Тепломассообмен в выпарных аппаратах

Процесс тепломассообмена в аппаратах выпарных установок определяется фазовым состоянием греющего теплоносителя, способом подвода теплоты (через стенку или при непосредственном контакте раствора и теплоносителя) взаимным направлением движения теплоносителя и раствора в аппарате, гидравлическим режимом.

Теплообмен в греющих камерах поверхностных аппаратов протекает так же, как в рекуперативных теплообменниках аналогичных типов («газ-жидкость» или «пар-жидкость»).

Особенности процесса кипения растворов подробно рассмотрены в гл. 2. данного пособия.

В газожидкостных выпарных аппаратах и подогревателях раствора большое влияние на процесс оказывает способ образования межфазной поверхности.

В аппаратах с погружными горелками и барботерами (см. рис. 1.4 и 1.6) направления движения газа и раствора у поверхности раздела фаз в области струйного течения совпадают, т.е. реализуется прямоточная схема. Кроме того, исследования показали, что температура и концентрация раствора в любой точке жидкостного пространства практически постоянны, т.е. раствор в аппарате можно считать идеально перемешанным. Поэтому графики изменения температур газа и раствора в аппарате можно представить в виде, показанном на рис.1.6. В - диаграмме состояние влажного газа процесс тепломассообмена изображается прямой линией, соединяющей точки 1 (состояние газов перед входом в жидкость) и 2 (состояние раствора в аппарате) и сопровождается охлаждением газа и испарением растворителя. Изменение температуры раствора в аппарате от до характеризуется кривой вдоль линии насыщения между точками 0 и 2. Температура газа меняется от температуры на входе в жидкость до температуры парогазовой смеси . В зависимости от глубины погружения сопла горелки или барботера в раствор она может быть выше или равной температуре раствора . Глубина погружения, при которой наступает термодинамическое равновесие, т.е. = называется равновесной. При пользовании - диаграммой применительно к системе раствор – влажный газ следует учитывать, что линия для раствора проходит выше линии для чистой воды. Их взаимное положение определяется величиной физико-химической температурной депрессии.

Предельной температурой нагревания раствора в аппарате является температура «мокрого термометра» , которая теоретически может быть достигнута при условии , где - расход раствора на входе в аппарат. Практически , поэтому всегда , если начальная температура раствора . Обычно это условие выполняется.

В случае поступления в аппарат перегретого раствора ( ) процесс тепломассообмена по-прежнему будет сопровождаться охлаждением и увлажнением газа. Но температура раствора будет понижаться. При этом, пределом его охлаждения будет опять-таки температура «мокрого термометра».

Для случая уравнение теплового баланса аппарата можно записать в виде

(1.1)

где - расход газа (по массе сухих компонентов), кг сух.газ/с;

, кДж/(кг сух.газ.К)- теплоемкость влажного газа перед входом в жидкость;

- теплоемкость сухого газа;

- теплоемкость пара;

- влагосодержание газа на входе в жидкость, г/кг сух. возд.;

- коэффициент, учитывающий наличие потерь теплоты в окружающую среду от наружных стенок аппарата;

- количество испаренной влаги;

- энтальпия пара при ;

=2493 кДж/кг – теплота парообразования при 0 ^оС;

- теплоемкость воды;

и - начальная и конечная массовые концентрации раствора;

- расход концентрированного раствора.

В правой части уравнения (1.1) первое слагаемое соответствует количеству теплоты на испарение растворителя, второе и третье – количеством теплоты на нагрев растворенного вещества и остаточной массы растворителя в концентрированном растворе: - интегральная теплота растворения (знак «+» при , т.е. поглощение теплоты в процессе выпаривания и знак «-» при ).

Для случая уравнение теплового баланса принимает вид

. (1.2)

Количество испаренной жидкости определяется из уравнений материального баланса на общую массу раствора и по влагосодержанию газа

, (1.3)

где - влагосодержание парогазовой смеси на выходе из аппарата.

С учетом материального баланса по количеству растворенного вещества (уносом растворенного вещества с парогазовой смесью и осаждением кристаллов на стенках аппарата пренебрегаем)

. (1.4)

Из уравнения (3) получим . (1.5)

Расчет аппаратов с погружными горелками проводят либо по методике П.Г. Удымы [1], либо по методике А.Н. Алабовского [10]. Последняя изложена кратко в п. 2.8 (гл. 2). В случае использования методики П. Г. Удымы возникает необходимость расчета среднего температурного напора. Для этого можно воспользоваться формулой

. (1.6)

Формула записана с учетом температурного графика согласно рис. 1.6.

