Конструкции конденсаторов-испарителей

Для осуществления низкотемпературной ректификации необходимо получать потоки пара и флегмы. Эту задачу в узле ректификации функционально выполняют конденсаторы-испарители (КИ). Процесс конденсации одного из потоков происходит вследствие кипения жидкости другого потока. Поскольку составы потоков различны, давления в полостях конденсации и кипения выбирают так, чтобы обеспечить необходимую разность температур для передачи теплоты от конденсирующегося потока кипящему.

Температурный напор DТ в конденсаторе-испарителе аппарата двукратной ректификации равен разности температур конденсации азота и кипения кислорода, которая определяется перепадом давлений в нижней и верхней колоннах. Режим работы верхней колонны, называемой колонной низкого давления, соответствует, как правило, значениям р = 0,13—0,14 МПа. Конденсация паров азота в нижней колонне высокого давления реализуется при р = 0,56— 0,6 МПа.

В этих условиях температурный напор составляет 2,2—3 К.

В зависимости от назначения конденсаторы-испарители ВРУ подразделяются на:

а) основные, в которых конденсируется азот, а пары кипящего кислорода возвращаются в верхнюю колонну. При отсутствии выносного аппарата, часть кислорода отбирается из основного конденсатора-испарителя в виде готового продукта (продукционный кислород);

б) выносные, в которых весь образующийся за счет конденсации азота газообразный кислород является продукционным;

в) нижние и верхние конденсаторы-испарители колонн технического кислорода, криптоновых, аргонных и азотных колонн.

Классифицируя конденсаторы-испарители по конструктивным признакам, можно выделить следующие основные типы аппаратов:

а) кожухотрубные с межтрубным кипением;

б) кожухотрубные с внутритрубным кипением;

в) витые с кипением внутри труб;

г) оросительного типа с прямыми трубками и внутритрубным кипением;

д) пластинчато-ребристые.

 Кожухотрубные аппараты, за редким исключением, изготавлива­ются в вертикальном исполнении с фланцами или без фланцев.

Например, конструкция бесфланцевого кожухотрубного конденсатора-испарителя с кипением в межтрубном пространстве выполнена из 1597 медных, труб, диаметром 8х0,5 мм и дли­ной 580 мм. Общая площадь поверхности теплообмена составляет 20,7 м². Трубы впаяны в трубные доски, изготовленные из листо­вой меди. Верхняя трубная доска имеет крышку с выводными трубками и для продувки и подсоединения предохранительного клапана. Конденсатор-испари­тель устанавливается между верхней и нижней колоннами, к которым крепится пайкой с помощью переходных конусов. Кислород кипит в межтрубном пространстве, и часть его паров отводится в ви­де готового продукта через штуцер. Конденсация азота осуществляется в трубах, где имеет место встречное движе­ние газообразного азота и стекающей пленки конденсата.

Рабочие процессы кипения и конденсации протекают при дви­жении потоков на различных поверхностях в конструктивно раз­ных каналах. Конденсатор-испаритель конкретного типа может быть надежно рассчитан только по эмпирическим соотношениям, учитывающим влияние всех многочисленных факторов для дан­ного типа аппарата.

До недавнего времени в ВРУ наиболее широко применяли трубчатые конденсаторы-испарители. Аппараты с межтрубным кипением характеризуются относительно низким коэффициентом теплоотдачи со стороны кипения из-за слабой циркуляции жидкости. Их применяют в малых ВРУ. Аппараты с внутритрубным кипением позволяют организовать циркуляцию жидкости за счет эффекта парлифта. В одном из конденсаторов-испарителей крупной ВРУ парогенерирующие трубки диаметром 12, толщиной 1,5 и длиной до 3000 мм вва­рены в трубные решетки. В трубках кипящая жидкость в режиме парлифта поднимается на верхнюю трубную решетку, с которой сливается через центральную трубу, часто называемую опускной системой. Испарившаяся жидкость в виде пара отводится из испа­рительной полости. Циркуляция кипящей жидкости в трубах обеспечивает проточность испарительной системы и взрывобезопасность.

