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

Практически число корпусов в выпарных установках не превы­ шает десяти, а наиболее распространены двух-, трех- и четырехкор­ пусные установки,

Расчет многокорпусной выпарной установки кроме тех же эле­ ментов, что и расчет однокорпусного аппарата, включает некоторые дополнительные. Методики расчета многокорпусных выпарных уста­ новок подробно описаны в специальной литературе по выпариванию.

Создание вакуума в выпарных установках

Вакуум в выпарных установках создается в результате конденса­ ции Вторичного пара в конденсаторах, охлаждаемых водой. Теоре­ тически абсолютное давление в конденсаторе должно быть равно давлению насыщенного пара при температуре конденсации. Однако вместе с паром туда поступает некоторое количество воздуха, выде­ ляющегося из выпариваемой жидкости. Кроме того, воздух прони­ кает через неплотности в аппаратуре и трубопроводах. Если конден­ сация производится в конденсаторах смешения (путем непосредст­ венного соприкосновения с водой), воздух приносится с охлажда­ ющей водой. В присутствии воздуха давление в конденсаторе равно сумме парциальных давлений пара и воздуха, т. е. давлению насы­ щенного пара плюс парциальное давление воздуха. Таким образом, вакуум в конденсаторе от подсосов воздуха ухудшается, и воздух необходимо удалять при помощи вакуум-насоса..

Обычно в конденсаторах выпарных установок поддерживают абсолютное давление 0,1—0,2 ат (соответствует температуре конден­ сации 45—60 °С).

Различают поверхностные конденсаторы и конденсаторы сме­ шения.

В поверхностных конденсаторах пар отделен от охлаждающей воды стенкой. Эти конденсаторы по устройству аналогичны поверх­ ностным теплообменникам (обычно применяются кожухотрубные аппараты) и используются в тех случаях, когда конденсат необхо­ димо сохранить в чистом виде.

В конденсаторах смешения пар конденсируется при непосред­ ственном соприкосновении с водой, так что образующийся конден­ сат смешивается с водой и удаляется вместе с ней. Благодаря простоте конструкции эти конденсаторы получили широкое рас­ пространение и применяются во всех случаях, когда конденсат не утилизируется.

В зависимости от направления движения пара и воды конденса­ торы смешения разделяются на прямоточные и противоточные, а в за­

Прямоточные конденсаторы применяются для выпарных устано­ вок небольшой и средней производительности и обычно размещаются на низком уровне. В этих конденсаторах пар и вода движутся в одном направлении (сверху вниз), а смесь воды и конденсата откачивается насосом. Так как конденсатор расположен на низком уровне, то охла­

12

ждающая вода не нагнетается в него насосом, а засасывается под действием имеющегося в конденсаторе вакуума.

Противоточные конденсаторы применяются для выпарных уста­ новок большой производительности. В них пар и вода движутся в противоположных направлениях (пар снизу вверх, вода — сверху вниз). Для улучшения их соприкосновения в аппарате на различной высоте расположены тарелки или полки. Вода струйками перетекает с одной тарелки на другую через отверстия, расположенные по всей поверхности тарелок; часть воды, кроме того, переливается через борт тарелки, которым поддерживается определенный уровень воды.

Эти конденсаторы располагаются обычно на высоком уровне, а смесь воды и конденсата удаляется через опускную (барометриче­ скую) трубу. (Их так и называют барометрическими.) Высота столба жидкости в барометрической трубе уравновешивает атмосферное давление, и жидкость вытекает в сборник (барометрический ящик). Нижний конец барометрической трубы должен быть опущен ниже уровня жидкости в барометрическом ящике, чтобы атмосферный воздух не засасывался в конденсатор. Высота барометрической трубы должна быть не менее 1 м на каждые 0,1 ат разрежения; обычно эта высота составляет 10,5—И м. Воду в конденсатор следует пода­ вать под напором, так как при высоком расположении ввода воды (на уровне 12—15 м) вакуум в конденсаторе недостаточен для ее за­ сасывания.

Расход воды на конденсацию пара определяется из теплового баланса конденсатора и составляет:

Обычно расход воды в конденсаторах определяют исходя из на­ грева ее не более чем на 12 °С, что связано с работой градирен.

Факторы, влияющие на производительность и интенсивность работы выпарных аппаратов .

Интенсивность процесса выпаривания определяется числовыми значениями коэффициента теплопередачи и полезной разности тем­ ператур: чем они ббльше, тем интенсивнее протекает процесс выпа­

13

Числовые значения коэффициентов теплопередачи К колеблются обычно в пределах 200—6000 ккал/(м2-ч-°С). Если выпариваются жидкости вязкие или отлагающие накипь на стенках нагревательных труб, К = 200 ч- 500 ккал/(м2-ч-°С).

При интенсивной циркуляции раствора образование накипи уменьшается и коэффициенты теплопередачи сохраняют постоянное значение в течение длительного периода работы аппарата. Циркуля­ ция в выпарном аппарате может быть естественной и искусственной. Естественная циркуляция — весьма сложный процесс, и скорость ее зависит от следующих величин: 1) полезной разности температур; 2) скорости вторичного пара в трубках нагревательной камеры и его давления в паровом пространстве аппарата; 3) высоты уровня рас­ твора над трубами и в трубах нагревательной камеры; 4) кон­ центрации раствора; 5) диаметра и длины труб нагревательной камеры.

