конденсаторов вторичного пара, вакуум-насосов и т.д.), а на испарение того же количества растворителя расходуется больше греющего пара, поскольку понижение давления увеличивает удельную теплоту парообразования.

Повышенное давление применяется для выпаривания термически стойких растворов и позволяет использовать вторичный пар достаточно высокой температуры для иных производственных нужд, что повышает общую эффективность теплоиспользования выпарной установки.

Рис. 3.20. Кожухотрубчатый выпарной аппарат

Циркуляция кипящего раствора в наиболее простой конструкции выпарного аппарата с внутренней циркуляционной трубой происходит без использования насоса за счет наличия центральной трубы большего по сравнению с кипятильными трубами диаметра. Количество теплоты, получаемое раствором в трубах, пропорционально величине теплообменной цилиндрической поверхности, то есть Q ~ d_тр. Количество раствора в трубах пропорционально величине поперечного сечения труб, М ~ d² . Поскольку практически вся теплота в непрерывно действующих выпарных аппаратах расходуется на образование паров растворителя внутри труб, объемная доля вторичного пара в растворе пропорциональна отношению

(3.76)

то есть паросодержание в трубах меньшего диаметра больше, чем в широкой трубе. Поэтому более легкая парожидкостная смесь перемещается в узких кипятильных трубах вверх, а в циркуляционной трубе большего диаметра раствор движется вниз, так как все трубы сообщаются через нижнюю крышку выпарного аппарата. Еще большей эффективностью создания естественной циркуляции кипящего раствора обладает циркуляционная труба, вынесенная из зоны обогрева выпарного аппарата.

Искомой величиной при проектном расчете выпарного аппарата, как и при расчете теплообменника, является обычно площадь теплопередающей поверхности греющей камеры:

(3.77)

Вычисление средней разности температур греющего пара и упариваемого раствора осуществляется здесь несколько проще, так как температура греющего пара во всем межтрубном пространстве греющей камеры практически постоянна, а температура кипения раствора q, вычисляемая на среднем уровне кипящего раствора, уже представляет собой величину, усредненную по высоте греющих труб выпарного аппарата:

DТ_ср = Т - q. (3.78)

Коэффициент теплопередачи К определяется как обратная величина суммы нескольких приведенных термических сопротивлений переносу теплоты от конденсирующегося греющего пара к наружной стенке трубы, стенки кипятильной трубы, ржавчины и накипи и термического сопротивления переносу теплоты от греющей трубы кипящему раствору. Отличие расчета выпарного аппарата от расчета теплообменника состоит лишь в том, что здесь отложение твердого вещества на внутренней поверхности кипятильных труб образуется, как правило, быстрее и существенно зависит от вида раствора и интенсивности его циркуляции, а также в определении коэффициента теплоотдачи от трубы к раствору a.

При кипении жидкости в вертикальных трубах интенсивность теплоотдачи неодинакова по высоте трубы, что связано с изменением гидродинамического режима движения парожидкостной смеси. В нижней части трубы происходит подогрев раствора до температуры кипения (экономайзерный участок). За экономайзерным участком следует зона ограниченного кипения в пристенном слое, где начинает сказываться влияние парообразования, интенсифицирующего общую теплопередачу. Далее следует зона развитого кипения по всему объему движущегося раствора. Выше кипение происходит в тонком слое раствора, сохраняющемся на внутренней стенке трубы, который постепенно утоньшается, что существенно уменьшает интенсивность теплоотдачи (рис. 3.21).

В общем случае значения коэффициентов теплоотдачи на каждом из участков, длины самих участков, а следовательно, и средние значения a сложным образом зависят от многочисленных взаимосвязанных факторов: паросодержания раствора, скорости движения смеси, теплового потока, физико-химических свойств раствора и вторичного пара и т.д.

Необходимые для расчетов a скорость естественной циркуляции раствора и длины отдельных участков могут быть определены по имеющимся в литературе рекомендациям.