Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тепломассообменное оборудование.
Билет№1,13,23
1. Назначение, принцип действия и классификация теплообменных аппаратов.
Теплообменник - устройство, с помощью которого теплота передается от одних тел к другим. Нагреваемые и охлаждаемые тела называют теплоносителями или рабочими телами. С одним теплообменником может быть связано два или более теплоносителей.
Процесс теплообмена может сопровождаться нагреванием или охлаждением теплоносителя. Возможна передача теплоты при неизменной температуре одного или обоих теплоносителей (конденсация, кипение, испарение, плавление, затвердевание, сублимация). Возможна комбинация этих процессов в теплообменном аппарате, а также одновременное осуществление других более сложных процессов, обусловленных технологией или сопутствующими ей процессами, например растворением, кристаллизацией, сушкой, химическими реакциями и др.
1. По принципу действия:
- смесительные (контактные). В этих теплообменниках происходит непосредственное соприкосновение и смешение горячего и холодного теплоносителей.
Примерами такого теплообменника могут служить брызгальный бассейн, где теплая вода разбрызгивается в атмосферном воздухе, соприкасается с ним, охлаждается и частично испаряется; или градирня, в частности, струйно-капельного типа, где вода падает дождем внутри башни, а воздух, охлаждая ее, нагревается и благодаря возникшей за счет нагрева самотяги устремляется вверх (однако градирни бывают не только с естественной тягой, но и вентиляторные, где более интенсивное движение воздуха достигается с помощью вентилятора); или деаэраторы (деаэратор - это устройство для термического удаления газов (воздуха) из жидкого теплоносителя), которые подобно градирням могут быть либо пленочного типа - вода стекает пленкой по специальным поверхностям для стока.
- поверхностные. В теплообмене участвует поверхность твердого тела, которую иногда вполне строго можно назвать промежуточным теплоносителем; поверхностные теплообменники в свою очередь делятся на: рекуперативные - с непрерывным теплообменом через разделяющую стенку.
регенеративные. Это теплообменники с двухпериодным попеременным теплообменом через теплоаккумулирующую и теплопередающую насадки. Примером могут служить воздухоподогреватели современных мощных котлов, где вращающийся ротор с металлической насадкой вначале омывается горячими газами, а затем - холодным воздухом.
3. По схеме движения теплоносителей: прямоточные; противоточные; с перекрестным током; комбинированные (комбинация прямотока с противотоком); с многократным перекрестным током.
4. По роду теплоносителей: водо-водяные; пароводяные; водовоздушные; газовоздушные;
масловоздушные - здесь для интенсификации охлаждения трансформаторного масла воздухом применен вентиляторный обдув поверхностей теплообмена, и т. д.
5. По роду материала, из которого выполнены элементы теплообменника: стальные теплообменники; чугунные теплообменники - более устойчивы против коррозии и относительно дешевы, но по прочности и технологичности чугун уступает стали;
6. По роду теплообменных поверхностей:
гладкотрубные. Эти теплообменники наиболее распространены. В свою очередь, гладкие трубы могут быть прямыми, U-образными, спиральными, змеевиковой формы и других форм.
ребристые или ошипованные теплообменники. Оребрение применяют, когда коэффициент теплоотдачи одного из теплоносителей значительно меньше, чем второго;
Пластинчатые теплообменники применяют, когда коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон поверхностей нагрева приблизительно одинаковы.
7. По числу ходов теплоносителя: одноходовые и многоходовые.
8. По компоновке поверхностей нагрева: труба в трубе, кожухотрубные, без ограничивающего корпуса оросительные.
2. Сушка. Равновесие при сушке. Формы связи влаги с материалом. Материальный и тепловой баланс сушки.
Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменьшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.
Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т. е. с помощью тепловой сушки.
По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Как будет показано ниже, удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообменa).
По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:
1) конвективная сушка - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);
2) контактная сушка - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;
3) радиационная сушка - путем передачи тепла инфракрасными лучами;
4) диэлектрическая сушка - путем нагревания в поле токов высокой частоты.
5) сублимационная сушка - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.
Равновесие при сушке
Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса:
1) сушка (десорбция влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала рМ, превышающим его парциальное давление в воздухе или газе рП, т. е. при рМ > рП;
2) увлажнение (сорбция влаги материалом) при рМ < рП .
В процессе сушки величина рМ уменьшается и приближается к пределу рМ = рП. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью Р.
Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом рП или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха [см. выражение (3)] и определяется опытным путем.
Для этой цели навеска высушиваемого материала помещается в среду с различной относительной влажностью при t = const и периодически взвешивается. Влажность материала при достижении им постоянной массы является равновесной. Обычно навески доводят до постоянной массы в эксикаторе с растворами серной кислоты различной концентрации и получают зависимость Р от (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость равновесной влажности материала от относительной влажности воздуха:
1 - изотерма десорбции; 2 - изотерма сорбции.
Зависимость Р = f() устанавливается при постоянной температуре и, таким образом, является изотермой. Кривая 1 на рис. 3 получена при испарении (десорбции) влаги из материала, т. е. при его сушке и называется изотермой десорбции. Вышерасположенная кривая 2, полученная при обратном процессе - увлажнении высушенного материала - называется изотермой сорбции.
Расхождение кривых 1 и 2 (гистерезис) указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности воздуха величина при увлажнении материала должна быть больше, чем при сушке последнего Вероятной причиной гистерезиса являются попадание воздуха в капилляры высушенного материала и его сорбция стенками капилляров. В результате этого при последующем увлажнении материала уменьшается его смачиваемость влагой и для вытеснения воздуха из капилляров требуется большее парциальное давление водяного пара или большая величина (изотерма сорбции 2 расположена выше изотермы 1).
Формы связи влаги с материалом.
Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается.
П. А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая.
Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из материала при сушке.
В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров (капилляров со средним радиусом приблизительно больше и меньше 10-5 см). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами.
Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов.
Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют в более широком смысле на свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. Следовательно, при наличии в материале свободной влаги рМ = рН, где рН - давление насыщенного пара воды над ее свободной поверхностью. Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения воды со свободной поверхности рМ < рН.
Материальный и тепловой балансы сушки
Материальный баланс сушки. Баланс по высушиваемому материалу является общим для конвективной, контактной и других видов сушки. Для составления баланса обозначим
G1 - количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч;
G2 - количество высушенного материала, кг/ч,
1 и 2 - начальная и конечная влажность материала соответственно (считая на общую массу материала), %;
W - количество влаги, удаляемой из материала при сушке, кг/ч.
Тогда материальный баланс будет иметь следующий вид:
по всему материалу, подвергаемому сушке
G1 = G2 + W (28)
по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале
(29)
Из уравнения (29) следует:
(30)
и
(31)
Обычно целью составления материального баланса является определение количества влаги W, удаляемой при сушке. Из уравнения (28)
находим
W = G1 - G2 (32)
Подставляя в выражение (32) значение G2 из уравнения (31), получим
(33)
При подстановке в выражение (32) значения G1 по уравнению (30) определим количество удаляемой влаги:
(34)
Если количество влаги W известно, то из уравнения (34) можно определить количество высушенного материала G2.
Уравнения (33) и (34) являются основными уравнениями материального баланса процессов сушки.
Влажность материала часто бывает удобно выражать по отношению к массе не всего материала, а к массе содержащегося в нем сухого вещества. В этом случае, пользуясь зависимостью (27), заменяют величины 1 и 2 в уравнении (33) на и соответственно. При этом получим
(35)
При расчете конвективных сушилок помимо баланса по высушиваемому материалу составляется материальный баланс по влаге, из которого находят расход сухого воздуха на сушку.
Рассмотрим основную схему процессов конвективной сушки на примере воздушной сушилки, в которой воздух нагревается только в подогревателе (калорифере) перед сушилкой и однократно проходит через сушилку. Принцип устройства такой сушилки соответствует схеме на рис. 5 при условии, что отсутствует дополнительный подогреватель воздуха, показанный на рисунке.
Пусть на сушку поступает воздух с влагосодержанием х0 кг/кг сухого воздуха, причем расход абсолютно сухого воздуха составляет L кг/ч. Из сушилки (при отсутствии потерь воздуха) выходит такое же количество абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до х2 кг/кг сухого воздуха. Количество влаги, испаряющейся из материала в сушилке, составляет W кг/ч. Тогда материальный баланс по влаге будет иметь вид:
L x0 + W = L x2 (36)
Рис. 5. Принципиальная схема конвективной сушилки
непрерывного действия (основной вариант процесса сушки).