Скорость циркуляции возрастает с увеличением полезной раз­ ности температур, скорости вторичного пара в трубах и его давления в паровом пространстве аппарата.

Коэффициенты теплопередачи имеют наибольшие значения, если трубки нагревательной камеры заполнены жидкостью в холодном состоянии не полностью, а примерно на V2—V3 высоты.

Концентрация раствора влияет на работу выпарного аппарата потому, что от этого зависят плотность, вязкость и теплоемкость раствора. Коэффициент теплопередачи зависит от вязкости раствора больше, чем от его плотности, и большие коэффициенты теплопере­ дачи наблюдаются в процессе выпаривания разбавленных растворов. При выпаривании более концентрированных растворов быстрее нарастает накипь на поверхности нагрева, и это резко ухудшает теплопередачу.

Кроме того, скорость циркуляции зависит от расположения труб нагревательной камеры, их длины и диаметра.

Одним из необходимых условий нормальной работы выпарных аппаратов является удаление из нагревательной камеры содержа­ щихся в паре воздуха и других неконденсирующихся газов, так как даже весьма незначительная примесь их резко снижает коэффициент теплоотдачи. Воздух может попасть сюда через неплотные соединения в трубопроводах и аппаратах или с исходным раствором; неконденсирующиеся газы иногда образуются в результате реакций, которые могут происходить в процессе выпаривания.

При выпаривании следует считаться с возможностью образования накипи или кристаллизации солей из раствора на поверхности труб выпарного аппарата. Отложение осадка (накипи), обладающего весьма малой теплопроводностью, снижает коэффициент теплопере­ дачи, что п р и в од и т к резкому уменьшению интенсивности работы выпарного аппарата. Кроме того, из-за накипи заметно уменьшается свободное сечение труб, а значит резко снижается скорость циркуля­ ции жидкости. Накипь регулярно удаляют из труб механическими или химическими способами. Выпарной аппарат приходится остана­ вливать. Хотя такая остановка снижает производительность, однако

14

это компенсируется восстановлением нормальной работы установки после чистки.

Как отмечалось выше, при v работе под вакуумом понижается температура кипения выпариваемого раствора, увеличивается по­ лезная разность температур и, следовательно, повышается интен­ сивность выпаривания. Поэтому весьма важно поддерживать в кон­ денсаторе выпарной установки максимально достижимый в данных условиях вакуум. Даже незначительное понижение давления в кон­ денсаторе выпарной установки может привести к существенному увеличению ее производительности. Увеличение давления греющего пара, поступающего впервой корпус, также способствует увеличению производительности выпарной установки.

Основные конструкции выпарных аппаратов

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с па­ ровым обогревом и поверхностью теплообмена, выполненной из труб. Они состоят из двух основных частей: кипятильника (греющей ка­ меры), в котором расположена по­ верхность теплообмена и происходит выпаривание раствора, и сепара­ тора — пространства, где вторичный пар отделяется от раствора. Необхо­ димость в паровом пространстве (се­ параторе) составляет основное кон­ структивное отличие выпарных аппа­ ратов от теплообменников.

В зависимости от характера дви­ жения кипящей жидкости различают следующие типы выпарных аппа­ ратов:

1) со свободной циркуляцией;

2) с естественной циркуляцией;

3) с принудительной циркуляцией;

4) пленочные.

В выпарных аппаратах со свободной циркуляцией неподвижный или медленно движущийся раствор находится снаружи труб (рис. 1). В растворе возникают неупорядоченные конвекционные токи (сво­ бодная циркуляция), обусловленные свободной конвекцией.

Основным недостатком аппаратов этого типа является трудность очистки межтрубного пространства, поэтому в них нельзя выпаривать кристаллизующиеся растворы. Кроме того, у них невысокий коэф­ фициент теплопередачи, они громоздки и требуют значительного количества металла. В настоящее время они применяются редко, главным образом при выпаривании очень вязких жидкостей, и вы­ тесняются более совершенными конструкциями.

В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией (рис. 2) имеется замкнутая система, состоящая из необогреваемой опускной (циркуляционной) трубы 1 и обогреваемых подъемных (кипятильных)

15

труб 2. Если жидкость в подъемных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения пасти жидкости в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, масса столба жидкости в опускной трубе больше, чем в подъемных трубах, вследствие чего происходит упо­ рядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: подъемные трубы — паровое пространство — опускная труба —

выше,'и коэффициент теплопередачи снизится. Парообразование в кипятильных трубах определяется физиче­

скими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее паро­ образование и тем больше скорость циркуляции. Для достижения достаточной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть в среднем не меньше 7—10 °С.

Оптимальный уровень жидкости повышается с понижением раз­ ности температур и увеличением вязкости раствора и находится опытным путем. Если при выпаривании из раствора не выпадают кристаллы, оптимальный уровень обычно составляет от 1li до 3/4 высоты кипятильных труб. Если выпариваются кристаллизующиеся растворы, уровень жидкости поддерживают выше кипятильных труб. Делают так для того, чтобы жидкость в них перегревалась по срав-

16