АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Конденсаторы смешения

Конструкция конденсаторов смешения. В конденсаторах смешения пар и охлаждающая вода смешиваются путем впрыскивания воды в па­ровое пространство; при этом пар отдает скрытое тепло холодной воде, нагревает ее и конденсируется.

Конденсаторы смешения могут применяться только для сжижения паров воды или других жидкостей, не представляющих ценности; в тех случаях, когда требуется выделить конденсат в чистом виде или конден­
сировать пары какой-нибудь ценной жидкости, конденсаторы смешения непригодны.

Конденсаторы смешения широко распространены в химической промышленности, так как они отличаются высокой производительностью, имеют простую конструкцию и легко могут быть защищены от коррозии.

По способу действия различают конденсаторы смешения двух ти­пов: 1) м о к р ы е и 2) с у х и е.

В мокрых конденсаторах охлаждающая вода, конденсат и газы откачиваются совместно одним мокровоздушным насосом; в сухих или барометрических конденсаторах вода и конденсат стекают самотеком по одной трубе, воздух же и газы откачива­ются из верхней части конденсатора воз­душным вакуум-насосом.

Процесс работы конденсатора сме­шения очень прост. Пар и охлаждающая вода смешиваются в герметически замк­нутом сосуде, в котором при сжижении пара создается вакуум.

Для того чтобы вода могла хорошо перемешиваться с паром и быстро погло­щать его скрытую теплоту, необходимо создать возможно большую поверхность соприкосновения ее с паром. Для этого охлаждающая вода либо р спыляется через сопла, либо стекает через борта и в отверстия горизонтальных полок.

В зависимости от взаимного напра­вления движения пара и воды различают противоточные и прямоточ­ные конденсаторы, а в зависимости от высоты расположения—конденсаторы низкого и высокого уровня.

Взаимное направление движения па­ра и жидкости в конденсаторе не имеет значения для теплообмена, так как про­цесс протекает при изменении агрегатного состояния одного из участвую­щих в теплообмене веществ (пара). Однако в противоточных конденса­торах расходуется меньше энергии на перемещение воды и удаление воз­духа, чем в прямоточных. При противотоке разность температур конден­сирующегося пара и уходящей воды равна 1—3°, а при прямотоке 5—6° и, следовательно, расход воды в прямоточных конденсаторах будет боль­шим.

В сухих противоточных конденсаторах воздух удаляется сверху, где. температура его близка к начальной температуре охлаждающей воды; при прямотоке, как правило, приходится удалять воздух, имеющий более высокую температуру и, следовательно, больший объем.

Прямоточные конденсаторы применяются главным образом для установок сравнительно небольшой производительности и в тех случаях, когда смесь воды и конденсата поступает на охлаждение (например, в градирню) и вновь используется в конденсаторе.

Известны конденсаторы разнообразной конструкции. Ниже рас­смотрены некоторые типичные аппараты.

На рис. 280 изображен сухой прямоточный конденсатор, располо­женный на низком уровне. Вода в конденсатор засасывается вследствие имеющегося в нем разрежения. Пар поступает в верхнюю часть
корпуса 1 конденсатора и смешивается с водой, распыляемой соплами 2. Конденсат и вода откачиваются центробежным насосом 3. Для сохране­ния вакуума, образующегося при конденсации пара, воздух и нескон - денсированные газы отсасываются воздушным насосом 4.

При давлении в конденсаторе 0,15 ата (в среднем) вакуум равен 8,5 м вод. ст., а остаточный напор для распыления воды в конден­саторе должен быть не менее 3,5-f3 м вод. ст. Поэтому патрубок для ввода охлаждающей воды в такой конденсатор должен быть располо­жен на высоте не более 5—

5,5 м над уровнем охлаж­дающей воды в резервуаре или бассейне.

Сухой противоточный барометрический конденса­тор (рис. 281) состоит из кор­пуса 1, снабженного полка­ми 2 для орошения водой, и барометрической трубы 3 для стока охлаждающей во­ды и конденсата. Пар посту­пает в конденсатор снизу через штуцер 4, вода подво­дится по патрубку 5 и сте­кает последовательно через отверстия борта тарелок.

