Практика_Амбросович. Практика_Амбросович 3. Тема практического занятия Расчет пленочного испарителя

• Название: Тема практического занятия Расчет пленочного испарителя
• Анкор: Практика_Амбросович
• Дата: 30.11.2021
• Размер: 262.5 Kb.
• Имя файла: Практика_Амбросович 3.doc
• Тип: Документы; #286307

Практика 3

Тема практического занятия: Расчет пленочного испарителя

План практического занятия: Расчет основных параметров пленочного испарителя

Пленочные аппараты применяются при вакуумной ректификации для отгонки из жидкости легколетучих компонентов, для концентрирования термолабильных и кристаллизующихся растворов и для проведения химических превращений в системах газ— жидкость. Они отличаются малым сопротивлением по паровой (газовой) фазе, отсутствием гидростатической депрессии, высокими значениями коэффициентов тепломассообмена.

В этой главе из всего многообразия пленочных аппаратов рассмотрены в качестве примеров два вида: кожухотрубчатые испарители со стекающей пленкой, применяющиеся для концентрирования маловязких термолабильных растворов, и роторные пле­ночные аппараты с шарнирно-закрепленными лопастями, предназначенные для высокого концентрирования растворов и проведения химических превращений в вязких жидкостях.

При переработке термолабильных веществ показателем опасности их термического разложения служит величина

Dh = lg (pτ),

где р - максимально допустимое давление в рабочем пространстве аппарата, однозначно определяющее температуру жидкости, Па;

τ - предельно допустимое время пребывания жидкости на тепло-обменной поверхности, с.

Зная величину Dh и давление р в аппарате, можно найти предельно допустимое время

τ_доп = . (6.1)
Р
исунок 6.1- Испаритель со стекающей плёнкой

Испарители со стекающей плёнкой. Этот аппарат представляет собой вертикальный кожухотрубчатый теплообменник, в верхней части каждой трубы 1 которого установлены оросительные устройства 2 (рисунок 6.1). Исходный раствор подается на верхнюю трубную решетку, распределяется равномерно по трубам и в виде пленки, образованной оросителем, стекает по внутренней поверхности труб.

Подвод теплоты осуществляется теплоносителем, насыщенным водяным паром с давлением до 1,28 МПа или парами высокотемпературных органических теплоносителей с давлением до 1,06 МПа, подаваемыми в межтрубное пространство, за счет чего происходит частичное испарение продукта. Образовавшаяся в аппарате паро- жидкостная смесь после выхода из него поступает на сепарацию.

Основные технические данные стандартных пленочных испари­телей (РТМ 26-01-71—75), приведены в таблице 6.1.

Основная задача гидродинамического расчета заключается в выборе режимов устойчивого пленочного течения жидкости и нахождении времени пребывания продукта в зоне нагрева.

При эксплуатации пленочных аппаратов необходимо добиваться полного смачивания всей внутренней поверхности труб, что обеспечивается при плотности орошения, равной

(6.2)

где Г_min - минимально допустимая плотность орошения, м²/с;

G_ж - массовый расход жидкости в рассматриваемом сечении трубы, кг/с;

П = πdBn — полный смоченный периметр труб аппарата, м;

d_B — внутренний диаметр труб, м;

п — число труб в аппарате;

ρ_ж — плотность жидкости, кг/м³.

Минимальную плотность орошения можно определить из безразмерного соотношения

(6.3)

где v_ж — вязкость жидкости, м²/с;

δ — поверхностное натяжение жидкости на границе с паром, Н/м.

В пленочных испарителях по мере стекания пленки происходит испарение части жидкости, поэтому плотность орошения будет наименьшей на нижнем участке труб. С учетом срыва (уноса) капель паровым потоком с поверхности пленки условие (6.2) для этого участка труб при нисходящем прямотоке примет вид

, (6.4)

где G_K - расход жидкости, упаренной до конечной концентрации х_к, к/с;

У - унос жидкости, или отношение массового расхода жидкости, находящейся в паровом потоке, к полному ее расходу.

При расчетах трубчатых испарителей следует принимать У < Г 0,3, что обеспечивается подбором соответствующей скорости вторичного пара в трубах (рисунок 6.2). Предельно допустимое время упаривания термолабильных растворов не должно превышать среднего времени пребывания жидкости в пленке

, (6.5)

где V_ж — объем жидкости, находящейся на теплообменной поверхности, м³;

G_ср — средний расход жидкости в стекающей пленке, кг/с.