В полых, каскадных, тарельчатых и насадочных газожидкостных аппаратах для предварительного подогрева и упаривания раствора движение потоков, как правило, противоточное. Изменение параметров газового потока и раствора по высоте аппарата происходит постепенно (в полых и насадочных аппаратах) или дискретно от ступени к ступени (в каскадных и тарельчатых аппаратах). Поэтому процесс тепломассообмена в - диаграмме изображается кривой, показанной на рис. 1.7. Ее построение осуществляется в следующей последовательности.

Весь интервал изменения температуры раствора разбивается на отрезков, число которых принимается равным количеству каскадов или тарелок в аппарате. Для полых и насадочных аппаратов их количество выбирают так, чтобы в пределах каждого из них средний температурный напор, с достаточной степенью точности, определялся как среднеарифметический.

Рис. 1.7. Процесс тепломассообмена между потоками газа и жидкости

в скруббере в режиме нагревания и испарения раствора (а);

охлаждения и испарения раствора (б)

Далее точка 1 соединяется прямой с точкой 2 (поступающий в аппарат газ вступает в контакт с раствором, выходящим из аппарата). По уравнению теплового баланса рассчитывают энтальпию газового потока в промежуточной точке

, (1.7)

где - энтальпия газового потока перед входом в жидкость, кДж/кг сух.газ.;

- теплоемкость концентрированного раствора.

Затем на пересечении линий и прямой между точками 1 и 2 определяется состояние парогазовой смеси на границе интервалов и . Полученная точка соединяется прямой с точкой на линии и рассчитывается следующее значение энтальпии:

, (1.8)

где расход раствора на границе интервалов и рассчитывают по уравнениям

; (1.9)

. (1.10)

Далее операции повторяются для всех интервалов. В частности:

; (1.11)

; (1.12)

(1.13)

и т.д. до ; (1.14)

; (1.15)

. (1.16)

Средний температурный напор можно рассчитывать как среднелогарифмический

. (1.17)

Но более точное значение дает среднеинтегральный температурный напор

, (1.18)

где - температурный напор (среднелогарифмический) на -м интервале;

- изменение температуры раствора на -м интервале;

.

Тот же самый результат дают формулы:

, (1.19)

где - изменение энтальпии газа на -м интервале;

.

, (1.20)

где - изменение влагосодержания газа на -м интервале.

Построение кривой процесса тепломассообмена при поступлении в аппарат, перегретого раствора ( , см. рис. 1.7) производится аналогично. Особенность процесса в этом случае – увеличение энтальпии газа при понижении его температуры от до .

Уравнение теплового баланса для всего аппарата в целом в случаях и остаются такими же, как в аппарате с погружными горелками, соответственно.

Несколько иначе записывается уравнение теплового баланса, если нагрев раствора в контактном аппарате предварительного подогрева раствора сопровождается конденсацией пара из потока газа. Это возможно при условии, что температура раствора хотя бы на части интервала от до оказывается ниже температуры точки росы (см. рис. 1.7). В этом случае имеем

, (1.21)

где - количество сконденсировавшегося пара из потока газа. При уравнение (21) упрощается:

. (1.22)

Но такой режим работы аппарата нежелателен, так как происходит разбавление раствора перед его поступлением в выпарной аппарат.

В газожидкостных аппаратах рассматриваемых типов коэффициенты тепло- и массоотдачи в жидкой фазе немного превышает аналогичные коэффициенты для газовой фазы, т.е. и . В результате получаем, что и , где и - коэффициенты тепло- и массопередачи.

Коэффициенты и массоотдачи , для таких аппаратов рассчитывают с использованием уравнений подобия. Которые в общем виде могут быть записаны как

, (1.23)

где - для теплообмена;

- для массообмена;

- число Рейнольдса для газа;

- число Рейнольдса для жидкости;

- отношение расходов газа и жидкости;

- объемная плотность орошения, равная отношению объемного расхода жидкости к поперечному сечению аппарата, рассчитанному по его внутреннему диаметру;

- характерный размер;

- скорость газа в характерном сечении;

- коэффициент диффузии пара в газе;

и - теплопроводность и кинематическая вязкость газа;

- кинематическая вязкость жидкости;

- число Прандтля для газа.

Теплофизические свойства газа и жидкости обычно выбираются при средних значениях температуры и концентраций. В особых случаях правила их выбора специально оговариваются так же, как и выбор характерного размера и сечения для расчета определяющей скорости газа.

Для аппаратов с погружными горелками и барботерами, при глубине их погружения в жидкости больше равновесной, необходимость в расчет коэффициентов тепло- и массоотдачи отпадает, т.к. газ и жидкость приходят в термодинамическое равновесие. Последовательность расчета аппарата этого типа приведена в п. 2.8.

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 338; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!