Воздух отсасывается через патрубок 6 и проходит брызгоуловитель-ловушку 7 с барометрической трубой 8. В брызгоуловителе воздух меняет направление, а части­цы воды, унесенные возду - Рис. 281. Сухой проти- Рис. 282. Сухой баромет - хом из конденсатора, как бо - воточный барометриче - рический конденсатор с тяжрпыр ппопппжяют по

Ский конденсатор: кольцевыми полками: лее тяжелые, продолжают по

/—корпус; 2—полки; 3. /-корпус; 2, 3-кольце вые ИНерЦИИ ДВИГаТЬСЯ ВНИЗ И в—барометрические трубы; полки; 4—труба для ввода па - СТЄКЗЮТ ЧЄПЄЗ Tpv6v 8. OCV -

4— Штуцер для ввода пара; ра; 5—штуцер для ввода воды; „ ^ J

5— Патрубок для ввода во - б-штуцер для отсасывания шенНЫИ ВОЗДуХ ОТСаСЫВаеТСЯ ды; 6—патрубок для отса- воздуха; 7-штуцер для отво - КЯк\шм. нярпгпм

Сывания воздуха; 7—брыз - № конденсата. оап. уут na^w^yjm.

Гоулрвитель-ловушка. БарОМЄТрИЧЄСКИЄ КОН -

Денсаторы изготовляют глав­ным образом с сегментными и кольцевыми (рис. 282) полками. Наиболее часто применяют сегментные полки, так как их проще собирать и не требуется устройства центральной трубы, из-за которой уменьшаются при прочих равных условиях живое сечение и производительность кон­денсатора.

Производительность барометрических конденсаторов колеблется в пределах 250-^15 ООО кгс конденсируемого пара в час. Абсолютное да­вление в них равно обычно 0,1-^0,2 ата.

В барометрических конденсаторах расход энергии значительно меньше, чем в конденсаторах низкого уровня, так как вода в барометри­ческих конденсаторах не откачивается насосом, а удаляется самотеком через барометрическую трубу. Преимущества барометрических конден­саторов особенно заметны в тех случаях, когда отработанная вода сли­вается в канализацию и может быть создан естественный напор воды, поступающей в конденсатор.

В химической промышленности сухие барометрические конденса­торы применяются главным образом в многокорпусных выпарных уста­новках, последние корпуса которых работают под вакуумом.

Мокрые конденсаторы применяют лишь в тех случаях, когда по каким-либо причинам невозможна установка барометрической трубы.

В мокром прямоточном конденсаторе полочного типа (рис. 283) охлаждающая вода впрыскивается сверху при помощи разбрызгивателя и в виде плоских струй стекает с полки на полку. Пар движется сверху вниз параллельно воде. Конденсат, вода и не - сконденсированные газы откачиваются снизу мокровоздушным насосом.

Нагревание воды в конденсаторах смешения. Стоимость конденсации зависит в основном от двух факторов: стоимости установки и расхода охлаждающей воды и энергии. Для уменьше­ния расхода воды необходимо увеличивать размеры конденсатора, и, наоборот, умень­шение размеров конденсатора ведет к увеличению расхода воды.

В каждом конкретном случае подбирают оптимальные условия, с тем чтобы затраты на сооружение и эксплуатацию конденсационной установки были наименьшими.

Для выяснения зависимости расхода охла­ждающей воды от размеров и конструкции кон­денсатора рассмотрим процесс нагревания воды в конденсаторе.

Впрыскиваемая в конденсатор вода нагре­вается при непосредственном ее соприкосновении с паром; поэтому в равных условиях интенсив­ность теплообмена, а следовательно, и степень нагрева будут тем больше, чем больше поверх­ность соприкосновения воды с паром и чем длительнее это соприко­сновение.

Величина поверхности данного объема воды зависит от способа ее распределения в конденсаторе.