G_ср определяем по формуле:
G_ср = 0,5 [G_н+(1 - У)G_К], (6.6)



Рисунок 6.2 - Зависимость уноса У от величины Х
где начальный G_н и конечный G_K расходы жидкости с соответственно начальной x_н и конечной х_к,. концентрациями растворенного вещества связаны соотношением

. (6.7)

Объем жидкости в стекающей пленке при средней ее толщине δ_ср равен

, (6.8)

где F — площадь внутренней поверхности труб (теплообменной поверхности аппарата), м².

Толщина свободно стекающей пленки характеризуется следующими зависимостями:

δ=(0,75Re_nnv²_ж/g)^0,33 при Rе_пл ≤1200, (6.9)

δ=0,21 (v²_ж/g)^0,33Re^0,533_пл при Rе_пл> 1200. (6.10)
Средняя толщина пленки для (6.8) рассчитывается по (6.9) или (6.10) при среднем значении плотности орошения

. (6.11)
Основная задача теплового расчета пленочного испарителя заключается в выборе удельного теплового потока q, обеспечивающего теплообмен с устойчивым пленочным течением, т. е. без разрушения пленки паровыми пузырьками, образующимися при интенсивном кипении жидкости. Это соблюдается при q < 2q_н.к.

Плотность теплового потока начала пузырькового кипения определяется по формуле


, (6.12)
где α — коэффициент теплоотдачи к пленке жидкости, Вт/(м²·К);

ρ_п> ρ_ж — соответственно плотность пара и жидкости, кг/м₃;

r_И — удельная теплота парообразования, Дж/кг;

с_р — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);

λ_ж — теплопроводность жидкости, Вт/(м·К);

Т_кип — температура кипения жидкости, К.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к свободно стекающей пленке жидкости при ламинарном и турбулентном режимах течения и Рr = 4÷ 300 можно рассчитать по уравнению

. (6.13)

Это уравнение остается справедливым и при слаборазвитом пузырьковом кипении, т. е. при q < 2q_н.к.

Пленочный испаритель можно рассматривать как аппарат идеального вытеснения с разграниченными зонами нагревания и испарения жидкости. Расчет теплопередающих поверхностей каждой зоны проводится раздельно.
Таблица 6.1- Основные технические данные испарителей со стекающей плёнкой (диаметр труб 30 х 2)

Внутренний диаметр кожуха D, м	Число труб n , шт	Площадь поверхности теплообмена F (м2) при длине труб L, м
		2,0	3,0	4,0	5,0
0,6	54	11,5	17,0	23,0	29,0
0,8	120	25,6	38,4	51,2	64,0
1,0	210	44,8	67,0	89,6	112,0
1,2	360	77,0	115,0	153,0	192,0
1,4	510	109,0	163,0	218,0	272,0
1,8	932	-	299,0	398,0	498,0
2,0	1154	-	370,0	493,0	616,0

Пример 1.

Подобрать стандартный пленочный испаритель и теплоноситель для концентрирования раствора дикарбоновых кислот в этилацетате при следующих исходных данных: начальный расход раствора G_H = 11 кг/с; начальная концентрация кислот х_и = 0,12 кг/кг; конечная концентрация х_к = 0,28 кг/кг; началь­ная температура смеси t_n = 30°С, показатель термического разложения Dh = 6,4.

Решение. Предварительно примем давление в трубном пространстве испарителя равным 0,1 МПа. Теплофизические свойства раствора при этом давлении (считаем их равными свойствам растворителя) имеют следующие численные значения: ρ_ж = 900 кг/м³; ρ_п = 3,26 кг/м³; r_И = 3,77 10⁵ Дж/кг; с_р = 2,2·10³ Дж/(кг·К); λ_ж= 0,125 Вт/(м · К); v_ж = 0,28·10^-6 м²/с; δ = 17·10^-3Н/м; μ_П= 9,5·10^-6Па·с.

