АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Факторы, влияющие на производительность и интенсивность работы выпарных аппаратов

Производительность выпарных установок характеризуется количе­ством воды, выпариваемой в единицу времени. Для отдельного выпар­ного аппарата количество выпариваемой воды определяется уравне­нием (2—215)

Wn = Dnan + (Sc — Wj—W?---------------- Wn_J кгс/час

Пренебрегая самоиспарением, т. е. считая Рй=0, и подставляя зна­чение коэффициента испарения а„ (2—213), получаем

Wn = Dn(K-K) Кгс/час (2-233)

LN Hi LN 1П

Где Qn—количество тепла, отдаваемое раствору греющим паром, опре­деляется по уравнению теплопередачи

Q„ = /(nF„A/„ ккал/час (2—233а)

Подставив значение Qn из последнего уравнения в выражение (2—233), получим

Wn = кгс/час (2—234)

Из последнего уравнения может быть определена интенсивность выпаривания, т. е. количество выпариваемой воды на 1 м2 поверхности нагрева в час:

= . 1 . KnLtn кгс/м2 • час (2—235)

' п 1п 'л

Уравнение (2—235) показывает, что интенсивность про­цесса выпаривания определяется числовыми значениями коэффициента теплопередачи и п'о - лезной разности температур; чем больше коэф­фициент теплопередачи и полезная разность температур, тем интенсивнее протекает процесс выпаривания.

Коэффициенты теплопередачи в выпарных аппаратах. В выпарных аппаратах коэффициенты теплопередачи могут быть подсчитаны по об­щей формуле

К — ----------- І—-—^------ — ккал/м2 • час • °С

І і О, о2

_________________________ і ___ і —±_ і __ £_

А1а2 К ^2 где согласно предыдущему: ах—коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке трубы нагре­вательной камеры, определяемый по формулам (2—67) и (2—67а); а,—коэффициент теплоотдачи от стенки трубы нагревательной ка­меры к выпариваемому раствору;

-у термическое сопротивление стенки трубы;

—термическое сопротивление слоя накипи.

2

Числовые значения коэффициентов теплоотдачи а2 в выпарных аппаратах изменяются в весьма широких пределах и зависят от большого числа факторов.

Процессы теплопередачи в выпарных аппаратах находятся в тес­нейшей взаимосвязи с происходящими в них гидравлическими процес­сами, а коэффициенты теплоотдачи а2 прямо зависят от скорости цирку­ляции выпариваемого раствора.

Кроме того, важное значение для теплопередачи имеют величина полезной разности температур греющего пара и раствора, чистота поверх ности теплообмена (толщина слоя накипи) и высота уровня жидкое ти в аппарате.

Вследствие такой сложной зависимости еще не найдено достаточно надежных обших формул для коэффициента теплоотдачи а2, и для расче­тов приходится пользоваться опытными значениями коэффициента тепло­передачи К.

Для определения коэффициента теплоотдачи а2 необходимо знать разность температур греющей поверхности и кипящего раствора, а также величину тепловой нагрузки, приходящейся на 1 м2 поверхности тепло­обмена.

Различают две области изменения величины коэффициента тепло­отдачи а2 при выпаривании. В области низких тепловых нагрузок (для воды при <7<5000 ккал! м2-час) коэффициент теплоотдачи определяют по формулам теплоотдачи при свободной конвекции жидкости [формулы (2—60) и (2—61)]; при более высоких тепловых нагрузках коэффициент теплоотдачи вычисляют по формулам (2—69) или (2—69а).

Для грубо ориентировочного определения величины тепловой на­грузки q можно рекомендовать следующий метод. По уравнению

Q=~ Ккал!M2-Час (2—236)

Точный учет влияния накипи на коэффициент теплопередачи невоз­можен; поэтому при расчете термического сопротивления загрязнений принимают ориентировочно, что толщина слоя накипи равна 0,5 мм. Коэффициент теплопроводности накипи может быть принят 1,5— 2 ккал! м - час-°С.

Числовые значения коэффициентов теплопередачи в выпарных аппаратах колеблются обычно в пределах 200—6000 ккал! м2-час -°С.

Для аппаратов, выпаривающих вязкие жидкости, отлагающие на­кипь на стенках нагревательных труб, коэффициенты теплопередачи равны ориентировочно 200—500 ккал! м2-час °С. Таким образом, коэф­фициенты теплопередачи в выпарных аппаратах колеблются в широких пределах, и их значения следует наиболее точно определять опытным путем.

Скорость циркуляции жидкости. Величина коэффициента тепло­передачи, а следовательно, и интенсивность работы выпарного аппарата

В значительной мере зависят от скорости циркуляции выпариваемого раствора.

При интенсивной циркуляции раствора уменьшается образование накипи и коэффициенты теплопередачи сохраняют постоянное значение в течение длительного периода работы аппарата.

Циркуляция раствора в выпарном аппарате может быть естествен­ной и искусственной.

