учебник по ОПОВ

Рис. 2.6.29. Многокорпусная противоточная выпарная установка: 1,2,3 – выпарные аппараты; 4,5,6

–насосы

Вмногокорпусных противоточных установках (рис.2.6.29.) в первом корпусе наиболее концентрированный раствор выпаривается за счет тепла пара наиболее высоких параметров. В последнем корпусе исходный раствор самой низкой концентрации получает тепло от вторичного пара, имеющего наиболее низкие давление и температуру. Поэтому при противотоке коэффициенты теплопередачи значительно меньше изменяются по корпусам, чем при прямотоке. Однако необходимость перекачивания выпариваемого раствора из корпусов, где давление меньше, в корпуса с более высокий давлением является серьезным недостатком противоточной схемы, так как применение промежуточных циркуляционных насосов (насосы 4 и 5 на рис.2.6.29.) связано со значительным возрастанием эксплуатационных расходов.

Противоточные выпарные установки используют при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций, когда в последнем корпусе (по ходу раствора) возможно нежелательное выпадение твердого вещества. Кроме того, по такой схеме выпаривают растворы, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации раствора.

По схеме с параллельным питанием корпусов (рис. 2.6.30.) исходный раствор поступает одновременно во все три корпуса установки. Упаренный раствор, удаляемый из всех корпусов, имеет одинаковую конечную

концентрацию.

Рис. 2.6.30. Многокорпусная выпарная установка с параллельным питанием корпусов: 1,2,3 – выпарные аппараты

180

Установки такой схемы используют, главным образом, при выпаривании насыщенных растворов, в которых находятся частицы выпавшей твердой фазы (что затрудняет перемещение выпариваемого раствора из корпуса в корпус), а также в тех процессах выпаривания, где не требуется значительного повышения концентрации раствора.

2.6.11 Выпарные установки с тепловым насосом

В выпарных аппаратах с тепловым насосом (или с термокомпрессией вторичного пара) вторичный пар сжимается до давления греющего пара и используется для обогрева того же аппарата, в котором он образуется (рис.2.6.31.).

Для сжатия пара применяют компрессоры или пароструйные инжекторы.

Таким образом, в тепловых насосах, или трансформаторах тепла, затрачиваемая извне энергия используется для повышения температуры вторичного пара.

При пуске аппарата раствор подогревается свежим паром до кипения, после чего выпаривание производится за счет работы, затрачиваемой в компрессоре (механическое выпаривание). При этом теоретически добавки свежего пара не требуется; на практике, в связи с расходом тепла на подогрев раствора и потерями в окружающую среду, обычно добавляют немного пара со стороны.

Рис. 2.6.31. Выпарная установка с механическим тепловым насосом: 1 – выпарной аппарат; 2 –

турбокомпрессор

2.6.12 Конструкции выпарных аппаратов

1.Выпарные аппараты с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и кипением раствора в трубках (рис.2.6.32.-1).

2.Выпарные аппараты с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой, вынесенной зоной кипения и солеотделением (рис.2.6.32.-2).

3.Выпарные аппараты с естественной циркуляцией, выносными греющей камерой и зоной кипения (рис.2.6.32. -3).

4.Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и солеотделением (рис.2.6.32. -4).

181

5.Выпарные пленочные аппараты с восходящей пленкой и соосной греющей камерой (рис.2.6.32. -5).

Рис. 2.6.32. Типы выпарных аппаратов

В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией (рис. а) обычно имеется центральная циркуляционная труба. Диаметр её значительно больше кипятильных труб. Вследствие этого находящийся в ней раствор нагревается медленнее, чем в кипятильных трубах. Вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах. Благодаря этому происходит циркуляция кипящей жидкости, происходит увеличение коэффициента теплоотдачи, уменьшается вероятность образования накипи на поверхности труб. Аппарат с центральной циркуляционной трубой прост по конструкции. Одновременно с этим наличие обогреваемой центральной циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

Для выпаривания кристаллизующихся и пенящихся растворов применяют аппараты с выносным кипятильником или пленочного типа. В таком случае трубы кипятильника могут иметь большую длину (до 6 м), что способствует интенсификации циркуляции (рис. 2.6.33.)

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией используют тогда, когда необходимо повысить коэффициент теплопередачи между греющим паром и раствором и повысить интенсивность циркуляции. Греющая камера такого аппарата обычно снабжена наружной циркуляционной трубой. Циркуляцию жидкости осуществляют с помощью насоса. Поддерживают уровень жидкости ниже верхнего среза кипятильных труб.

182

Рис. 2.6.33. Выпарные аппараты: а - с центральной циркуляционной трубой; б - с выносной нагревательной камерой; 1 - корпус; 2 - нагревательные трубки; 3- циркуляционная труба; 4 - сепаратор; 5 - отбойник.

Несмотря на высокие значения коэффициента теплопередачи, такие установки требуют дополнительных затрат энергии на работу насоса.

