Файл: Попов, Н. П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений [учебное пособие].pdf

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО УДОБРЕНИЯМ

И ИНСЕКТОФУНГИЦИДАМ им. проф. Я . В. САМОЙЛОВА (НИУИФ)

н. п . П О П О В

ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

В ПРОИЗВОДСТВЕ

МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ» Ленинградское отделение -1 9 7 4

УДК 631.812 : 66.01 П58

г - -

\Гое. публичная

| каучав-техк'-: <векам

] бкбякоте: 'л С СВ

9У - 39Ш

Попов Н. П.

П58 Выпарные аппараты в производстве минераль­ ных удобрений. JI., «Химия», 1974.

128 стр., 42 рис., 17 табл., список литературы 34 ссылки.

В книге кратко изложены основы техники выпаривания в аппара­ тах поверхностного и контактного типов. Подробно описаны оте­ чественные и зарубежные технологические схемы, конструктивное оформление и основные показатели работы выпарных аппаратов производств минеральных удобрений. Для практического исполь­ зования в приложении приведены примеры расчетов выпарных аппа­ ратов и необходимые таблицы.

Книга является учебным пособием для подготовки и повышения квалификации цеховых работников, обслуживающих выпарные уста­ новки в производстве минеральных удобрений.

188 П 050(01)—74

© Издательство «Химия», 1974

Г Л А В А I

ОСНОВЫ ТЕХНИКИ ВЫПАРИВАНИЯ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Тепло может передаваться от одного тела к другому посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Первый из этих путей осуществляется при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. Энергия передается от одной

только в жидкостях и газах. Частицы перемещаются, если весь объем жидкости или газа приходит в движение (вынужденная или прину­ дительная конвекция), либо если температура в разных его точках неодинаковая, а значит и плотность разная (свободная или естест­ венная конвекция).

При лучеиспускании энергия переносится в виде электромагнит­ ных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую (излучение), проходит через пространство и затем снова превра­ щается в тепловую при поглощении энергии другим телом (погло­ щение).

Рассмотренные механизмы теплопередачи редко встречаются в чи­ стом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так, конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности. При обогреве через стенку тепло' от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю переносится конвекцией, а через стенку — теплопроводностью. По­ тери тепла с нагретой поверхности в окружающую среду происходят путем конвекции и лучеиспускания.

Выпаривание проводят в аппаратах с обогревом через стенку (аппараты поверхностного типа) и работающих по принципу прямого контакта высокотемпературного теплоносителя с выпариваемым про­ дуктом (контактные аппараты).

Для обогрева выпарных аппаратов поверхностного типа широко применяется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходцма высокая (свыше 150—170 °С) температура, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев. Пар в качестве теплоносителя очень удобен тем, что позво­ ляет легко регулировать температуру, имеет высокое теплосодержа­ ние и большой коэффициент теплоотдачи.

4

Выпаривание в аппаратах контактного типа осуществляют обычно с помощью топочных газов, полученных при сжигании газообразного или жидкого топлива.

2. ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА

Теплопередача

Для осуществления процесса выпаривания к выпариваемому раствору необходимо подвести определенное количество тепла.

Количество тепла Q, передаваемого теплоносителем выпаривае­ мому раствору за один час, равно произведению поверхности нагрева F на разность температур конденсации пара. и кипения раствора At = <конд — гкип и на коэффициент пропорциональности К , назы­ ваемый коэффициентом теплопередачи:

Величина Q определяется из теплового' баланса:

Aix и Дг2 — изменение теплосодержания теплоносителей во время

где tx и t2 — температуры теплоносителя на входе и выходе тепло­ обменника, °С;,

•с — средняя теплоемкость теплоносителя ■при температуре

^, ккал/(кг-°С).

Если же в результате кипения или конденсации агрегатное со­ стояние теплоносителя меняется, то

где tn и tx — температуры поступающих или уходящих пара и жид­ кости, °С;

tHac — температура насыщения пара, °С;

сп и с ж — средняя теплоемкость пара и жидкости, ккал/(кг-°С); г — теплота конденсации, ккал/кг.