Из уравнения баланса определяем расход абсолютно сухого воздуха на сушку
(37)
Удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги равен соответственно
(38)
Обозначим влагосодержание воздуха, нагретого в калорифере и поступающего в сушилку, через х1 кг/кг сухого воздуха. Проходя через калорифер, воздух не поглощает и не отдает влаги, поэтому его влагосодержание остается постоянным, т. е. х1 = х0. Соответственно уравнения (37) и (38) могут быть записаны в виде
(39)
и
(40)
Следует иметь в виду, что влагосодержание наружного воздуха х0 в среднем летом выше, чем зимой. Величина х0 входит как вычитаемое в знаменатель правой части уравнения (38). Следовательно, расчет удельного расхода воздуха (и соответственно подбор калориферов для его нагрева) надо вести по наибольшей величине х0 в летних условиях для того географического пункта, в котором должна работать сушилка Средние статистические данные о величинах х0 в летнее и зимнее время года для различных городов СССР приводятся в справочных таблицах.
Тепловой баланс сушилок. Рассмотрим тепловые балансы наиболее распространенных конвективных и контактных сушилок.
Конвективные сушилки. Для составления типового теплового баланса конвективной сушилки воспользуемся ее общей схемой, приведенной на рис. 5.
Пусть на сушку поступает Gx кг/ч исходного материала, имеющего температуру §г °С. В сушилке из материала испаряется W кг/ч влаги и из сушилки удаляется G2 кг/ч высушенного материала при температуре 02 °С. Обозначим удельную теплоемкость высушенного материала сы дж/(кг-град) и теплоемкость влаги св дж/(кг-град) [для воды св = — 4,19 кдж/(кг-град) или 1 ккал!(кг-град)\.
В сушилку подается влажный воздух (сушильный агент), содержащий L кг/ч абсолютно сухого воздуха. Перед калорифером воздух имеет энтальпию /0 дж/кг сухого воздуха; после нагрева, т. е. на входе в сушилку, J энтальпия воздуха повышается до 1г дж/кг сухого воздуха. В процессе сушки в результате передачи тепла материалу, поглощения испаряющейся из материала влаги и потерь тепла в окружающую среду энтальпия воздуха изменяется и на выходе из сушилки энтальпия отработанного воздуха равна /2 дж/кг сухого воздуха.
При составлении теплового баланса следует учитывать, что в сушилке могут быть транспортные устройства, на которых находится высушиваемый материал (например, вагонетки и т. п.). Пусть масса этих устройств GT кг, удельная теплоемкость их материала сТ дж/(кг-град), температура на входе в сушилку tTH. В сушилке температура транспортных устройств возрастает и достигает tTK на выходе из сушилки.
Билет№2,17
1. Подготовка воды для рекуперативных теплообменных аппаратов.
Длительная бесперебойная эксплуатация современного теплоэнергетического оборудования в значительной степени определяется интенсивностью процессов накипеобразования и образования отложений на поверхностях нагрева водоподогревательного и парообразующего оборудования, уноса солей, кремниевой кислоты и окислов металлов паром из испаряемой воды, образования в проточной части паровых турбин отложений из перешедших в пар примесей воды и коррозии металла.
В ходе подготовки воды для теплообменных аппаратов проводят:
1. Очистку воды от механических примесей.
2. Удаление из воды кислорода (деаэрация).
3. Умягчение воды (удаление солей кальция и магния).
4. Очистка циркулирующей в теплообменнике воды от примесей.
В воде, циркулирующей в теплоэнергетических установках, примеси появляются в основном следующим образом.
1. Примеси поступают с добавочной водой, которая восполняет потери воды, циркулирующей в установке. Добавка воды на конденсационных электростанциях составляет 2-4% воды, питающей котлы, а на ТЭЦ обычно колеблется в пределах 20-50%. Вода после очистки содержит больше примесей, чем основной конденсат, возвращаемый повторно в котел для получения из него пара.
2. Примеси поступают с присосами воды и воздуха через неплотности, например, в конденсаторах турбин, сетевых подогревателях, подогревателях низкого давления системы регенерации теплоты, конденсатных насосах.
3. Примеси образуются внутри контура циркуляции в результате коррозии железа, меди, хрома, никеля и других металлов.
4. Примеси поступают с реагентами, добавляемыми в циркуляционный контур установки. Например, в котловую воду нередко добавляют фосфаты для ее умягчения, а в питательную воду добавляют гидразингидрат для предотвращения кислородной коррозии, а также для уменьшения переноса медистых отложений с внутренней поверхности парообразующих труб в турбину.
2. Ректификация. Сущность процесса. Конструкции ректификационных установок.
Перегонка жидкостей представляет собой процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. В результате получают жидкость-конденсат, состав которой отличается от состава начальной смеси. Повторяя много раз процессы испарения конденсата и конденсации, можно практически полностью разделить исходную смесь на чистые составные части (компоненты).
Процесс перегонки основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различным давлением (упругостью) пара при одной и той же температуре. Поэтому состав пара, а, следовательно, и состав жидкости, получающейся при конденсации пара, будут несколько отличаться от состава начальной смеси: легколетучего (или низкокипящего - НК) компонента в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. Очевидно, что в неиспарившейся жидкости концентрация труднолетучего (или высококипящего - ВК) компонента при этом должна увеличиться.
В простейшем случае перегонка почти не отличается от выпарки. Но выпарке подвергаются растворы, состоящие из летучего растворителя и практически нелетучего растворенного вещества, а при перегонке в пар переходят и растворитель и растворенное вещество.
Принцип ректификации.
Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t - х - у - диаграммы (рис. 1).
Рис. 1. Изображение процесса разделения бинарной смеси путем ректификации на диаграмме t-х-у.
Нагрев исходную смесь состава х1 до температуры кипения, получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х2 обогащенную НК (х2 > х1). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t2, получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х3, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.
Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости х4, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из ВК.
В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров), и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.
При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду. Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах - ректификационных колоннах.
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.
При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами, пар несколько обогащается НК, а жидкость - ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.
Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
Схемы ректификационных установок для разделения бинарных смесей
Непрерывно действующие установки. Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (рис. 2), которые наиболее широко применяются в промышленности.
Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т. е. является выносным (как показано на рисунке 2), либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
Рис. 2. Схема непрерывно действующей ректификационной установки:
1 - ректификационная колонна (а - укрепляющая часть, б - исчерпывающая часть), 2 - кипятильник; 3 - дефлегматор, 4 - делитель флегмы, 5 - подогреватель исходной смеси, 6 - холодильник дистиллята (или холодильник конденсатор), 7 - холодильник остатка (или нижнего продукта), 8, 9 - сборники, 10 - насосы
Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием HK y1 > x1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав х2, содержит больше НК, чем на первой (х2 > x1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 < t1). Соприкасаясь с ней, пар состава у1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у2 > х2, и т. д.
Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низко-кипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую, нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 16 (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике € направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.
Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая - остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8
На рис. 2 приведена лишь принципиальная схема непрерывно действующей ректификационной установки. Такие установки оснащаются необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях Путем автоматического регулирования сводятся к минимуму колебания количества, состава и температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей воды
Билет№3,22
1. Тепловой расчет рекуперативных теплообменных аппаратов.
При проектировании новых аппаратов целью расчета является определение поверхности нагрева. Если же последняя известна, то целью расчета является установление режима работы аппарата и определение конечной (или начальной) температуры рабочих жидкостей. В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются следующие:
уравнение теплообмена
Q = kF(t1 - t2), ккал/час
где k - коэффициент теплопередачи;
F – площадь поверхности теплообмена;
t1 и t2 - начальная и конечная температуры.
и уравнение теплового баланса
Q = 1 f1 1 cp1 (t1 / - t1 //) = 2 f2 2 cp2 (t2 // - t2 /) ккал/час.
где - часовая скорость жидкости, м\час;
f – площадь проходного сечения трубки теплообменного аппарата;
- удельный вес вещества, проходящего по теплообменному аппарату;
f - массовый расход;
cp – массовая удельная теплоемкость;
Здесь и ниже индекс (1) означает, что величины относятся к горячей жидкости, а индекс (2) - к холодной. Вторым индексом ( / ) обозначается температура при входе, а индексом ( // ) - при выходе рабочей жидкости из аппарата.