183

Рис. 2.6.34. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией: а – с вынесенной нагревательной камерой; б – с вынесенной циркуляционной трубой; 1 – нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – брызгоуловитель; 4 – циркуляционная труба; 5 - насос

Пленочные выпарные аппараты

В пленочных аппаратах раствор движется вдоль поверхности теплообмена в виде тонкой пленки. Пленочные аппараты с вертикальными трубами (рис.2.6.35.) состоят из пучка кипятильных труб, обогреваемых снаружи паром и присоединенных вверху к сепаратору. Жидкость подается снизу, причем уровень ее поддерживается на 1/4 – 1/5 высоты труб. Остальная часть высоты труб заполнена парожидкостной смесью, расслаивающейся на пленку жидкости (около стенок) и пар (в центре). Трением о струю пара жидкая пленка увлекается вверх; поэтому такие аппараты часто называют аппаратами с поднимающейся пленкой.

Пленочные аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи, который достигается лишь при определенном уровне жидкости. Его устанавливают опытным путем. При повышении уровня жидкости коэффициент теплопередачи снижается; при понижении уровня уменьшается содержание жидкости в парожидкостной смеси.

Рис. 2.6.35. Пленочный выпарной аппарат: 1- сепаратор; 2 - кипятильник

184

Это приводит к недостаточному смачиванию верхних концов труб и снижению активной поверхности теплообмена. Ввиду однократного прохождения жидкости через аппарат со значительной скоростью, для получения достаточно концентрированного упаренного раствора требуются длинные трубы (обычно 6 – 9

м).

Недостатками вертикальных пленочных аппаратов являются трудность очистки длинных труб и сложность регулирования процесса при колебаниях давления греющего пара и начальной концентрации раствора. Кроме того, для размещения пленочных аппаратов необходимо строить производственные здания большой высоты. Эти аппараты применяют для выпаривания пенящихся, а также чувствительных к высокой температуре растворов. При выпаривании очень вязких и кристаллизующихся растворов они не используются. Пленочные аппараты производят с поверхностью теплообмена от 100 до 900м2.

Аппарат с поднимающейся пленкой (рис. 2.6.36.) состоит из нагревательной камеры 1, представляющей собой пучок труб небольшого диаметра (15-25мм) длиной 7-9м, и сепаратора 2. Раствор на выпаривание поступает снизу в трубы нагревательной камеры, межтрубное пространство которой обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем обычно 20 – 25 % от высоты труб, наступает интенсивное кипение. Пузырьки вторичного пара сливаются и пар, быстро поднимаясь по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за собой раствор. При этом жидкость перемещается в виде пленки, поднимающейся по внутренней поверхности труб. Таким образом, выпаривание происходит в тонком слое. Вторичный пар, выходящий из труб, содержит капли жидкости, которые отделяются от пара с помощью отбойника 3 и центробежного брызгоуловитель 4. В брызгоуловитель влажный пар поступает тангенциально и ему сообщается вращательное движение. Под действием центробежной силы капли жидкости отбрасываются к периферии, жидкость стекает вниз, а пар удаляется

сверху из аппарата.

Рис. 2.6.36. Выпарной аппарат с поднимающейся пленкой

Прямоточные выпарные аппараты ближе к аппаратам идеального вытеснения, в то время как аппараты с многократной циркуляцией приближаются к аппаратам идеального смешения. Вместе с тем в прямоточных аппаратах раствор проходит по кипятильным трубкам однократно. Поэтому время пребывания его мало и аккумулирующая способность этих аппаратов низка, что важно при выпаривании термически нестойких веществ.

185

Оптимальные условия работы выпарного аппарата

Для создания в выпарном аппарате оптимальных технологических, конструктивноэксплуатационных и технико-экономических показателей необходимо стремиться

увеличить коэффициент теплопередачи. Максимальный коэффициент теплопередачи достигается, если термические сопротивления с обеих сторон стенки минимальны. Следовательно, необходимо создавать такие условия работы выпарного аппарата, чтобы на поверхности теплообмена не откладывались осадки и не скапливались в трубном или межтрубном пространстве неконденсирующиеся газы.

Для повышения интенсивности теплообмена в выпарном аппарате надо создавать

максимально возможную скорость циркуляции раствора. При большой скорости циркуляции увеличивается коэффициент теплопередачи и создаются благоприятные условия для предупреждения отложения осадков на поверхности теплообмена. Оптимальный режим работы выпарного аппарата достигается при минимальных тепловых потерях с отходящим конденсатом и при получении необходимого количества вторичных паров заданных параметров. В аппаратах с одинаковой поверхностью теплообмена максимальный коэффициент теплопередачи достигается в том выпарном аппарате (с естественной циркуляцией), в котором поддерживается оптимальный уровень кипящей жидкости. По опытным данным исследователей, оптимальный уровень находится в пределах 30-70% в зависимости от плотности, концентрации раствора и напряжения поверхности нагрева. Уровень раствора в трубках увеличивается с увеличением плотности и концентрации. Практически за оптимальный уровень принимают такой, при котором верхняя часть поверхности теплообмена покрыта кипящей жидкостью. Чрезмерное понижение и повышение уровня жидкости против оптимального снижает коэффициент теплопередачи и интенсивность работы аппарата.