Существуют также конструкции с отбором жидкости из опускной системы в контур внешней циркуляции с адсорберами углеводородов. Циркуляция жидкости в этом контуре может происходить под действием напора жидкости, стекающей в опускную систему. В ряде случаев для осуществления внешней циркуляции применяют насосы. Конденсация происходит на внешней поверхности трубок.

Типовые конструкции трубчатых конденсаторов-испарителей для крупных ВРУ, выполненные полностью из алюминиевых сплавов, работают при температурном напоре 2,4—2,6 К. В конденсаторах-испарителях малых ВРУ применяют медные трубки, Конструкция цельносварных аппаратов из алюминия хорошо отработана, технологична, обеспечивает высокую надежность.

Одним из наиболее эффективных решений по интенсификации теплообмена на стороне кипения следует считать предложенное специалистами фирмы «Юнион Карбайд» пористое покрытие, идея которого широко использована в различных конструктивных вариантах . В пористом слое существует множество центров парообразования. Вырывающиеся из пористого слоя пузырьки пара стимулируют подсасывание жидкости внутрь пористого слоя. Образуются микроскопические контуры циркуляции. В итоге устойчивый режим кипения может быть реализован при DТ < 1 К. Коэффициент теплоотдачи на капиллярно-пористой поверхности увеличивается в 5—10 раз. Оптимальные размеры пор для различных жидкостей различны. Для интенсификации теплоотдачи на стороне конденсации обычно используют оребрение рабочей поверхности.

В последние годы разработаны также пластинчато-ребристые конденсаторы-испарители новых типов: вертикальные (высотой 1500 и 3000 мм) и горизонтальные (с каналами кипения длиной 850 мм). Каналы кипения образованы рифленой лентой обычно без прорезей (непрерывное ребро). Высота ребра 6 мм, шаг 3 (в аппаратах вертикального типа) и 2 мм (в аппаратах горизонтального типа). Каналы конденсации могут иметь как сплошные, так и прерывистые ребра с турбулизаторами.

 

6.2. Циркуляция жидкости в замкнутом контуре

Циркуляция определяется разностью плотностей сред в подъемных и опускных каналах. Для стационарного процесса имеет место динамическое равновесие движущего напора и сопротивления рабо­чей среды при ее движении в контуре на подъемном и опускном участках, т.е.

Dр_дв = Dр_под + Dр_оп.              (6.1)

 

 

Рис.6.1. Схема контура с естест­венной циркуляцией кипящей жидкости

 

 

 

Используя обозначения, приведен­ные на рис. 6.1, движущий напор циркуляции Dр_дв можно записать в виде

Dр_дв = l_p×g[r'(h – X) – r_см(1–X)],                                            (6.2)

где l_p = (l —Hк) — рабочая (активная) длина трубы; l — расстояние между трубными решетками; Hк — уровень конденсата над нижней трубной решеткой (значение Нк, зависящее от конструктивного исполнения сливного устройства, не должно превышать 0,15×l); h = H / l_р—относительный кажущийся уровень;

Х = l_эк/l_p—относительная длина экономайзерной зоны; r' —плотность жидкости в опускной системе; r_см— средняя по длине l_кип плотность парожидкостной смеси.

Гидравлическое сопротивление движению среды в подъемной части контура циркуляции определяется как

Dр_под = Dр_вх + Dр_к + Dр_эк + Dр_тр + Dр_уск + Dр_вых              (6.3)

Здесь Dр_вх — сопротивление входа жидкости в парогенерирующий канал; Dр_к—сопротивление трения на участке Нк; Dр_эк —сопротив­ление трения однофазной жидкости на экономайзерном участке; Dр_тр —сопротивление трения двухфазной смеси на участке кипения; Dр_уск — потеря давления на ускорение двухфазного потока; Dр_вых — сопротивление выхода двухфазного потока из канала.