При выводе расчетных формул теплопередачи было принято, что в любой точке теплообменного устройства температура рабочей жидкости остается постоянной. Однако, это положение справедливо лишь при кипении жидкости и конденсации паров. В общем же случае температура рабочих жидкостей в теплообменниках изменяется - горячая охлаждается, а холодная нагревается.
2. Материальный и тепловой балансы сушки.
Материальный баланс сушки. Баланс по высушиваемому материалу является общим для конвективной, контактной и других видов сушки. Для составления баланса обозначим
G1 - количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч;
G2 - количество высушенного материала, кг/ч,
1 и 2 - начальная и конечная влажность материала соответственно (считая на общую массу материала), %;
W - количество влаги, удаляемой из материала при сушке, кг/ч.
Тогда материальный баланс будет иметь следующий вид:
по всему материалу, подвергаемому сушке
G1 = G2 + W (28)
по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале
(29)
Из уравнения (29) следует:
(30)
и
(31)
Обычно целью составления материального баланса является определение количества влаги W, удаляемой при сушке. Из уравнения (28)
находим
W = G1 - G2 (32)
Подставляя в выражение (32) значение G2 из уравнения (31), получим
(33)
При подстановке в выражение (32) значения G1 по уравнению (30) определим количество удаляемой влаги:
(34)
Если количество влаги W известно, то из уравнения (34) можно определить количество высушенного материала G2.
Уравнения (33) и (34) являются основными уравнениями материального баланса процессов сушки.
Влажность материала часто бывает удобно выражать по отношению к массе не всего материала, а к массе содержащегося в нем сухого вещества. В этом случае, пользуясь зависимостью (27), заменяют величины 1 и 2 в уравнении (33) на и соответственно. При этом получим
(35)
При расчете конвективных сушилок помимо баланса по высушиваемому материалу составляется материальный баланс по влаге, из которого находят расход сухого воздуха на сушку.
Рассмотрим основную схему процессов конвективной сушки на примере воздушной сушилки, в которой воздух нагревается только в подогревателе (калорифере) перед сушилкой и однократно проходит через сушилку. Принцип устройства такой сушилки соответствует схеме на рис. 5 при условии, что отсутствует дополнительный подогреватель воздуха, показанный на рисунке.
Пусть на сушку поступает воздух с влагосодержанием х0 кг/кг сухого воздуха, причем расход абсолютно сухого воздуха составляет L кг/ч. Из сушилки (при отсутствии потерь воздуха) выходит такое же количество абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до х2 кг/кг сухого воздуха. Количество влаги, испаряющейся из материала в сушилке, составляет W кг/ч. Тогда материальный баланс по влаге будет иметь вид:
L x0 + W = L x2 (36)
Рис. 5. Принципиальная схема конвективной сушилки
непрерывного действия (основной вариант процесса сушки).
Из уравнения баланса определяем расход абсолютно сухого воздуха на сушку
(37)
Удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги равен соответственно
(38)
Обозначим влагосодержание воздуха, нагретого в калорифере и поступающего в сушилку, через х1 кг/кг сухого воздуха. Проходя через калорифер, воздух не поглощает и не отдает влаги, поэтому его влагосодержание остается постоянным, т. е. х1 = х0. Соответственно уравнения (37) и (38) могут быть записаны в виде
(39)
и
(40)
Следует иметь в виду, что влагосодержание наружного воздуха х0 в среднем летом выше, чем зимой. Величина х0 входит как вычитаемое в знаменатель правой части уравнения (38). Следовательно, расчет удельного расхода воздуха (и соответственно подбор калориферов для его нагрева) надо вести по наибольшей величине х0 в летних условиях для того географического пункта, в котором должна работать сушилка Средние статистические данные о величинах х0 в летнее и зимнее время года для различных городов СССР приводятся в справочных таблицах.
Тепловой баланс сушилок. Рассмотрим тепловые балансы наиболее распространенных конвективных и контактных сушилок.
Конвективные сушилки. Для составления типового теплового баланса конвективной сушилки воспользуемся ее общей схемой, приведенной на рис. 5.
Пусть на сушку поступает Gx кг/ч исходного материала, имеющего температуру §г °С. В сушилке из материала испаряется W кг/ч влаги и из сушилки удаляется G2 кг/ч высушенного материала при температуре 02 °С. Обозначим удельную теплоемкость высушенного материала сы дж/(кг-град) и теплоемкость влаги св дж/(кг-град) [для воды св = — 4,19 кдж/(кг-град) или 1 ккал!(кг-град)\.
В сушилку подается влажный воздух (сушильный агент), содержащий L кг/ч абсолютно сухого воздуха. Перед калорифером воздух имеет энтальпию /0 дж/кг сухого воздуха; после нагрева, т. е. на входе в сушилку, J энтальпия воздуха повышается до 1г дж/кг сухого воздуха. В процессе сушки в результате передачи тепла материалу, поглощения испаряющейся из материала влаги и потерь тепла в окружающую среду энтальпия воздуха изменяется и на выходе из сушилки энтальпия отработанного воздуха равна /2 дж/кг сухого воздуха.
При составлении теплового баланса следует учитывать, что в сушилке могут быть транспортные устройства, на которых находится высушиваемый материал (например, вагонетки и т. п.). Пусть масса этих устройств GT кг, удельная теплоемкость их материала сТ дж/(кг-град), температура на входе в сушилку tTH. В сушилке температура транспортных устройств возрастает и достигает tTK на выходе из сушилки.
Билет№4
1. Гидравлический расчет рекуперативных теплообменных аппаратов.
При проектировании теплообменных аппаратов очень большое значение имеет правильное представление о характере движения рабочих жидкостей.
При течении жидкости всегда возникают сопротивления, препятствующие движению. На преодоление этих сопротивлении затрачивается механическая энергия потока, которую можно и принято выражать в виде перепада давления р кг/м2. В зависимости от природы возникновения сопротивления разделяются на сопротивления трения и местные сопротивления.
Гидравлическое сопротивление трения обусловливается вязкостью жидкости и проявляется лишь в местах безотрывочного движения жидкости вдоль твердой стенки. Кроме того, сопротивление зависит от скорости .
В практических расчетах сопротивление трения определяется по формуле Дарси:
где - средняя скорость движения жидкости, м/сек; - плотность жидкости, кг/м3; l - длина канала, м; d - эквивалентный диаметр его сечения, м; - коэффициент сопротивления трения, величина безразмерная, при изотермическом движении жидкости = f(Re).
Местные сопротивления обусловливаются вихреобразованием в местах изменения сечения канала и преодоления отдельных препятствий, например, при входе, выходе, сужении, расширении, повороте и т. д. Местные сопротивления определяются по следующей формуле:
,
где - коэффициент местного сопротивления.
При определении полного сопротивления какого-либо устройства в технических расчетах принято суммировать отдельные сопротивления и считать, что . Такой способ расчета основан на допущении, что сопротивление последовательно включенных элементов равно сумме их отдельных сопротивлений. В действительности это не так, сопротивление каждого элемента зависит от характера движения жидкости в предшествующих участках. В частности, например, сопротивление прямого участка за поворотом значительно выше, чем сопротивление такого же прямого участка перед поворотом. Точно влияние этих факторов может быть установлено лишь из опыта.
При неизотермическом движении теплоносителей движение становится неравномерным вследствие изменения их плотности, а вместе с тем и скорости. Это вызывает дополнительную потерю давления на ускорение рt, которая равна:
Здесь индексом 1 отмечены величины, отнесенные к температуре в начальном сечении, индексом 2 - в конечном и индексом f к средней температуре газа. В случае нагревания газа рt положительно, в случае же охлаждения - рt отрицательно.
При неизотермическом движении должно также учитываться сопротивление самотяги, возникающее вследствие того, что вынужденному движению нагретой жидкости в нисходящих участках канала противодействует подъемная сила направленная вверх.
Подъемная сила и равное ей по величине сопротивление самотяги определяются следующим соотношением:
, кг/м3
где 0 - удельный вес холодной жидкости, например, окружающего воздуха, кг/м3;
- удельный вес нагретой жидкости, например, дымовых газов, кг\м3;
h - высота канала-газохода, м.
При нисходящем движении нагретой жидкости значение рс из формулы является дополнительным сопротивлением канала, при восходящем же движении нагретой жидкости сопротивление канала уменьшается на величину рс. Общее сопротивление самотяги определяется как разность между значениями подъемной силы во всех нисходящих и восходящих каналах.