186

2.6.13 Контрольные вопросы по теме «Тепловые процессы и аппараты»

Какими способами осуществляется передача тепла? Приведите примеры.

Напишите выражение для уравнения теплового баланса

Что такое коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи?

Что является движущей силой тепловых процессов? Как рассчитывается средняя разность температур? Нарисуйте схемы противотока и прямотока и покажите на них расчет средней движущей силы теплового процесса.

Перечислите достоинства водяного пара как теплоносителя. Когда его применяют?

В чем преимущества и недостатки нагревания с помощью дымовых газов?

Перечислите способы нагревания с помощью электрического тока.

Какие охлаждающие агенты применяются для охлаждения до температуры

10-30оС?

Какие конструкции теплообменников Вы знаете?

Какие компенсационные устройства используют в теплообменниках и для чего?

Что называется процессом выпаривания?

Как осуществляется выпаривание в однокорпусной установке?

Напишите уравнение материального и теплового баланса простого выпаривания.

Опишите устройство и принцип действия многокорпусных выпарных установок.

Как классифицируются выпарные аппараты?

Из чего состоит установка для выпаривания с тепловым насосом?

187

2.7 Сушилки

Сушка (обезвоживание, дегидратация; от англ. drying, dehydration) - это процесс удаления влаги из твердых и пастообразных материалов и отвода образующихся паров.

Процесс сушки может быть вызван удалением влаги или испарением при создании над поверхностью материала низкого давления паров воды. Сушка сложный термодинамический, диффузионный процесс. Аппараты для осуществления процесса сушки называются сушилками.

Сушке подвергают различные влажные тела:

Твердые - коллоидные, зернистые, порошкообразные, кусковые, гранулированные, листовые, тканые пастообразные;

жидкие - суспензии, эмульсии, растворы.

Данный процесс часто является последней технологической операцией, которая

конвективная сушка, характеризующаяся прямым контактом влажного материала с потоком нагретого газа (воздухом, дымовыми газами, азотом и т.п.), который сообщает тепло, одновременно поглощая и унося с собой образовавшиеся пары;

контактная или кондуктивная сушка, при которой тепло сообщается влажному материалу каким-либо теплоносителем через поверхность нагрева. При контакте с поверхностью теплообмена (плоская стенка, трубный пучок и т.п.) влажный материал нагревается. Испарившаяся жидкость уходит из материала в виде паров, которые удаляются из сушилки. В контактных сушилках часто создают вакуум, что позволяет проводить процесс сушки при меньшей температуре влажного материала.

сублимационная сушка, при которой влага из предварительно замороженного состояния, минуя жидкое, переходит в парообразное состояние. Такой способ сушки осуществляется при глубоком вакууме и низких температурах.

радиационная сушка, реализуемая путем передачи тепла инфракрасным излучением. Этот способ используют для высушивания тонколистовых материалов и лаковых покрытий;

диэлектрическая сушка, при которой материал высушивается в поле тока

высокой частоты. Такой способ применяется для сушки толстолистовых

188

материалов. Он позволяет регулировать температуру не только на его поверхности, но и в глубине материала;

Чаще всего встречается инфракрасный нагрев («ИК - сушка»), микроволновый («микроволновая сушка»), нагрев токами высокой частоты («УВЧ сушка»). Общим для всех этих видов является выделение энергии в объеме вещества за счет поглощения энергии электромагнитных волн. Важно отметить, что выделение тепла практически мало зависит от текущей температуры продукта, что ведет к возможности перегрева или сжигания продукта. Различие в этих методах заключается в глубине проникновения электромагнитных волн внутрь материала.

Таким образом, следует говорить о сушке с использованием микроволновой энергии («microwave assisted drying») или с использованием ИК энергии. С другой стороны понятие «вакуумная микроволновая сушка» - термин корректный.

Большое разнообразие способов подвода энергии и отвода парогазовой смеси рождает большое разнообразие сушильных установок

В процессах нефтегазопереработки и сланцепереработки наиболее часто приходится иметь дело с конвективной сушкой влажных материалов нагретым воздухом или горячими дымовыми газами и контактной сушкой, поэтому дальнейшее изложение материала ведется применительно к этим случаям сушки.

Виды связи влаги с материалом

Практически любой твердый материал способен поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Влажность материала называется равновесной, если этой влажности отвечает условие рм = рп, то есть равенство давления водяного пара во влажном материале рм, которое обусловлено присутствием влаги и температурой, и парциальным давлением водяного пара рп в окружающей среде. В этом случае достигается равновесие процессов испарения и поглощения влаги и процесс сушки прекращается.

По характеру связи влаги с твердым материалом различают следующие виды влаги:

поверхностная — влага, находящаяся на поверхности твердого материала и в порах крупных частиц. Поверхностная влага испаряется с поверхности твердого материала, как со свободной поверхности воды;

капиллярная — влага, находящаяся в мелких порах, образующих капилляры. Такая влага связана с твердым материалом более прочно, чем поверхностная, и имеет меньшую величину рм;

адсорбционно-химическая — влага, связанная с твердым материалом за счет адсорбции или химического взаимодействия;

влага набухания — влага, поглощенная телами, имеющими клеточную структуру.

189