Охлаждающая вода может стекать в виде пленки, а также в виде плоских и цилиндрических струй или мелких капель. При любом способе распределения воды отношение поверхности соприкосновения к объему воды зависит от толщины и диаметра струй и капель. При одном и том же объеме поверхность будет наибольшей в том случае, когда вода вбрызгивается в конденсатор в виде отдельных капель, и наименьшей— когда вода стекает в виде пленки.

Определим продолжительность нагревания впрыскиваемой воды до заданной температуры в зависимости от формы распределения воды и толщины ее слоя.

Рассматривая процесс нагревания воды в конденсаторе смешения как неустановившийся процесс теплообмена, можно вести расчет в соот­ветствии с формулой (2—186):
туре пара в конденсаторе (принимая температуру последнего в конден­саторе практически постоянной), можно выразить равенством

А количество тепла, воспринятого каплей при прохождении ее через кон­денсатор

В этих формулах:

19Н и t2K—температура воды на входе в конденсатор и выходе из него в С;

/Нас.—температура конденсирующего пара в °С; R—радиус капли в м\ у—уд. вес воды в кгс/м3\ с—уд. теплоемкость воды в ккал/кг-°С. Подставив эти значения Q и Q0 в уравнение (2—186), получим для шара

(*2К — /2н) у V = — (4„ — *нас.) «tfV/п, ^ "S")

Или после сокращения и преобразования

To

T2K *2Н

І ___________________ / 'ШІ 1 /2

'нас. 4н \ Л 1

Для цилиндра по аналогии с только что выведенным выражением получим

'а, ах

= L-t/>1T (2—189)

(t2K - t2li) 2«= - (/2Н - /нас.) 2«/^Lrc/ц (f /,

= ^ 189а)

Для плоскости

^2К ------------------------------------------- *

И

Вместо величин а, X и а можно подставить их средние значения для пара и воды, а именно:

А = 10 ООО ккал/м2 ■ час • °С; Х = 0,52 ккал/м-часС;

А 10 000

19231;

X 0,52 X 0,52

Су Ы000

Подставив вместо радиуса l=R, выраженного в метрах, диаметр d в миллиметрах, а также время z в сек. и обозначив

He-*,и = р (2-190)

'нас. '2Н

(где р—степень нагрева), окончательно получим следующие функцио­нальные зависимости: для шара

(9,615d, 0,577^) (2-191)

Р=/ц 0,577 (2—191а)

P = fn ^19,230/, 0,144-^-j (2—1916)

Где l=o—толщина плоской струи в мм, при одностороннем обогреве, и

/ —при двухстороннем обогреве.

Значения степени нагревания воды для струй, определенные по формуле (2—190), приведены в табл. 16.

Таблица 16

Величину р для конденсатора заданных размеров или, наоборот, размеры конденсатора, в зависимости от заданного р определяют по продолжительности пребывания воды в конденсаторе. Зависимость вре­мени падения от высоты падения вычисляется для каждой ступени по формуле свободного падения тел

Z = j/?^_ceK. (2—192)

Объем воздуха, отсасываемого из конденсатора. Обшее давление в конденсаторе складывается из давления пара Рп и воздуха Рвозл>. Как отмечалось, воздух и неконденсирующиеся газы попадают в конденсатор с паром и охлаждающей водой. Количество воздуха и газов в паре зависит от свойств жидкости, из которой образовался пар, а также от плотности соединений арматуры и трубопроводов и поэтому различно в каждом отдельном случае. Количество воздуха и газов в охлаждаю­щей воде зависит от ее температуры и, следовательно, также не является постоянным.

При вводе в конденсатор воздуха и неконденсирующихся газов уменьшается парциальное давление пара и относительное содержание его в смеси. С этим связано значительное уменьшение коэффициента теплопередачи при конденсации. Поэтому необходимо непрерывно удалять воздух и неконденсирующиеся газы из конденсатора.

Можно считать, что 1 кгс воды при 0° и 760 мм рт. ст. содержит в среднем около 2% (по объему) атмосферного воздуха, что соответ­ствует содержанию 0,000025 кгс воздуха на 1 кгс воды (при уд. весе воздуха Твозд.^1.25 кгс/м3). На 1 кгс конденсирующегося пара подсасы­вается через неплотные соединения аппаратуры и коммуникаций в среднем 0,01 кгс воздуха. Исходя из этих данных, можно подсчитать объем воздуха, который необходимо отсасывать из конденсатора.