Таким образом, полное гидравлическое сопротивление теплообменных устройств равно:
2. Конструкции адсорберов. Виды адсорбентов.
Под адсорбцией мы будем понимать процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсорбата, или адсорбтива.
Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции, вследствие того, что извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким поглотителем.
Адсорбция применяется главным образом при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация поглощаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.
Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами (рекуперация летучих растворителей) и т. д.
В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты имеют различные по диаметру капиллярные каналы - поры, которые условно могут быть разделены на макропоры (более 210-4 мм), переходные поры (610-6-210-4 мм), микропоры (210-6-610-6 мм). Характер процесса адсорбции определяется размером пор.
Активные угли. Высокопористые активные угли получают путем сухой перегонки различных углеродсодержащих веществ (дерева, костей и др.) и активирования полученных углей для повышения их пористости.
Удельная поверхность активных углей колеблется от 600 до 1700 м2/г. Активные угли лучше поглощают пары органических веществ. Они применяются обычно для рекуперации летучих растворителей. Недостатком активных углей является их горючесть.
Силикагели. Эти адсорбенты представляют собой продукты обезвоживания геля кремневой кислоты, получаемые путем обработки раствора силиката натрия (растворимого стекла) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Удельная поверхность силикагелей изменяется от 400 до 770 м2/г. Размер гранул колеблется от 0,2 до 7 мм, насыпная плотность составляет 100-800 кг/м3.
Силикагели применяются главным образом для осушки газов. Поглотительная способность силикагелей по отношению к парам органических веществ сильно снижается в присутствии влаги. Достоинством силикагелей является их негорючесть и большая механическая прочность, чем у активных углей.
Цеолиты. Эти адсорбенты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами катионов элементов первой и второй групп периодической системы Д. И. Менделеева. В качестве промышленных адсорбентов применяются главным образом искусственные (синтетические) цеолиты. Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и являются высокоэффективными адсорбентами для осушки и очистки газов и жидкостей, в частности для глубокой осушки газов, содержащих небольшие количества влаги. Размер гранул цеолитов составляет от 2 до 5 мм.
Иониты. Эти адсорбенты представляют собой как природные, так и синтетические неорганические и органические вещества. К природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, ископаемые угли и др. Иониты практически нерастворимы в воде.
Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента. Наибольшее распространение в промышленности находят вертикальные и горизонтальные адсорбционные аппараты с неподвижным слоем (рис. 5).
Рис. 5. Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента:
а - вертикальный; б - горизонтальный;
1 - корпуса; 2 - опорно-распределительные решетки;
3 - люки для выгрузки адсорбента; 4 - люки для загрузки адсорбента
Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента являются аппаратами периодического действия. Вертикальный и горизонтальный адсорберы имеют корпус 1 со слоем адсорбента, находящимся на опорно-распределительной решетке 2. Исходная газовая смесь проходит через слой адсорбента сверху вниз. При десорбции водяным паром его подают через нижний штуцер, конденсат отводится через штуцер в днище, а пар вместе с десорбированным веществом уходит через штуцер в крышке. Загрузка и выгрузка адсорбента производятся через люки 4 и 3.
Адсорберы с псевдоожиженным и плотно движущимся слоем адсорбента. Периодичность работы каждого адсорбера в установках, включающих аппараты с неподвижным слоем, делает их громоздкими (за исключением короткоцикловых) и создает трудности при их автоматизации. Этих недостатков лишены адсорберы непрерывного действия с псевдоожиженным и плотным движущимся слоем адсорбента. Внедрение этих установок в промышленность сдерживается из-за недостаточной прочности адсорбентов, подвергающихся в псевдоожиженном и движущемся слоях интенсивному измельчению.
Аппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента в целях снижения продольного перемешивания секционированы по высоте. Их устройство аналогично барботажным тарельчатым колоннам.
Многоступенчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем (рис. 8) состоит из ряда секций, расположенных в цилиндрическом корпусе 1.
|
Рис. 8. Многоступенчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем: 1 - корпус; 2 - распределительные решетки; 3 - переточная труба; 4 - затвор-регулятор Секции разделены распределительными решетками 2 Адсорбент входит в аппарат через верхнюю трубу и далее по переточным трубам 3 движется противотоком по отношению к сплошной фазе, подаваемой снизу и отводимой сверху. Отвод твердой фазы из аппарата производится с помощью затвора-регулятора 4. |
Билет№5,24
1. Прочностной расчет корпуса цилиндрического рекуперативного теплообменного аппарата.
Теплообменные аппараты на основании теории упругости рассчитывают по предельным напряжениям, которые могут выдержать нагруженные детали, не выходя из строя.
Если при соединении разных оболочек вращения применяются плавные переходы по толщине и по геометрической форме, то при расчете оболочек можно использовать формулы безмоментной (мембранной) теории.
Тонкостенными считают обечайки корпусов теплообменников с толщиной стенки, не превышающей 20% внутреннего диаметра цилиндра.
Давление внутри цилиндрического корпуса одинаково во всех его точках.
Для безмоментной (мембранной) теории расчета тонкостенных оболочек, учитывающей влияние только растягивающих напряжений вычисляют следующие напряжения.
1) кольцевые мембранные растягивающие напряжения, действующие по направлению касательной к окружности среднего цилиндра
; (8.3)
2) меридиональные мембранные растягивающие напряжения, действующие вдоль образующей среднего цилиндра
; (8.4)
3) радиальные сжимающие напряжения на внутренней поверхности, действующие в направлении радиуса цилиндра
; (8.5)
Здесь р - внутреннее избыточное давление в цилиндре.
С помощью выражения (8.3) можно вычислить необходимую расчетную толщину s' стенки бесшовной цилиндрической обечайки, если вместо 1 подставить [], а при расчете сварной обечайки - [], где - коэффициент прочности сварного шва (отношение прочности шва к прочности целого листа). Он зависит от вида сварки и изменяется от 1,0 до 0,7.
В расчетной практике к вычисленной толщине стенки s' добавляют конструкторскую прибавку с. Таким образом
; (8.6)
Конструкторская прибавка
с = c1 + с2 + c3,
где с1 - прибавка для компенсации минусовых допусков на толщину листа; с2 - прибавка на коррозию; с3 - технологическая или монтажная прибавка. При расчетной толщине листа s' 20 мм с1 = 1 мм, а при s' > 20 мм с= 0. Для литых аппаратов с1 = 2 мм. Величина с2 зависит от агрессивности рабочей среды, химической стойкости материала аппарата и срока его службы. Для аппаратов, изготавливаемых из углеродистых сталей и работающих в условиях атмосферной коррозии, прибавку с2 принимают в пределах 1,0 - 3,0 мм.
Прибавка с3 назначается конкретно в каждом отдельном случае. Например, для округления полученного дробного результата расчета до целого значения; для увеличения толщины стенки с целью обеспечить лучшую возможность крепления сопрягаемых элементов, для увеличения жесткости и т. п.
При поверочных расчетах аппаратов необходимо произвести расчет на пробное давление гидравлического испытания. Условие прочности в этом случае имеет вид:
(8.7)
где - предел текучести металла при температуре испытания; рг - расчетное давление при гидравлическом испытании.
2. Сушка. Формы связи влаги с материалом.
Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменьшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.
Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т. е. с помощью тепловой сушки.
По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Как будет показано ниже, удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массо-обмена (влагообменa).
По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:
1) конвективная сушка - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);
2) контактная сушка - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;
3) радиационная сушка - путем передачи тепла инфракрасными лучами;
4) диэлектрическая сушка - путем нагревания в поле токов высокой частоты.
5) сублимационная сушка - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.
Формы связи влаги с материалом.
Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается.
П. А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая.
Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из материала при сушке.
В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров (капилляров со средним радиусом приблизительно больше и меньше 10-5 см). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами.
Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов.
Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют в более широком смысле на свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. Следовательно, при наличии в материале свободной влаги рМ = рН, где рН - давление насыщенного пара воды над ее свободной поверхностью. Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения воды со свободной поверхности рМ < рН.
Билет№6,14
1. Назначение и принцип действия деаэраторов.
Деаэраторы предназначены для удаление кислорода из воды.
Деаэрация воды широко применяется в качестве основного метода борьбы с коррозией пароводяного тракта и тепломеханического оборудования тепловых электростанций, промышленных и районных отопительных котельных.