Потеря давления Dр_оп в опускной части контура равна сумме со­противления трения и местных сопротивлений поворотов потока ра­бочей среды. Поскольку стенки опускного канала обогреваются, то возможно вскипание жидкости с образованием пузырьков пара, отно­сительная скорость всплытия u_oo которых определяется по формуле Франк-Каменецкого

u_oo = 1,53[sg(r' – r")/r"²]^0,25.                                            (6.4)

Для кислорода при р= (0,13 ... 0,14) МПа u_oo = 0,15 м/с. Минимальное значение Dр_оп достигается в случае полного отсутствия захвата пара «в опуск», т. е. когда скорость опускного движения жидкости w_оп<u_oo. Обычно принимают

w_оп = (0,7 ...1,0) u_oo,                                                           (6.5)

что соответствует сечению опускной части контура

S_oп = G/(r' w_оп),                                                                  (6.6)

где G—массовый расход кислорода в контуре, кг/с.

При соблюдении условия (6.6), как показывают расчеты, сопро­тивление Dр_оп в конденсаторах-испарителях не превышает 1% потерь давления в подъемной части циркуляционного контура Dр_под и может не. учитываться.

С учетом вышеизложенного, исходное соотношение (6.1) можно представить в виде

l_p×g[r'(h – X) – r_см(1–X)] = Dр_вх + Dр_эк + Dр_тр + Dр_уск + Dр_вых    (6.7)

Рассмотрим последовательно методы определения отдельных вели­чин, входящих в это уравнение

Средняя плотность парожидкостной смеси .

r_см = r' – (r' – r")j ,                                        (6.8)

где r" — плотность пара при среднем давлении в трубе, кг/м³; j — среднее по длине участка кипения истинное объемное паросодержание.

Согласно проведенным исследованиям при небольших движущих силах и скоростях движения, характерных при парлифтной циркуляции, для истинного объемного паросодержания j двухфазного потока в .вертикальных каналах справедливо соотношение 

,                (6.9)

где w_cm = (V" + V')/S* = w"_пр (1 —r"/r') + w₀ — скорость сме­си, м/с; w"_пр = V"/S* = qF*/(rr"S*)—приведенная скорость пара, м/с; V", V'—соответственно объемные расходы пара и жидкости через рассматриваемое сечение канала, м³/с; q — плотность теплового пото­ка со стороны кипящей жидкости на участке поверхности, расположенной выше экономайзерной зоны, Вт/м²; F* =pd₂l_х — внутренняя площадь поверхности трубы от конца экономайзериой зоны до рассматриваемого сечения, м²; S* = pd₂²/4 — площадь проходного сечения канала, м²; b = V"/(V' + V") = w"_пр / w_cm — объемное расходное паросодержание;               x = G"/(G' + G")== (w"_пр / w₀ )•r"/r' –массовое расходное паросодержание;       u — относительная скорость паровой фазы, м/с.  

 Если j<0,7, то параметр распределения Со зависит от скорости циркуляции w₀ и изменяется от 1,26 до 1,08 при возрастании w₀ от 0,075 до 0,62 м/с. Эмпирическая формула для этой зависимости за­писывается в виде  

Со==1,06 w₀^–0,65.                                                   (6.10)

При j больше 0,7 параметр распределения Со постоянен и равен 1,03. Значение j=0,7 соответствует переходу от снарядного режима течения к стержневому.

Относительная скорость паровой фазы u принимается равной ско­рости всплытия парового снаряда u₀

                                             (6.11)

Среднее значение j в (6.8) может быть определено по формуле (6.9) при w"_пр, равном половине приведенной скорости пара на вы­ходе из канала (w"_пр )_вых.

Расчет потерь давления потока однофазной жидкости на входе в парогенерирующий канал [см. уравнение (6.7)] осуществляется по формуле

Dр_вх = x_вхr'w₀ / 2.                                                        (6.12)

Для рассматриваемого случая x_вх =0,5. Потери давления двухфаз­ного потока на выходе из канала находятся из соотношения

Dр_вых = x_выхr' w₀²[1 + (w"_пр) _вых(1–r"/r')/w₀ ] / 2       (6.13)

(значение коэффициента местного сопротивления x_вых можно принять равным 1,2).

Для вычисления потери давления на трение в экономайзерйой зо­не Dp_эк используется известная формула Дарси:

Dp_эк = x_эк r' w₀² l_зк/ 2d_e,                                         (6.14)

в которой значение коэффициента сопротивления трения x_эк определя­ется в зависимости от числа Rе = r' w₀ d_e /m'.