Движущей силой всякого теплообмена является температурный перепад At. Он зависит от схемы движения теплоносителей и от того, сохраняется или изменяеГся их агрегатное состояние. При изменении агрегатного состояния обоих теплоносителей температурный перепад равен разности температур конденсации и кипения теплоносителей:

5

Если хотя бы один из теплоносителей не меняет своего агрегатного состояния, то пока он протекает вдоль стенки, разделяющей теплоносители, At будет изменяться. В таких случаях температур­ ным напором является средняя разность температур.

При противотоке, параллельном токе, а также в случае, когда одна сторона разделяющей стенки омывается теплоносителем, сохра­ няющим постоянную температуру (т. е. меняющим агрегатное состоя­ ние), температурным напором является средняя логарифмическая разность температур:

стве средней разности температур можно принимать среднюю ариф­ метическую разность:

больше логарифмической, и расчет по ней приведет к заниженному значению поверхности теплообмена, недостаточному для передачи нужного количества тепла.

ai

где а,! и а 2 — коэффициенты теплоотдачи от греющего теплоноси­ теля к стенке и от стенки к нагреваемому теплоноси­ телю, ккал/(м2-ч>°С);

б — толщина стенки, м;

Я— коэффициент, теплопроводности материала стенки, ккал/(м-ч-°С);

----термическое сопротивление стенки.

Практически большинство греющих поверхностей приходится рассматривать как многослойные стенки, так как во время работы они постепенно покрываются накипью, маслом или ржавчиной. Тепло­ проводность этих загрязнений в десятки и сотни раз меньше тепло­ проводности металлов:

6

Поэтому термическое сопротивление загрязняющих слоев, даже очень тонких, может намного превысить термическое сопротивление

Снижение коэффициента теплопередачи К, вызванное увеличением термического сопротивления, учитывают при расчете. При этом задаются максимальной толщиной загрязняющего слоя для твердых веществ 0,5—1 мм, для масла -—0,1 мм.

Всегда нужно стремиться замедлить нарастание загрязняющих слоев. Это требование учитывают при выборе технологического режима и скоростей теплоносителей. Например, нежелательно, чтобы охлаждающая вода на выходе поверхностных конденсаторов была горяч ее .45—50 °С, потому что при этих температурах начинается выделение накипи. Скорость охлаждающей воды, в особенности если она берется прямо из реки, не рекомендуется брать ниже 0,5 м/с, иначе поверхность скоро зарастет илом. .

Физические основы процесса выпаривания

Физическая сущность процесса выпаривания растворов заклю­ чается в частичном или почти полном превращении растворителя в пар. Поскольку в производстве минеральных удобрений выпари­ ваются в основном водные растворы, далее в качестве растворителя рассматривается вода.

При кипении превращение воды в пар происходит не только на поверхности, а главным образом внутри паровых пузырьков, об­ разующихся внутри самой жидкости. Пузырек пара, по мере испа­ рения в него воды, увеличивается в размерах, его подъемная сила при этом возрастает, и он всплывает наверх, где и лопается, а вместо него образуется новый; таким образом осуществляется непрерывный перенос образующегося внутри жидкости пара в паровое простран­ ство. Паровые пузырьки зарождаются преимущественно на стенках теплообменной поверхности, где имеется шероховатость; их обра­ зованию способствуют также содержащиеся в жидкости газы, выде­ ляющиеся при нагреве и образующие большие количества газовых пузырьков, в которые испаряется вода.

Температура кипения раствора выше температуры кипения воды при том же давлении. Насколько они различаются — зависит от свойств растворенного вещества. Разность температур кипения рас­ твора и воды при одинаковол1 давлении называется температурной депрессией А':

У = бсип. р-ра — б<ип. воды (Ю )

У растворов с одинаковой концентрацией температурная депрес­ сия при повышении общего давления над раствором несколько повышается, а при разрежении снижается.

7