Термическая деаэрация воды основана на использовании закона растворимости газов в жидкости — закона Генри. Согласно этому закону, концентрация газа, растворенного в жидкости, зависит от концентрации того же газа в газовой или парогазовой смеси над жидкостью. Концентрация газа С в жидкости прямо пропорциональна концентрации газа СГ в газовой или парогазовой смеси. Если СГ=0, то С = 0.
Концентрация газа СГ прямо пропорциональна его парциальному давлению, рГ. Парциальное давление отдельного газа это то давление, которое он имел бы, если бы один занимал весь объем смеси газов. Общее давление газовой или парогазовой смеси р равно сумме парциальных давлений газов и паров, составляющих смесь (закон Дальтона):
р = р1 + р2 + р3+ ... + рп. (8.1)
Так как СГ прямо пропорциональна рГ , то зависимость С от СГ можно представить как зависимость С от рГ и выразить закон Генри применительно к воде так: растворимость газа в воде прямо пропорциональна его парциальному давлению над водой:
С = рГ, мг/кг, (8.2)
где - коэффициент растворимости газа в воде, мг/кг бар.
Коэффициент показывает, сколько миллиграмм газа растворяется в 1 кг воды при парциальном давлении газа в парогазовой смеси над водой, равном 1 бар.
рГ — парциальное давление газа над водой, бар.
Коэффициент растворимости газа зависит от температуры. С повышением температуры уменьшается, стало быть растворимость газа с повышением температуры также уменьшается.
На зависимости растворимости газов в воде от температуры и давления основана работа термического деаэратора. Для удаления из воды газов необходимо создать в деаэраторе температуру и давление, при которых растворимость газа станет равной нулю.
Будем нагревать воду, находящуюся в открытом сосуде под давлением атмосферного воздуха. При нагревании вода испаряется. С повышением температуры увеличивается испарение воды. При этом повышается парциальное давление водяных паров в воздухе над поверхностью воды. Поскольку общее давление над водой неизменно, то, в согласии с законом Дальтона, парциальное давление воздуха понижается, соответственно понижается и парциальное давление кислорода в воздухе. С повышением температуры уменьшается коэффициент растворимости кислорода в воде. Обращаясь к формуле (8.2), видим, что растворимость кислорода в воде при нагревании уменьшается вследствие одновременного уменьшения коэффициента растворимости и парциального давления кислорода рГ над водой. Доведем нагрев воды до температуры кипения. Как известно, при атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 °С, При этой температуре коэффициент растворимости кислорода = 24,05 мг/кгбар. Парциальное давление рГ кислорода над кипящей водой равно нулю. Следовательно, по закону Генри растворимость кислорода в воде при атмосферном давлении и температуре 100° С (состояние кипения) также равно нулю.
2. Тепловой баланс кристаллизатора.
При растворении твердого кристаллического вещества происходит поглощение тепла qКР для разрушения кристаллической решетки (теплота плавленая) и выделение тепла при химическом взаимодействии вещества с растворителем qР (образование гидратов). В зависимости от величин qКР и qР тепловой эффект кристаллизации будет положительным или отрицательным.
Помимо принятых в материальном балансе введем следующие обозначения:
iP, iKP, iM - энтальпия раствора, кристаллов и маточного раствора, кдж /кг;
iT1, iT2 - начальная и конечная энтальпия теплоносителя, кдж/кг;
iO1, iO2 - начальная и конечная энтальпия охлаждающей среды, кдж/кг;
I - энтальпия парообразного растворителя, кдж/кг,
r - теплота образования кристаллической решетки (теплота затвердевания), кдж/кг кристаллов;
q - тепловой эффект концентрирования раствора при изменении ею концентрации от bР до bM кдж,
GT, G0 - количество теплоносителя или охлаждающей среды, кг/сек.
В общем случае будем иметь:
С раствором …………………………… Q1 = GР iР
Теплота кристаллизации ……………... Q2 = GКР r
Теплота дегидратации ………………… Q3 = q GM bM
Получено от теплоносителя …………… Q4 = GТ (iT1 - iT2)
Расход тепла
С кристаллами …………………………. Q5 = GKР iKР
С маточным раствором ……………….. Q6 = GМ iМ
С парами растворителя …………………….. Q7 = W I
С охлаждающим агентом ………………….. Q8 = GО (iО2 – iО1)
Потери в окружающую среду .....…………... Q9
Тогда можно записать:
Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q7 + Q8 ± Q9
При кристаллизации с охлаждением Q4 = 0 и Q7 = 0; при кристаллизации с испарением части растворителя Q8 = 0, при вакуум-кристаллизации Q4 = 0 и Q8 = 0.
Для теплоносителя - насыщенного водяного пара (в кдж)
Q4 = D (ID – iКОНД)
где ID, iКОНД - энтальпии пара и конденсата, кдж/кг; D - расход пара, кг/сек.
Для охлаждающей среды - воздуха (в кдж/сек)
Q8 = L (I2 – I1)
где L - расход сухого воздуха, кг/сек; I1, I2 - его начальная и конечная энтальпии, кдж/ кг.
В зависимости от температурных условий потери тепла Q9 могут быть положительны или отрицательны.
Энтальпии iP, iKP, iM рассчитывают (в кдж/кг) по уравнению общего вида
i = c (t2 – t1)
в котором с - средняя теплоемкость, кдж/(кг-град);
(t2 – t1) - перепад температур (конечной и начальной).
Напряженность поверхности по испаренной влаге в воздушных кристаллизаторах в среднем можно принять 0,042 кг/(м2ч). Расчет размеров поверхности охлаждения или нагревания производится по общим правилам расчета теплообменных поверхностей.
Билет№7,16,18
1. Назначение, конструкция и принцип действия барботажного деаэратора.
Широкое распространение в промышленной энергетике получил барботажный деаэратор атмосферного давления системы Уралэнергометаллургпрома (рис 10). Химически умягченная вода через трубу 1 поступает в распределительное устройство 2, откуда в струйном потоке высотой 200 - 350 мм сливается в опускной канал барботажного устройства В. Опустившись вниз, вода меняет направление на 1800 и по каналу 4 поднимается вверх. Греющий пар подается в этот канал по перфорированной трубе 5. После многократной циркуляции вода переливается через разделительную перегородку 6 во второй барботажный отсек, также состоящий из опускного 7 и подъемного канала 8. В этот отсек подается расход пара, примерно равный расходу выпара.
Рис 10 Барботажный деаэратор Уралэнергометаллургпрома
После обработки паром вода через перегородку 9 поступает в бак-аккумулятор. Барботажное устройство и штуцер отвода деаэрированной воды размещаются у противоположных торцов бака-аккумулятора. Деаэратор обеспечивает требуемое качество деаэрированной воды при температуре исходной воды 60-80° С.
2. Ректификация. Сущность процесса.
Перегонка жидкостей представляет собой процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. В результате получают жидкость-конденсат, состав которой отличается от состава начальной смеси. Повторяя много раз процессы испарения конденсата и конденсации, можно практически полностью разделить исходную смесь на чистые составные части (компоненты).
Процесс перегонки основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различным давлением (упругостью) пара при одной и той же температуре. Поэтому состав пара, а, следовательно, и состав жидкости, получающейся при конденсации пара, будут несколько отличаться от состава начальной смеси: легколетучего (или низкокипящего - НК) компонента в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. Очевидно, что в неиспарившейся жидкости концентрация труднолетучего (или высококипящего - ВК) компонента при этом должна увеличиться.
В простейшем случае перегонка почти не отличается от выпарки. Но выпарке подвергаются растворы, состоящие из летучего растворителя и практически нелетучего растворенного вещества, а при перегонке в пар переходят и растворитель и растворенное вещество.
Принцип ректификации.
Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t - х - у - диаграммы (рис. 1).
Рис. 1. Изображение процесса разделения бинарной смеси путем ректификации на диаграмме t-х-у.
Нагрев исходную смесь состава х1 до температуры кипения, получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х2 обогащенную НК (х2 > х1). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t2, получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х3, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.
Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости х4, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из ВК.
В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров), и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.
При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду. Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах - ректификационных колоннах.
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.
При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами, пар несколько обогащается НК, а жидкость - ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.
Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
Билет№8
1. Устройства и принцип действия кристаллизаторов.
Кристаллизацией называют процесс образования твердой фазы в виде кристаллов из раствора и расплавов, а также из газов и паров.
