книги из ГПНТБ / Попов, Н. П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений [учебное пособие]

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

Повышение температуры кипения раствора определяется не только температурой, но также гидростатической и гидравлической депрес­ сиями. Гидростатическая депрессия вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой температуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев). С повышением уровня жидкости в аппарате гидростатическая де­ прессия возрастает. В среднем она составляет 1—3 °С. Гидравличе­ ская депрессия учитывает понижение давления вторичного пара вследствие гидравлического сопротивления в паропроводах между корпусами установки. При расчетах гидравлическую депрессию принимают 1,0—1,5 °С.

Полная депрессия А равна сумме температурной А', гидростати­ ческой А" и гидравлической депрессий А '":

Д = Д '+ Л ''+ Л да (И )

Выпаривание ведут как при атмосферном, так и при пониженном или повышенном давлении. При выпаривании раствора под атмосфер­ ным давлением образующийся так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Это самый простой способ выпаривания.

При выпаривании под пониженным давлением (при разрежении) в аппарате создается вакуум. Для этого вторичный пар конденси­ руется в специальном конденсаторе, а неконденсирующиеся газы отсасываются вакуум-насосом.

Температура кипения раствора определяется по формуле:

где ^нас. в. п — температура насыщения вторичного пара.

При разрежении температура кипения растворов снижается. Поэтому вакуум-выпарку применяют для чувствительных к высокой температуре растворов, а также для высококипящих растворов, когда температура нагревающего агента не позволяет вести процесс под атмосферным давлением. Использование вакуума позволяет также увеличить разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором, а следовательно, уменьшить поверхность теплообмена. Однако вакуум-выпарные установки дороже из-за дополнительных затрат на конденсационные устройства и их обслу­ живание.

При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления и т. п., а также для различных технологйческих нужд. Выпаривание под давлением связано с повышением темпера­ туры кипения раствора, поэтому применение данного способа огра­ ничено свойствами раствора и температурой нагревающего агента.

Материальный и тепловой баланс при однократном и многократном выпаривании

Установки, состоящие из одиночного аппарата, вторичный пар из которого не используется или используется вне аппарата, назы­ ваются однокорпусными выпарными установками.

8

Большим распространением пользуются многокорпусные выпар­ ные установки. Они состоят из нескольких соединенных друг с дру­ гом аппаратов (корпусов), и давление в них понижается по направле­ нию от первого корпуса к последнему. В таких установках свежим паром можно обогревать только первый корпус; образующийся в первом корпусе вторичный пар направляется на обогрев второго корпуса, в котором давление ниже, и т. д. Вторичный пар из послед­ него корпуса поступает в конденсатор (если этот корпус работает при разрежении) или используется вне установки (если последний корпус работает при повышенном давлении). Таким образом, в мно­ гокорпусных выпарных установках многократно используется одно и то же тепло (отдаваемое греющим паром в первом корпусе), что позволяет сэкономить значительное количество свежего пара.

Многократно использовать тепло можно и в однокорпусных вы­ парных установках — если компрессором или пароструйным ин­ жектором сжать вторичный пар до такого давления, чтобы его тем­ пература позволила применять его для обогрева того же аппарата, где он образовался (установки с тепловым насосом).

Материальный баланс

Обозначим начальное (до выпарки) и конечное (после выпарки) количество раствора (в кг) через С?нач и 6?кон, его начальную и конеч­ ную концентрацию (в весовых долях) через Ьна, и Ькоя и количество выпаренной воды (в кг) через W . Тогда можно написать уравнение материального баланса по всему количеству вещества:

и по растворенному веществу:

В случае выпаривания в многокорпусной установке общее коли­ чество выпаренной воды, очевидно, равно сумме количеств воды,

венно, в первом, втором и последнем' корпусах, кг/ч.

9