Для поверхностных конденсаторов вес отсасы­ваемого воздуха равен

GBOзд. = 0,000025D + 0,0ID 0,0ID кгс/час (2—193)

Где D—количество пара, поступающего в конденсатор, в кгс/час.

Объем воздуха, отсасываемого из конденсатора, при 0° и 760 мм рт. ст.

Квозд. = 0,001 (-J—-D + - D J м'/час

Или

Vm =0,001 (0.02D + 8D) м3/час (2—194)

Для конденсаторов смешения вес отсасываемого воз­духа равен

Свозд. = 0.000025D - f 0,000025W + 0.01D кгс/час (2 — 195)

Соответственно объем отсасываемого воздуха при 0° и 760 мм рт. ст.

VB03U. = 0,001 [0,02 (D + W) + 8D] ж/час (2—196)

При заданных температурных условиях работы конденсатора объем отсасываемого из него воздуха должен быть приведен к нормальным условиям:

^возд.^возд. ^возд.-^возд.-^

Где

Р = Р------------ Р

Возд. 1 1 п

/?во3д. =29,27 кгс-м/кгс-°К

Следовательно

Увозд. = 29'27gp^,p2y3 + 0 м-» (2-197)

В уравнении (2—197) упругость пара Рп должна соответствовать температуре £нас., по которой ее значение находится в таблицах для насыщен­ного водяного пара.

Температура отсасываемого1 воздуха tB03R. неодинакова при одних и тех же условиях для различных типов конденсаторов.

Для поверхностных конденсаторов температура '•возд. принимается равной начальной температуре охлаждающей воды,

Т. е. *В03Д. = *2Н.

Для мокрого конденсатора смешения темпера­тура tB0зд. принимается равной конечной температуре охлаждения воды

T —t 'возд. 2К -

Для сухого конденсатора смешения температура ^возд. вычисляется по эмпирической формуле

Размеры конденсаторов смешения. Диаметр конденса­тора. Внутренний диаметр конденсатора определяется по количеству конденсируемого пара и скорости протекания его.

Скорость пара зависит от формы распределения воды в конденса­торе, т. е. от величины капель или струй.

В нижней части конденсатора скорость пара не должна превышать величины, при которой капли воды могли бы увлекаться паром в верх конденсатора. Теоретически нетрудно доказать, что падение капель вниз не будет нарушено, если давление пара на падающую в свободном объеме каплю не будет превышать удвоенного веса капли. При наличии полок максимальная скорость пара может лишь несколько превышать ту скорость, при которой его давление равно весу капли. WJ Для интервала давлений 0,1—0,2 ата расчетная скорость пара может быть принята 35ч - 55 м/сек.

Обозначим:

D—количество конденсируемого пара в кгс/час\ vn—удельный объем пара в м3/кгс\

—скорость пара в конденсаторе в м/сек\ dK—внутренний диаметр конденсатора в м.

Обычно расчетную производительность конденсатора принимают в полтора раза большей его действительной производительности. Тогда площадь свободного сечения конденсатора равенства

Р __ ^к __ 1, 5Dvn К~ 4 3600шп

Откуда диаметр конденсатора:

DK=0,023l/^ ж (2-198)

Г wn

Размеры полок. Для того чтобы вода пере­ливалась по полкам конденсатора, с сохранением при этом достаточного прохода для пара, принимают ши­рину а полки (рис. 284)

А=-^-+50мм (2—199)

Диаметр отверстий в полках конденсатора и число их выбирают, исходя из величины потребной поверхности теплообмена струй и капель воды с паром; вместе с тем предусматривают, чтобы отверстия не были слишком малы и не забивались, а также чтобы они могли пропустить большую часть охлаждающей воды; остальная вода должна стекать в виде сплошной водяной завесы через борта полок.

Обычно принимают диаметр отверстия 2 мм для чистой воды и 5 мм для загрязненной; высоту борта полки принимают 40 мм.