Кристаллизация широко применяется в химической, нефтехимической, металлургической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности для решения следующих задач: выделения кристаллической фазы из растворов и расплавов, разделения смесей при однократной или многократной частичной кристаллизации, глубокой очистки веществ от примесей, выращивания монокристаллов.
Процесс кристаллизации происходит только в том случае, когда исходная фаза находится в состоянии пересыщения или переохлаждения. Пересыщенными называют такие растворы, в которых концентрация растворенного вещества выше его растворимости. Поскольку пересыщенные растворы неустойчивы, то из них выделяется избыточное количество растворенного вещества, т.е. происходит процесс кристаллизации. После прекращения выделения кристаллов раствор становится насыщенным.
Кристаллизация состоит из двух основных стадий - образования зародышей кристаллов и роста кристаллов, причем обе эти стадии обычно протекают одновременно. Если скорость образования зародышей кристаллов больше скорости их роста, то получается большое количество мелких кристаллов. Если же скорость появления зародышей кристаллов меньше скорости их роста, то образуются кристаллы больших размеров, но в меньшем количестве.
По условию образования и роста кристаллов кристаллизаторы подразделяют на следующие основные типы:
1) поверхностные, в которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности;
2) объемные, в которых образование и рост кристаллов происходят во всем объеме аппарата;
3) смешанного типа, в которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности и в объеме аппарата.
Поверхностные кристаллизаторы.
На рис. 3 представлена схема устройства изогидрического поверхностного вальцового кристаллизатора, который обычно используется для кристаллизации солей с существенно снижающейся растворимостью при понижении температуры.
Рис 3. Схема устройства вальцового кристаллизатора.
1-барабан, 2-корыто, 3-нож для съема кристаллов, 4-полые валы, 5-паровая рубашка
Аппарат представляет собой горизонтальный вращающийся барабан 1 с водяной рубашкой, погруженный в корыто 2 с кристаллизуемым раствором. Во избежание преждевременной кристаллизации корыто снабжено паровой1 рубашкой 5 для нагревания раствора. За один оборот барабана (со скоростью порядка 0,1-1 м/с) на его поверхности образуется слой кристаллов, который снимается с барабана ножом 3.
Вальцовые кристаллизаторы чаще всего применяют для кристаллизации расплавов или из растворов с небольшим содержанием маточного раствора. К недостаткам кристаллизаторов этого типа следует отнести мелкокристалличность получаемого продукта; при этом в кристаллы обычно переходят все содержащиеся в исходном расплаве примеси.
Объемные кристаллизаторы.
Этот тип кристаллизаторов получил наибольшее распространение в промышленности.
Наиболее производительны и надежны в эксплуатации выпарные аппараты-кристаллизаторы с принудительной циркуляцией раствора и выносной нагревательной камерой (конструкция аналогична выпарным установкам). Содержание кристаллов в циркулирующей суспензии составляет 10-20 вес. %. Скорость раствора в трубках нагревательной камеры не должна превышать 3 м/сек. При больших скоростях наблюдается истирание кристаллов. Процесс кристаллизации легко подвергается регулированию. Продукт получается сравнительно крупнокристаллическим и однородным.
Для снижения расхода тепла процесс осуществляют в многокорпусных установках. При выпаривании с одновременной кристаллизацией удобнее использовать параллельное питание исходным раствором с выводом суспензии из каждого корпуса. При этом отсутствуют переточные трубопроводы из корпуса в корпус и устраняется возможность их засорения кристаллами.
Прямоточная схема многокорпусного выпаривания для кристаллизации растворов нежелательна, так как постепенное снижение температуры раствора при переходе из корпуса в корпус может вызвать преждевременную кристаллизацию и засорение трубопроводов.
Наиболее простым объемным кристаллизатором периодического действия является аппарат с рубашкой и мешалкой (рис. 5).
Рис. 5. Объемный кристаллизатор периодического действия с мешалкой:
1 - корпус; 2 - охлаждающая рубашка; 5 – мешалка
Во избежание интенсивной инкрустации внутренней поверхности аппарата разность температур раствора и охлаждающей воды (рассола) должна быть небольшой [ 8 - 10 °С (281-283 К)]. С этой же целью охлаждающую воду в рубашку 2 подают после заполнения корпуса 1 аппарата раствором и образования первых зародышей кристаллов. После окончания процесса кристаллизации образовавшуюся суспензию выгружают и разделяют на фильтрах или центрифугах с получением кристаллического вещества и выделением маточного раствора.
2. Тепловой баланс кристаллизатора.
При растворении твердого кристаллического вещества происходит поглощение тепла qКР для разрушения кристаллической решетки (теплота плавленая) и выделение тепла при химическом взаимодействии вещества с растворителем qР (образование гидратов). В зависимости от величин qКР и qР тепловой эффект кристаллизации будет положительным или отрицательным.
Помимо принятых в материальном балансе введем следующие обозначения:
iP, iKP, iM - энтальпия раствора, кристаллов и маточного раствора, кдж /кг;
iT1, iT2 - начальная и конечная энтальпия теплоносителя, кдж/кг;
iO1, iO2 - начальная и конечная энтальпия охлаждающей среды, кдж/кг;
I - энтальпия парообразного растворителя, кдж/кг,
r - теплота образования кристаллической решетки (теплота затвердевания), кдж/кг кристаллов;
q - тепловой эффект концентрирования раствора при изменении ею концентрации от bР до bM кдж,
GT, G0 - количество теплоносителя или охлаждающей среды, кг/сек.
В общем случае будем иметь:
С раствором …………………………… Q1 = GР iР
Теплота кристаллизации ……………... Q2 = GКР r
Теплота дегидратации ………………… Q3 = q GM bM
Получено от теплоносителя …………… Q4 = GТ (iT1 - iT2)
Расход тепла
С кристаллами …………………………. Q5 = GKР iKР
С маточным раствором ……………….. Q6 = GМ iМ
С парами растворителя …………………….. Q7 = W I
С охлаждающим агентом ………………….. Q8 = GО (iО2 – iО1)
Потери в окружающую среду .....…………... Q9
Тогда можно записать:
Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q7 + Q8 ± Q9
При кристаллизации с охлаждением Q4 = 0 и Q7 = 0; при кристаллизации с испарением части растворителя Q8 = 0, при вакуум-кристаллизации Q4 = 0 и Q8 = 0.
Для теплоносителя - насыщенного водяного пара (в кдж)
Q4 = D (ID – iКОНД)
где ID, iКОНД - энтальпии пара и конденсата, кдж/кг; D - расход пара, кг/сек.
Для охлаждающей среды - воздуха (в кдж/сек)
Q8 = L (I2 – I1)
где L - расход сухого воздуха, кг/сек; I1, I2 - его начальная и конечная энтальпии, кдж/ кг.
В зависимости от температурных условий потери тепла Q9 могут быть положительны или отрицательны.
Энтальпии iP, iKP, iM рассчитывают (в кдж/кг) по уравнению общего вида
i = c (t2 – t1)
в котором с - средняя теплоемкость, кдж/(кг-град);
(t2 – t1) - перепад температур (конечной и начальной).
Напряженность поверхности по испаренной влаге в воздушных кристаллизаторах в среднем можно принять 0,042 кг/(м2ч). Расчет размеров поверхности охлаждения или нагревания производится по общим правилам расчета теплообменных поверхностей.
Билет№9,15
1. Назначение, конструкция и принцип действия барботажного деаэратора.
Широкое распространение в промышленной энергетике получил барботажный деаэратор атмосферного давления системы Уралэнергометаллургпрома (рис 10). Химически умягченная вода через трубу 1 поступает в распределительное устройство 2, откуда в струйном потоке высотой 200 - 350 мм сливается в опускной канал барботажного устройства В. Опустившись вниз, вода меняет направление на 1800 и по каналу 4 поднимается вверх. Греющий пар подается в этот канал по перфорированной трубе 5. После многократной циркуляции вода переливается через разделительную перегородку 6 во второй барботажный отсек, также состоящий из опускного 7 и подъемного канала 8. В этот отсек подается расход пара, примерно равный расходу выпара.
Рис 10 Барботажный деаэратор Уралэнергометаллургпрома
После обработки паром вода через перегородку 9 поступает в бак-аккумулятор. Барботажное устройство и штуцер отвода деаэрированной воды размещаются у противоположных торцов бака-аккумулятора. Деаэратор обеспечивает требуемое качество деаэрированной воды при температуре исходной воды 60-80° С.