Производительность аппарата по раствору конечной концентра­ции согласно (6.7) составит

G_к = 11 _{ }= 4,71 кг/ с,

производительность по испаряемому растворителю

G_и = G_Н - G_K = 11 - 4,71 = 6,29 кг, с,

тепловой поток, необходимый для нагревания раствора до температуры насыщения,

Q_H = С_РG_Н (t _кип - t_Н) = 2,2·10³·11 (78 - 30) = 1,16· 10⁶ Вт,

тепловой поток, необходимый для испарения растворителя,

Q_И = r_ИG_И = 3,77*10⁵·6,29 = 2,37· 10⁶ Вт,

полный тепловой поток в аппарате

Q = Q_H+Q_И=1,16· 10⁶ +2,37· 10⁶ = 3,53· 10⁶ Вт.

Вычислим по уравнению (6.3) минимальную плотность оро­шения:



Максимально возможное число труб найдем по (6.4), приняв в нем Г_Н = Г_min, а величину уноса У = 0,2:



При уносе У = 0,2 параметр Х = 3,2·10^-4 (см. рисунок 6.2), а скорость вторичного пара, соответствующая такому уносу, равна

_{ }.

Минимально допустимое число труб в аппарате, соответствую­щее принятому уносу, найдем по уравнению



По таблица 6.1 можно выбрать аппарат с числом труб п = 360 или.

Примем п = 360. Тогда скорость вторичного пара в нижней части труб составит

м/с

параметр



и унос (см. рис. 6.2) .У = 0,15.

Средний расход жидкости в стекающей пленке определим по (6.6)

G_cp = 0,5 [11 + 4,71 (1 - 0,15)] = 6,6 кг/с,
среднее значение критерия Рейнольдса по (6.11):



критерий Прандтля для этилацетата — по уравнению




критерий Нуссельта - по (6.13):



коэффициент теплоотдачи к пленке жидкости - по уравнению



Рассчитаем по (6.12) удельный тепловой поток начала пузырь­кового кипения



Ориентируясь на устойчивое течение пленки жидкости и слабое воздействие на нее паровых пузырьков, образующихся при кипе­нии, примем максимально допустимый удельный тепловой поток равным

=41,2·10³ Вт/м².

При этом условии потребуется минимальная площадь поверх­ности испарителя, равная

F_min = Q/q = 3,53·10⁶/(41,2·10³) = 85,67 м².

По таблице 6.1 выбираем при количестве труб п = 360 ближайшую большую поверхность площадью F = 153 м². Для последующего уточненного расчета теплопередающих поверхностей зон нагрева­ния и испарения жидкости найдем величину коэффициента тепло­передачи.

Предварительно примем по таблице 6.1 приложения термические сопротивления загрязнений r₁ = 10^-4 (м²·К)/Вт и r₂ = 2·10^-4 (м²·К)/Вт, теплопроводность материала трубы (нержавею­щей стали) λ_ст = 17,5 Вт/(м·К) и коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке трубы α₂ = 10⁴ Вт/(м²·К). Тогда К_и можно вычислить по уравнению (6.2)



Ориентировочное значение температуры греющего пара в меж­трубном пространстве определим по формуле



Так как t_n < 100°С, то в качестве теплоносителя необходимо принять горячую воду.

Приведенный выше расчет выполнен в предположении, что средняя разность температур в аппарате ниже средней разности температур зоны испарения, т. е.

,

и площадь поверхности, необходимая для нагрева жидкости, равна

_{ }.

В действительности схема распределения температур в верхней части труб, т. е. в зоне нагрева раствора до температуры кипения имеет вид:


и средняя разность температур составляет

_{ },

т.е. площадь поверхности, необходимой для нагрева жидкости, равна



Для определения времени пребывания жидкости в аппарате рассчитаем среднюю толщину пленки жидкости по (6.10):

.

Объем жидкости, удерживаемой на теплообменной поверх­ности, определяем по (6.8):

V_ж = 153·3,35 ·10^-4 = 0,051 м³,

среднее время пребывания жидкости в зонах термообработки по (6.5):
τ_ср = 0,051·900/6,6 = 7с,

допустимое время пребывания при р = 10⁵ Па по (6.1):



Расчеты показали, что τ_ср < τ_доп, т. е. раствор можно кон­центрировать при предварительно принятом давлении в трубном пространстве, равном 0,1 МПа.
Контрольные вопросы

1. 
   Основные конструкции пленочных испарителей.
   
2. 
   Методика расчета пленочных испарителей.
   
3. 
   Роль уноса при расчете испарителей.
   
4. 
   Расчет толщины пленки в пленочном испарителе.
   
5. 
   Минимальная плотность орошения.