Суммарная площадь отверстий, приходящаяся на всю площадь

Поперечного сечения конденсатора, т. е. на каждые две его полки, равна

<2-200>

Где W—расход воды в м3/час\

Wc—скорость струй воды в м/сек.

26 а. Г. Касаткин.

Расход воды W зависит от количества конденсирующегося пара и колеблется обычно в пределах от 15 до 60 D.

Скорость wc струй при высоте борта полки 40 мм может быть принята равной —0,62 м/сек.

Принимая шахматное расположение отверстий под углом 60°, можно определить шаг отверстий по формуле

T = 0,866с? (2—201)

\ 'к

Где d—диаметр отверстия в мм;

-j-------------- отношение суммарного сечения отверстий к сечению кон-

/ к

Денсатора, равное для приведенных выше расходов во­ды 0,025—0,1.

Высота конденсатора. Среднее расстояние между полками и суммарную полезную высоту конденсатора выбирают, исходя из принятого повышения температуры воды и продолжительности ее пребы­вания в конденсаторе.

Продолжительность пребывания воды в конденсаторе определяют по его высоте и скорости падения струй, которая зависит главным образом от расстояния между полками.

Обычно задаются высотой конденсатора и расстоянием между полками и проверяют, достигается ли при этом необходимый нагрев воды.

Практически вода в конденсаторе нагревается на 10-^40°; при этом нагрев воды на 10° соответствует расходу ее W—60D, нагрев на 20° соответствует W=30D и на 40° соответствует W— 15D.

Расчеты по формулам (2—191) показывают, что среднее расстояние между тарелками может быть принято 400 мм, расстояние между сту­пенями (считая ступенью каждые две смежные тарелки) 800 мм и число тарелок п—6-~7; при этом вода нагревается на 10^-20° (в кон­денсаторах, имеющих полки с отверстиями диаметром 2, 3 и 5 мм). Та­ким образом, средняя полезная высота конденсатора может быть при­нята //^2400 мм.

Вследствие того что по мере продвижения пара вверх объем его постепенно уменьшается, расстояния между тарелками целесообразно уменьшить по направлению снизу вверх на <~50 мм.

По нормалям Главхиммаша барометрические конденсаторы имеют наружный диаметр 500, 600, 800, 1000, 1200, 1600 и 2000 мм.

Барометрическая труба. Барометрическая труба дол­жна иметь достаточную высоту для удаления из конденсатора жидкости самотеком (при вакууме в нем). В трубе постоянно находится столб жидкости, уравновешиваютий разность между атмосферным давлением и давлением в конденсаторе.

При нормальном атмосферном давлении высота столба воды в

Трубе

Я0 = 10,33^ м (2—202)

Где Ь—разрежение в конденсаторе в мм рт. ст.

В барометрической трубе должен быть создан некоторый напор h, для того чтобы преодолеть все сопротивления и сообщить воде необходи­мую скорость движения. Если коэффициент сопротивления на входе воды

В трубу принять Cj—0,5 и на выходе С2=1, то необходимый напор А = £( 1+£;)^(2,5 + >.|-) (2-203)

Где Н—обшая высота трубы в м\

D7р.—внутренний диаметр трубы в м.

При увеличении атмосферного давления вода может залить паровой штуцер конденсатора. Поэтому высоту трубы принимают с запасом 0,5 м. Следовательно, обшая высота барометрической трубы

Н = Hq-\- h 0,5 м. (2—204)

Диаметр барометрической трубы определяют по уравнению

_ Усек. __ (Д + Ю 0,001

4 W ЗбООш

Откуда

__ -шДР+W) 0,004 (2-205)

«тр. — у 3.14.3600Ш v

Где D—производительность конденсатора по пару в кгс/час; W—расход воды в кгс/час;

W—скорость протекания воды в барометрической трубе в м/сек. Обычно диаметр барометрической трубы принимают равным диа­метру штуцера для подвода охлаждающей воды, так как количество кон­денсата незначительно по сравнению с количеством воды, орошаюшей конденсатор.

Диаметр водяного штуцера определяют, исходя из максимального расхода воды и наибольшей скорости ее, равной 2 м/сек.