2. Подготовка воды для рекуперативных теплообменных аппаратов.
Длительная бесперебойная эксплуатация современного теплоэнергетического оборудования в значительной степени определяется интенсивностью процессов накипеобразования и образования отложений на поверхностях нагрева водоподогревательного и парообразующего оборудования, уноса солей, кремниевой кислоты и окислов металлов паром из испаряемой воды, образования в проточной части паровых турбин отложений из перешедших в пар примесей воды и коррозии металла.
В ходе подготовки воды для теплообменных аппаратов проводят:
1. Очистку воды от механических примесей.
2. Удаление из воды кислорода (деаэрация).
3. Умягчение воды (удаление солей кальция и магния).
4. Очистка циркулирующей в теплообменнике воды от примесей.
В воде, циркулирующей в теплоэнергетических установках, примеси появляются в основном следующим образом.
1. Примеси поступают с добавочной водой, которая восполняет потери воды, циркулирующей в установке. Добавка воды на конденсационных электростанциях составляет 2-4% воды, питающей котлы, а на ТЭЦ обычно колеблется в пределах 20-50%. Вода после очистки содержит больше примесей, чем основной конденсат, возвращаемый повторно в котел для получения из него пара.
2. Примеси поступают с присосами воды и воздуха через неплотности, например, в конденсаторах турбин, сетевых подогревателях, подогревателях низкого давления системы регенерации теплоты, конденсатных насосах.
3. Примеси образуются внутри контура циркуляции в результате коррозии железа, меди, хрома, никеля и других металлов.
4. Примеси поступают с реагентами, добавляемыми в циркуляционный контур установки. Например, в котловую воду нередко добавляют фосфаты для ее умягчения, а в питательную воду добавляют гидразингидрат для предотвращения кислородной коррозии, а также для уменьшения переноса медистых отложений с внутренней поверхности парообразующих труб в турбину.
Билет№10,19,20,21
1. Назначение, конструкция и принцип действия деаэраторов пленочного типа с неупорядоченной насадкой.
Неупорядоченная, или нерегулярная, насадка выполняется из небольших элементов той или иной формы, засыпаемых в аппарат без всякого порядка, что и определяет ее название. Элементы такой насадки могут иметь форму обычного кольца, кольца с продольными или спиральными перегородками, пропеллера, шара, седла, греческой буквы омега или др.
При прочих разных условиях неупорядоченная насадка допускает меньшую предельную гидравлическую нагрузку, чем упорядоченная насадка или струйная колонка, но зато обеспечивает более высокий объемный коэффициент массоотдачи и соответственно меньшее остаточное содержание газов в воде.
Эффективной формой элемента для неупорядоченной насадки является омегообразная форма с отверстиями (рис. 13). Ее удельная поверхность достигает 190 – 195 м2/м3. Допустимая плотность орошения такой насадки при подогреве воды до 40 0С составляет 90 – 110 т/м2ч.
Рис. 13. Неупорядоченная насадка омегообразной формы с отверстиями
Колонки с неупорядоченными насадками, вплоть до колонок производительностью 500 т/ч, имеют заметное преимущество по высоте перед колонками струйного типа. При больших производительностях и необходимости сопряжения колонки с баком-аккумулятором это преимущество уменьшается; так при допускаемой плотности орошения 110 т/м2ч диаметр колонки приближается к диаметру транспортабельного бака-аккумулятора. Вследствие этого для спряжения такой колонки с баком следует вводить переходной патрубок, который в свою очередь требует для колонок повышенного давления установки дополнительного нижнего днища.
Схема деаэрационной колонны с неупорядоченной насадкой аналогична рис. 12.
Рис. 12. Схема колонки с упорядоченной насадкой.
2. Ректификация. Сущность процесса. Конструкции ректификационных установок.
Перегонка жидкостей представляет собой процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. В результате получают жидкость-конденсат, состав которой отличается от состава начальной смеси. Повторяя много раз процессы испарения конденсата и конденсации, можно практически полностью разделить исходную смесь на чистые составные части (компоненты).
Процесс перегонки основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различным давлением (упругостью) пара при одной и той же температуре. Поэтому состав пара, а, следовательно, и состав жидкости, получающейся при конденсации пара, будут несколько отличаться от состава начальной смеси: легколетучего (или низкокипящего - НК) компонента в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. Очевидно, что в неиспарившейся жидкости концентрация труднолетучего (или высококипящего - ВК) компонента при этом должна увеличиться.
В простейшем случае перегонка почти не отличается от выпарки. Но выпарке подвергаются растворы, состоящие из летучего растворителя и практически нелетучего растворенного вещества, а при перегонке в пар переходят и растворитель и растворенное вещество.
Принцип ректификации.
Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t - х - у - диаграммы (рис. 1).
Рис. 1. Изображение процесса разделения бинарной смеси путем ректификации на диаграмме t-х-у.
Нагрев исходную смесь состава х1 до температуры кипения, получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х2 обогащенную НК (х2 > х1). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t2, получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х3, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.
Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости х4, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из ВК.
В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров), и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.
При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду. Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах - ректификационных колоннах.
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.
При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами, пар несколько обогащается НК, а жидкость - ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.
Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
Схемы ректификационных установок для разделения бинарных смесей
Непрерывно действующие установки. Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (рис. 2), которые наиболее широко применяются в промышленности.
Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т. е. является выносным (как показано на рисунке 2), либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
Рис. 2. Схема непрерывно действующей ректификационной установки:
1 - ректификационная колонна (а - укрепляющая часть, б - исчерпывающая часть), 2 - кипятильник; 3 - дефлегматор, 4 - делитель флегмы, 5 - подогреватель исходной смеси, 6 - холодильник дистиллята (или холодильник конденсатор), 7 - холодильник остатка (или нижнего продукта), 8, 9 - сборники, 10 - насосы
Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием HK y1 > x1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав х2, содержит больше НК, чем на первой (х2 > x1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 < t1). Соприкасаясь с ней, пар состава у1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у2 > х2, и т. д.
Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низко-кипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую, нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 16 (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике € направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.
Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая - остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8
На рис. 2 приведена лишь принципиальная схема непрерывно действующей ректификационной установки. Такие установки оснащаются необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях Путем автоматического регулирования сводятся к минимуму колебания количества, состава и температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей воды.
Билет№11,25
1. Назначение, конструкция и принцип действия двухступенчатого термического деаэратора.
Принципиальная схема двухступенчатой деаэрационной установки приведена на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема двухступенчатой деаэрационной установки системы ЦКТИ
1 - деаэрационная колонка; 2 - бак-аккумулятор; 3 - охладитель выпара; 4 - регулятор давления; 5-регулятор уровня; 6 -гидравлический затвор; 7 - регулятор перелива и сигнализатор уровня; 8 - вентиль с электромагнитным приводом; 9 - подвод химически умягченной воды; 10 - подвод конденсата; 11 - подвод «кипящих» конденсатов; 12 - подвод греющего пара; 13 - подвод барботажного пара; 14 - отвод деаэрированной воды; 15 -отвод выпара; 16 – выхлопа в атмосферу; 17 - дренаж установки; 18 - теплообменник для охлаждения проб воды; 19 - ограничительная диафрагма; t - измерение температуры; Р - измерение давления; В - водомерные стекла
Деаэрационная установка включает струйную колонку, расположенную у одного торца бака-аккумулятора. Внутри бака, у противоположного торца расположено затопленное барботажное устройство. Конденсат и химически умягченная вода, поступающие на деаэрацию, подаются на верхнюю тарелку, где смешиваются, а затем в струйном потоке сливаются на вторую дырчатую тарелку, а оттуда - в бак-аккумулятор. После выдержки в баке вода поступает в барботажное устройство, основным элементом которого является горизонтальный дырчатый лист. Пар подается на барботажное устройство и в паровой объем бака-аккумулятора.
При такой схеме деаэратора процессы теплообмена и дегазации протекают в следующем порядке:
1. В струйном отсеке при контакте пара с водой происходит ее нагрев, причем тем интенсивнее, чем выше взаимная турбулизация потоков пара и воды и меньше парциальное давление воздуха в паре.
2. При нагреве воды в толще ее неизбежно появляются мельчайшие газовые пузырьки зародышевого диаметра, которые имеют ничтожно малую подъемную силу.
