АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Конденсация паров в поверхностных конденсаторах

Основные понятия. Конденсацией называется процесс перехода пара или газа в жидкое состояние, проводимый путем охлаждения пара (газа) или сжатия и охлаждения одновременно.

Рассмотрим процессы конденсации, проводимые только путем охла­ждения пара водой или холодным воздухом.

Аппараты, в которых осуществляется сжижение пара, назы­вают конденсаторами.

Конструкция конденсаторов зависит от давления, при котором про­водится процесс. Конденсацией часто пользуются для создания и под­держания некоторого постоянного разрежения, например, в процессах выпаривания, вакуум-сушки и др. При конденсации под вакуумом непре­рывно охлаждают конденсируемые пары и непрерывно удаляют получаю­щийся конденсат, а также все неконденсирующиеся газы, поступающие в конденсатор с парами или с охлаждающей водой.

Конденсацию путем охлаждения холодной водой можно проводить двумя способами:

1) в поверхностных конденсаторах, где пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях труб, омываемых с другой сто­роны холодной водой;

2) в конденсаторах смешения, где пар приводится в непосред­ственное соприкосновение с охлаждающей водой, впрыскиваемой в пар.

Разновидностью конденсаторов смешения являются эжектор - н ы е конденсаторы, в которых водяная струя, непосредственно со­прикасаясь с паром, не только конденсирует последний, но и одновре­менно удаляет из конденсатора воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие с паром, с охлаждающей водой и через неплотности в соеди­нениях.

Так же как и холодильники, поверхностные конденсаторы могут быть разделены на три группы:

1) с водяным охлаждением (погружные);

2) с воздушным охлаждением;

3) с орошением (оросительные).

В поверхностных конденсаторах теплообмен между паром и охла­ждающей водой (или воздухом) совершается через разделяющую их теплопроводящую стенку; при этом пространство, в котором происходит конденсация, может находиться под атмосферным или другим давле­нием. Если конденсационная установка работает под вакуумом, необ­ходимо создавать разрежение в том аппарате, откуда поступает на кон­денсацию пар, и постоянно поддерживать это разрежение, а также воз­вращать для использования конденсат при возможно более высокой температуре.

Поверхностные конденсаторы с водяным охлаждением. В конден­саторах этого типа конденсируемый пар и вода движутся противотоком друг к другу; охлаждающая вода поступает снизу и движется вверх, пар поступает сверху, а конденсат отводится снизу.

Поверхность теплообмена, потребная для конденсации заданного количества пара, может быть вычислена опытным путем из уравнения теплопередачи, причем в общем случае могут протекать три отдельных процесса:

1) охлаждение поступающих в конденсатор перегретых паров до температуры их насыщения;

2) конденсация насыщенного пара, т. е. сжижение пара в жидкость при постоянной температуре;

3) охлаждение полученного конденсата до заданной температуры.

Обозначим:

Q—общее количество тепла, участвующее в теплообмене, в ккал/час; Q'—количество тепла, отнимаемое при охлаждении перегретых паров

До температуры их насыщения, в ккал/час; QK—количество тепла, выделяющееся при конденсаций пара, в ккал/час; Qv—количество тепла, выделяющееся при охлаждении конденсата, в

Ккал/час;

J—теплота парообразования в ккал/кгс, D—количество конденсируемого пара в кгс/час; сп—средняя теплоемкость перегретого пара в ккал/кгс °С; /1Н—начальная температура пара в °С; ^нас.—температура насыщения в °С; ?1К—конечная температура конденсата в °С; с,—теплоемкость конденсата в ккал! кгс-°С; W—расход охлаждающей воды в кгс/час; t2н—-начальная температура охлаждающей воды в °С; t2K—конечная температура охлаждающей воды в °С.

Тепловой баланс конденсатора может быть представлен уравнением

W ('2к - О = Q' + Qk + 0х = Q (2-185)

Где Q'=Dc (TlH— /нас.);

QK=Dr

Qx=Dc,(tmc—tlK).

Соответственно трем стадиям процесса в поверхностном конденса­торе общая поверхность теплообмена должна быть найдена как сумма трех слагаемых.

Введем в обозначения величин, относящихся к различным стадиям процесса в конденсаторе, следующие индексы: ['1—для стадии охлаждения перегретого пара; Ік]—для стадии конденсации; [*]—для стадии охлаждения конденсата.

Поверхность теплообмена конденсатора в общем случае должна быть равна

F = F +F* + F* (2—186)

Где

Q' . рп _ QK . «?,__ 0х

F'

KKAt

Ср.

Средняя разность температур Л /ср., входящая в эти уравнения, может быть вычислена следующим образом.

Разбивая всю поверхность охлаждения соответственно трем ста­диям на три как бы само - tunc. нас. *ін стоятельные части, получим

Расчетную схему (рис. 279).