Естественная циркуляция является весьма сложным процессом, и скорость ее зависит от следующих величин:

1) полезной разности температур, 2) скорости вторичного пара в трубах нагревательной камеры и его давления в паровом пространстве аппарата, 3) высоты уровня раствора над трубами и в трубах нагрева­тельной камеры, 4) концентрации раствора, 5) диаметра и длины труб нагревательной камеры и размещения труб.

_ Полезная разность температур, т. е. разность

Между температурами греющего пара и раствора (Ы), оказывает большое влияние на интенсивность циркуляции; с возрастанием At интенсивность циркуляции увеличивается. Однако, как показал К. И. Лебедев, это происходит лишь до определенного предела.

Скорость циркуляции возрастает с увеличением At в греющих тру­бах небольшой длины. В трубах, частично заполненных раствором, с увеличением их высоты и уменьшением диаметра скорость циркуляции увеличивается лишь до некоторого значения At, после чего начинает сни­жаться.

Скорость вторичного парав трубах зависит от физиче­ских свойств выпариваемого раствора; для вязких растворов принимают наименьшие скорости пара, а для пенящихся—наибольшие. С увеличе­нием скорости вторичного пара скорость циркуляции возрастает.

Давление вторичного пара в паровом про­странстве аппарата имеет существенное значение для повыше­ния интенсивности работы выпарного аппарата, так как при увеличении давления повышается температура кипения раствора и, следовательно, уменьшается его вязкость. Чем выше давление в паровом пространстве вы­парного аппарата, тем меньше температурные потери от гидростатического давления столба жидкости, так как гидростатическое давление соста­вляет небольшую долю давления в паровом пространстве.

Высота уровня раствора над трубами или в трубах аппарата также влияет на величину коэффициентов теплопередачи; по опытным данным коэффициенты теплопередачи имеют наибольшие значения, если трубки нагревательной камеры выпарного аппарата заполнены жидкостью в холодном состоянии не полностью, а при­мерно на ~—™ высоты. Поэтому нежелательно, чтобы в выпарном аппа­рате уровень жидкости был выше верха трубок.

Концентрация раствора влияет на работу выпар­ного аппарата потому, что от этого зависят удельный вес, вязкость и тепло­емкость раствора. Коэффициент теплопередачи зависит от вязкости раствора больше, чем от его удельного веса, и большие коэффициенты теплопередачи наблюдаются в процессе выпаривания разбавленных рас­творов. При выпаривании более концентрированных растворов увеличи­вается скорость отложения накипи на поверхности нагрева, что приводит к резкому ухудшению теплопередачи.

От расположения труб нагревательной ка­меры, их длины и диаметра также зависят скорость циркуляции и интен­сивность работы выпарных аппаратов.

При прочих равных условиях скорость циркуляции-жидкости в вер­тикальных выпарных аппаратах значительно выше, чем в горизонталь­ных, так как при кипении в вертикальных трубах происходит энергичный подъем жидкости вследствие образования пузырьков вторич­ного пара. В циркуляционном пространстве, в виде центральной трубы большого диаметра или кольцевого канала между стенками нагрева­тельной камеры и корпуса аппарата, жидкость протекает сверху вниз и таким образом создается замкнутый кругооборот раствора. Следует, однако, учесть, что в аппаратах с многократной циркуляцией выпари

Ваемого раствора кратность циркуляции очень велика (несколько десятков объемов раствора конечной концентрации смешиваются с одним объемом свежего раствора). Поэтому процесс протекает практически при конечной концентрации раствора, что неблагоприятно отражается на величине ко­эффициента теплопередачи и на потери температуры за счет депрессии.

Более эффективным является такое движение раствора, при кото­ром не будет происходить смешения концентрированного раствора со |слабым. Это может быть осуществлено при однократном прохождении >аствора через аппарат, т. е. при кратности циркуляции, равной единице. IB таких аппаратах выпаривание будет протекать при средней концентра­ции выпариваемого раствора, что должно способствовать увеличению ^коэффициента теплопередачи.

^ Прочие факторы, влияющие на интенсивность выпаривания. Одним из необходимых условий нормальной работы выпарных аппаратов является удаление из нагревательной камеры со­держащихся в паре воздуха и других неконден­сирующихся газов, так как даже весьма незначительная примесь неконденсирующихся газов в паре резко снижает коэффициент теплоот­дачи. Кроме того, необходимо удалять неконденсирующиеся газы из паро­вого пространства над нагревательной камерой аппарата. 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 величину коэффициента теплопередачи, что приво - 'дит к резкому уменьшению интенсивности работы выпарного аппарата; отложение накипи может также привести к значительному уменьшению свободного сечения труб и резкому снижению скорости циркуляции жидкости. Накипь удаляют из труб периодически механическим или химическим способами, для чего выпарной аппарат останавливают. Хотя такая остановка снижает производительность, однако это компенсируется восстановлением нормальной работы выпарной установки после чистки.

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