3. Параллельно с нагревом воды идут процессы дисперсного выделения определенного количества газов и физической десорбции, т. е. процессы переноса газа из жидкой фазы в газообразную путем молекулярной и турбулентной диффузии; преобладание того или иного вида диффузии зависит от способа взаимодействия и степени турбулизации системы; при этом возможно механическое увлечение из греющего пара струей воды определенного количества неконденсирующихся газов в мелкодисперсном состоянии и возникновение их рециркуляции в зоне конденсации.
4. При выдержке воды в баке-аккумуляторе происходят, в первую очередь, процесс удаления из нее мельчайших газовых пузырьков, а затем физико-химические реакции разложения бикарбонатов и нестойких органических веществ; эти реакции протекают во времени и, следовательно, для обеспечения глубокой дегазации фактор времени играет большую роль. При этом следует учитывать, что скорость реакций термического разложения определяется скоростью самого медленного процесса - десорбцией свободной углекислоты: чем выше коэффициенты десорбции свободной углекислоты, тем быстрее идут реакции разложения бикарбонатов. Размещение в баке-аккумуляторе барботажного устройства позволяет интенсифицировать процессы удаления кислорода, и особенно свободной углекислоты, и тем самым добиться более глубокого разложения бикарбонатов.
5. На барботажном устройстве вода интенсивно подогревается до температуры насыщения и из нее удаляются растворенный газ и мельчайшие пузырьки. Если не принять мер по удалению газовых пузырьков, то они могут снова растворяться при повышении давления или охлаждении воды. На начальном участке барботажного листа эффективность процесса дегазации воды незначительна. Основной процесс дегазации воды происходит на остальной площади барботажного листа при температуре насыщения, соответствующей давлению в деаэраторе. Определяющими факторами при этом являются: увлечение газовых пузырьков потоком пара и турбулентная диффузия.
2. Тепловой баланс деаэрационной установки.
Тепловой баланс деаэрационной установки составляется для определения полного расхода пара, подводимого к деаэратору.
В зависимости от тепловой схемы энергоустановки в деаэратор вводится то или иное количество потоков воды и пара. Тепловые балансы должны рассматриваться для режимов работы деаэратора, указанных в техническом задании на проектирование.
В случае избытка тепла в деаэраторе (отрицательный расход пара) техническое задание на проектирование деаэратора подлежит уточнению, в ходе которого должны быть дополнительно проанализированы и проверены условия работы деаэратора в тепловой схеме установки.
В общем виде уравнение теплового баланса деаэратора записывается как равенство потоков тепла, введенных в деаэратор и вышедших из него
Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q7 + Q8, (12.1)
где Q1 - тепло, внесенное с основным потоком греющего пара, ккал/ч;
Q2 - тепло, внесенное с некипящими потоками воды, ккал/ч;
Q3 - тепло, внесенное с кипящими потоками воды, ккал/ч;
Q4 - тепло, внесенное с прочими потоками пара, ккал/ч;
Q5 - тепло, отведенное с деаэрированной водой, ккал/ч;
Q6 - тепло выпара, ккал/ч;
Q7 - потеря тепла деаэратором в окружающую среду, ккал/ч;
Q8 - тепло пара, отбираемого из деаэратора, ккал/ч.
Составляющие теплового баланса определяются по следующим формулам.
Количество тепла, подведенного с основным потоком греющего пара:
Q1 = Dn in, ккал/ч, (12.2)
где Dn - расход пара, кг/ч;
in - энтальпия пара, ккал/кг.
Энтальпия пара in определяется по его давлению и температуре на входе в деаэратор.
Количество тепла, подведенного с некипящими потоками воды,
, ккал/ч, (12.3)
где G2k -расход k-го некипящего потока воды, кг/ч;
i2k -энтальпия k-го некипящего потока воды при данной температуре, ккал/кг;
т – общее количество потоков.
Количество тепла, подведенного с «кипящими» потоками воды:
, ккал/ч, (12.4)
где G3k -расход k-го кипящего потока воды, кг/ч;
i3k -энтальпия k-го кипящего потока воды, ккал/кг.
Количество тепла, подведенного с прочими потоками пара:
, ккал/ч, (12.5)
где D4k -расход пара данного потока, кг/ч;
i4k -энтальпия пара данного потока при давлении и температуре на входе в деаэратор, ккал/кг.
Количество тепла, отводимого с деаэрированной водой:
, ккал/ч, (12.6)
где G5 - расход деаэрированной воды (производительность деаэратора), кг/ч;
iД - энтальпия деаэрированной воды, ккал/кг.
Производительность деаэратора по воде определяется по формуле
(12.7)
где iД - энтальпия воды при температуре насыщения, соответствующей давлению в деаэраторе, ккал/кг;
rД - теплота парообразования при давлении в деаэраторе, ккал/кг;
Dk - количество сконденсированного пара в деаэраторе, кг/ч.
Величина Dk определяется из соотношения
(12.8)
где iср -средняя энтальпия пара, определяемая по формуле:
(12.9)
Тепло, отводимое с выпаром,
Q6 = D6 iвып, ккал/ч, (12.10)
где D6 -расход выпара, кг/ч. Эта величина должна приниматься из расчета 1,5-2 кг на 1 т деаэрированной воды.
Расход выпара на деэратор составит
D6 = (1,5 2) G5, кг/ч. (12.11)
Энтальпия паровоздушной смеси выпара условно может быть принята равной энтальпии насыщенного пара при давлении в деаэраторе, т е iвып = iп.
Потеря тепла в окружающую среду определяется по формуле
, ккал/ч, (12.12)
где - коэффициент теплоотдачи от изоляции к окружающему воздуху, принимаемый равным 810 ккал/м2чград,
F - поверхность деаэратора, включая бак-аккумулятор, м2;
tиз - температура поверхности изоляции, принимаемая равной 50° С,
tвозд - температура воздуха в помещении деаэрационной установки.
Расход пара на покрытие потерь тепла в окружающую среду определяется по формуле
, кг/ч (12.13)
Потеря тепла в окружающую среду должна специально определяться лишь в случае расположения деаэраторов вне зданий. Во всех остальных случаях она может приниматься равной 1-2% общего расхода тепла на деаэрационную установку. Количество тепла, отведенного из деаэратора с паром на посторонние нужды, определяется по формуле
Q8 = D8 iн, ккал/ч,
где D8 - отбор насыщенного пара из деаэратора, кг/ч.
Расход пара на деаэрационную установку определяется по уравнению
(12.14)
Уравнение (12.14) справедливо, если тепло выпара в пределах деаэрационной установки не используется; при его использовании с возвратом конденсата величина Q6 не учитывается в связи с рециркуляцией этого тепла в установке.
Билет№12
1. Назначение, конструкция и принцип действия вакуумных деаэраторов.
Оборудование вакуумной деаэрационной установки состоит из бака аккумулятора, охладителя выпара, газоотсасывающего аппарата и откачивающего водяного насоса.
Принципиальные схемы вакуумных деаэраторов аналогичны рассмотренным выше схемам деаэраторов атмосферного давления струйного и пленочного типа:
2. Тепловой расчет рекуперативных теплообменных аппаратов.
При проектировании новых аппаратов целью расчета является определение поверхности нагрева. Если же последняя известна, то целью расчета является установление режима работы аппарата и определение конечной (или начальной) температуры рабочих жидкостей. В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются следующие:
уравнение теплообмена
Q = kF(t1 - t2), ккал/час
где k - коэффициент теплопередачи;
F – площадь поверхности теплообмена;
t1 и t2 - начальная и конечная температуры.
и уравнение теплового баланса
Q = 1 f1 1 cp1 (t1 / - t1 //) = 2 f2 2 cp2 (t2 // - t2 /) ккал/час.
где - часовая скорость жидкости, м\час;
f – площадь проходного сечения трубки теплообменного аппарата;
- удельный вес вещества, проходящего по теплообменному аппарату;
f - массовый расход;
cp – массовая удельная теплоемкость;
Здесь и ниже индекс (1) означает, что величины относятся к горячей жидкости, а индекс (2) - к холодной. Вторым индексом ( / ) обозначается температура при входе, а индексом ( // ) - при выходе рабочей жидкости из аппарата.
При выводе расчетных формул теплопередачи было принято, что в любой точке теплообменного устройства температура рабочей жидкости остается постоянной. Однако, это положение справедливо лишь при кипении жидкости и конденсации паров. В общем же случае температура рабочих жидкостей в теплообменниках изменяется - горячая охлаждается, а холодная нагревается.