Охлаждение перегрето­го пара происходит при сле­дующих условиях: пар посту-

'////У///< У Л

Л

I пает с температурой

Вода

U

2И Х1 L2H

Рис. 279. К расчету поверхностного холодильника. Следовательно, начальная разность

T __ T

Конечная разность температур

Д/к= ^нас - хг

Средняя разность температур

Конденсация пара происходит при следующих условиях: пар посту­пает с температурой насыщения /нас.» и эта температура остается постоян­ной в течение всего процесса; вода поступает с некоторой температурой хг и за счет теплоты конденсации QK нагревается до температуры х2.

Следовательно, начальная разность температур

Д/ ----- Tunr- Х-1

Конечная разность температур

Atk = T

Средняя разность температур

Д A —Att

Ср. А(*

Охлаждение конденсата происходит при следующих условиях: кон­денсат охлаждается от температуры насыщения tHac. до заданной темпе­ратуры tXK\ вода поступает с температурой /2Н, нагревается за счет тепла Qx и уходит с температурой хх.

Следовательно:

Начальная разность температур

H (X-- / ___ у

Н--- 'нас. Л1

Конечная разность температур

Средняя разность температур

Af -At*

Htx =------------ ------- —

CP. AtX

Температуру воды хх—в начале стадии охлаждения конденсата и х2—в начале конденсации можно вычислить из соотношения коли­честв тепла, отнимаемых в различных стадиях процесса.

Для всех трех стадий можно составить уравнения теплового баланса

Q' = W(T2K~-X2); Qk = W(X2-Xx); Q* = W(Xj — TiH)

Зная общий расход воды

W= Q

К-- Н

Найдем

(2—187)

И

(2-188)

Коэффициенты теплоотдачи для всех трех стадий вычисляются обычным путем.

1. Для стадии охлаждения перегретого пара коэффициент тепло­отдачи от пара к стенке вычисляют по формулам (2—46), (2—47) или (2—48), в зависимости от характера движения пара, определяемого вели­чиной критерия Рейнольдса.

2. Для стадии конденсации коэффициент теплоотдачи от конден­сирующего пара к стенке вычисляют по формулам (2—67) и (2—67а).

При конденсации перегретого пара коэффициент теплоотдачи опре­деляют по той же формуле, подставляя вместо г разность между тепло­содержанием пара и конденсата. Величина Д/—это разность между тем­пературой насыщения /„ас. и температурой стенки tCTX.

Если при конденсации перегретого пара температура стенки /ст1 меньше температуры насыщения /нас., то коэффициент теплоотдачи не отличается от а для насыщенного пара.

3. Для стадии охлаждения конденсата коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке вычисляется по формулам (2—46), (2—47) или (2—48) в зависимости от величины критерия Рейнольдса.

4. Коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде для всех трех стадий определяется также по формулам (2—46), (2—47) или (2—48) в зависимости от величины критерия Рейнольдса, причем если вода протекает по межтрубному пространству, то следует пользоваться формулами (2—49), (2—50) и (2—51).

Определив поверхность охлаждения, подбирают диаметр и длину труб и определяют их число. Сечение труб для прохода пара можно под­бирать, исходя из средней скорости пара на входе в трубы 10—-15 м/сек, скорость же протекания воды берут в пределах до 2,5 м/сек, причем и в том, и в другом случае необходимо учитывать величину потери напора на преодоление сопротивлений.

Обычно в зависимости от размеров конденсатора допускают потерю давления от 50 до 100 кгс/м2, т. е. от 0,005 до 0,01 am.

Максимальное разрежение, достигаемое в конденсаторе, зависит от двух факторов: расхода охлаждающей воды и ее температуры.

Следует стремиться к тому, чтобы охлаждающая вода уходила из конденсатора с возможно более высокой температурой. Практически температура воды должна быть ниже температуры поступающего в кон­денсатор пара не менее чем на 5°.

Температура воды, поступающей в конденсатор, зависит от местных условий и времени года. При отсутствии точных данных о максимальной и среднегодовой температуре воды в расчетах можно принимать ее тем­пературу ориентировочно равной 15-^-25°. Температуру воды, поступающей из артезианской скважины, можно принимать равной в среднем 10—12°.

Обычно работа конденсатора оценивается удельным расходом воды, т. е. количеством воды, расходуемой на 1 кгс конденсируемого пара; этот расход колеблется в широких пределах и иногда достигает 100-^ - г-110 кгс/кгс, причем удельный расход воды тем больше, чем выше раз­режение в конденсаторе.

Количество воздуха, отсасываемого из поверхностного конденса­тора, работающего при разрежении, зависит от содержания в конден­сируемом паре воздуха и газов, проникающих через неплотные соеди­нения установки.

Количество воздуха и газов, поступающих в конденсатор этими путями, нельзя точно учесть, так как в каждом частном случае вода может содержать различные количества газов и притом различных, а неплотности в соединениях зависят от конструкции установки и качества ее монтажа.

Можно ориентировочно считать, что при выпаривании, вместе с 1 кгс пара, вследствие недостаточной герметичности труб и аппаратов, вводится 0,008 м3 воздуха.'