Протяженность экономайзерной зоны l_эк соответствует длине части канала, необходимой для нагрева жидкости от температуры на входе T_зк.вх до температуры на выходе T_эк.вых.

Опыт эксплуатации конденсаторов-испарителей показывает, что жидкость на участке канала длиной Hк и обогреваемой опускной части циркуляционного контура нагревается на DT_оп =(0,06—0,1) К, и тогда       

T_эк.вх = T_s + DT_оп,                                                    (6.15)

где T_s —температура насыщения при давлении p_кип над верх­ней трубной решеткой.                          .

Температура Т_эк.вых соответствует насыщенному состоянию потока и определяется по термодинамическим таблицам для давления

p_эк.выx = p'_кип + r'g(H—l_эк) —(Dp_вх + Dр_к + Dр_эк), (6.16)

где Dр_к — потеря давления в канале на участке Нк:

Dp_к = x_к r' w₀² Н_к/ 2d_e,                                          (6.17)

Для одиночной трубы при массовом расходе жидкости G* = r'w₀ d₂²/4 тепловой .поток Q*_эк, подводимый к экономайзерной зоне, равен:

Q*_эк =G*c_p'(Т_эк.вых – T_эк.вх).                                    (6.18)

Тогда искомая длина экономайзерного участка l_эк находится из соотношения

l_эк = Q*_эк /(pd₂ q_эк),                                                     (6.19)

в котором значение плотности теплового потока q_эк определяется из условий теплопередачи.

Удовлетворительные результаты по расчету потерь давления на трение Dp_тр при неадиабатном течении двухфазного потока в обогреваемом канале длиной l_кип дает методика Мартинелли—Нельсона:

                             (6.20)

Градиент давления (Dр / Dl)₀ при однофазном течении с массовым расходом, равным расходу двухфазного потока, определяется из вы­ражения

(Dр / Dl)₀ = x r' w₀² l/ 2d_e.                                      (6.21)

Постоянная n в формуле (6.20) соответствует показателю степени в формуле для вычисления x = С / Reⁿ (для турбулентного режима течения n=0,25).

Функция Ф_l находится графически (рис. 6.2) по значению параметра Мартинелли X, который предварительно определяется из соотношения.         

,                               (6.22)

где m', m" — динамические вязкости жидкости и газа соответственно;

x – массовое расходное паросодержание для рассматриваемого сече­ния парогенерирующего канала [см. формулу (6.9)]. ,

На рис. 6.2. также показаны относительные объемы канала, за­полненного жидкостью R_L = 1—j и паром R_g = j.

 

 

Рис. 6.2. Зависимость функции Ф_L от параметра X.

 

Интеграл в выражении (6.20) вычисляется графически как пло­щадь под кривой у = (1—x)^2-n Ф_l² в интервале изменения l от 0 до l_кип.

Кривая строится по точкам для нескольких значений l этого интер­вала.

Перепад давления вследствие ускорения двухфазного потока Dр_уск рассчитывается по формуле

Dр_уск = (r'w₀)² (Y₂—Y₁).     (6.23)

Параметр У для входного и выходного сечений канала находится из выражения

Y = x²/(r"j) + (1–x)²/[r'(1–j)] (6.24)

При этом Y₁=1/р' для x = 0 и j = 0, а Y₂ определяется для значений x = xвых И j = jвых.

Выполнение гидравлического расчета конденсатора-испарителя с целью вычисления скорости циркуляции w₀, протяженности экономайзерной зоны l_эк, давлений и тем­ператур в характерных сечениях ка­нала предполагает известными зна­чения плотностей тепловых потоков q_эк и q_кип, которые зависят от усло­вий теплоотдачи с обеих сторон теплопередающей поверхности и от располагаемого температурного на­пора DT.

Выполнение тепловых расчетов и определение коэффициентов теплопередачи конденсаторов-испарителей следует выполнять по методикам, излагаемым в учебниках [ 1 – 3 ].

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: