ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ …составляют 1,5–1,7 С. При повышении давления до 20 кПа, потери снижают-ся до

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ВЫПАРНОГО АППАРАТА С ПАДАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

Основным оборудованием, определяющим производительность и экономичность работы выпарных установок являются выпарные аппараты. Эффективность их работы зависит как от условий и режимов концентрирования, так и от правильного выбора типа и конструкции аппарата.

промысловая подготовка нефти, газа и воды

всероссийское отраслевое рекламно-информационное издание90

промысловая подготовка нефти, газа и воды2/2012

При выпаривании растворов, не содержащих твердую фазу и не кристаллизующихся, наиболее целесоо-бразно применение вертикальных пленочных выпар-

ных аппаратов с восходящей или падающей пленкой [1-3]. Причем аппараты с падающей пленкой работают гораздо эффективнее, особенно под вакуумом [4]. Для их эффек-тивной работы практически не требуются высокой полезной разности температур и теплопередача остается высокой даже при малых ее значениях [5]. Такие аппараты широко применяются для выпаривания как накипевыделяющих рас-творов, в частности алюминатных растворов в глиноземном производстве [6], так и высококонцентрированных раство-ров и плавов [7].

В случае выпаривания пенообразующих растворов образо-вание пены накладывает серьезные ограничения на конструк-ции применяемых выпарных аппаратов. При их разработке важным вопросом является выбор такого конструктивного устройства внутренних узлов для сепарации пара и исключе-ния образования пены, которые обеспечат нормальную ра-боту данного аппарата с получением конденсата вторичного пара требуемой чистоты. Конструктивно именно выпарные аппараты с падающей пленкой в наибольшей степени пред-назначены для переработки пенящихся растворов. Они име-ют малый растворный объем. В них пенообразования уда-ется избежать, благодаря разбивке упариваемого раствора на большое число отдельных струй, из которых происходит выделение вторичного пара [1].

Наиболее распространенная конструкция выпарного аппа-рата с падающей пленкой показана на рис. 1.

Основным фактором, определяющим интенсивность ра-боты рассматриваемых аппаратов, является плотность оро-шения трубок [8]. Для обеспечения интенсивной работы указанный показатель может быть в интервале от одной до нескольких тысяч кг/ч питающего раствора на метр внутрен-него перимера труб. Например, для выпарных аппаратов с падающей пленкой при концентрировании алюминатных растворов оптимальная плотность орошения составляет 5500–6000 кг/(м•ч) [5]. При таком орошении, с учетом ко-личества испаряющейся воды, расход раствора, стекающе-го по стенкам трубок, меняется не более чем на 3–5%, т.е. незначительно. Поэтому можно считать плотность орошения постоянной на всем протяжении длины трубы.

В. М. РОнкин – ЗАО НПП «Машпром», г. Екатеринбург

Рис. 1. Выпарной аппарат с падающей пленкой1 – сепаратор; 2 – греющая камера; 3 – верхняя растворная камера; 4 – нижняя растворная камера

Рассмотрим взаимосвязь основных конструктивных разме-ров аппарата с падающей пленкой и показателей его работы, исходя из постоянства площади теплообмена аппарата, опреде-ляемой в зависимости от необходимой производительности и условий работы установки.

www.S-NG.ru

промысловая подготовка нефти, газа и воды промысловая подготовка нефти, газа и воды

91

2/2012

Плотность орошения трубок, выраженная в кг/(м•ч)

, (1)

где, S – расход раствора, подаваемого на орошение теплооб-менных трубок, кг/ч; П – периметр теплообменных трубок, м,

; (2)

d – внутренний диаметр теплообменных трубок, м; n – количе-ство теплообменных трубок в аппарате,

; (3)

F – площадь поверхности теплообмена выпарного аппарата, м2; L – длина теплообменных трубок, м.

Откуда

и (4) Таким образом видно, что периметр трубок в аппарате не за-

висит от их диаметра, а определяется только их длиной и пло-щадью поверхности теплообмена аппарата. Этими же факто-рами, а также расходом раствора устанавливается и плотность орошения трубок.

Приведенные соотношения показывают, что исходя из не-обходимости снижения затрат электроэнергии на перекачива-ние раствора, подаваемого на орошение трубок, целесообраз-но применение по возможности наиболее длинных трубок. Использование же, при заданной, на основании теплотехни-ческого расчета выпарной установки, площади теплообмена выпарной установки, укороченных трубок, приведет или к сни-жению интенсивности работы или к увеличению расхода элек-троэнергии на перекачивание раствора на орошение трубок.

В то же время, изложенные выше зависимости для выпарно-го аппарата с падающей пленкой создают впечатление, что для обеспечения его эффективной работы достаточно лишь на-значить любую длину трубок при выбранном диаметре трубок. Однако, при определении конструкции аппарата, диаметр тру-бок следует устанавливать, исходя из изложенных далее сооб-ражений, касающихся паросепарации и температурных потерь в нем.

Одними из главных условий при разработке выпарных уста-новок и выборе рациональных конструкций выпарных аппара-тов с падающей пленкой являются требования, связанные с необходимостью учета вопросов сепарации пара и получения конденсата вторичного пара требуемой чистоты. Оптимизация конструктивных решений по узлам для паросепарации может позволить увеличить производительность аппарата по выпа-ренной воде на 20–30% [9]. При этом важная роль в данном во-просе принадлежит теплообменным трубкам, в зависимости от диаметра которых устанавливается скорость раствора и пара в них, т.е. параметры, определяющие первую ступень сепарации пара в аппарате [10].

Определим взаимосвязь диаметра трубок аппарата с падаю-щей пленкой и условий паросепарации.

Явления в паро-жидкостных системах характеризуют величи-ной критерия двухфазного потока или критерия Кутателадзе – К [11, 12], который определяет условия уноса капель жидкости потоком пара:

, откуда , (5)

где, w” – скорость пара в теплообменных трубках, м/с; ρ, ρ” – плотность раствора и пара, кг/м3; Δρ = ρ - ρ”; σ – поверхностное натяжение раствора, Н/м.

На основании исследования результатов работы выпарных аппаратов с падающей пленкой в различных условиях были определены критические значения критерия Кутателадзе для различных узлов [13, 14], при которых унос с паром капель рас-твора не превышает допустимые значения. То есть достигается необходимая степень очистки пара.

Диаметр теплообменных трубок в аппарате можно опреде-лить, рассчитав площадь их поперечного сечения, на основа-нии необходимой скорости пара в них, исходя из условий обе-спечения требуемой паросепарации

, (6)

где, ККР – величина критического значения критерия Кутате-ладзе; W – расход выпаренной воды в аппарате, кг/ч.

промысловая подготовка нефти, газа и воды

всероссийское отраслевое рекламно-информационное издание92

промысловая подготовка нефти, газа и воды2/2012

В то же время,

. (7)

Отсюда

. (8)

Таким образом, зная расход выпарен-ной в аппарате воды, площадь его те-плообменной поверхности и задавшись длиной трубок, а также необходимой сте-пенью очистки пара и необходимым для этого критическим значением критерия Кутателадзе, можно рассчитать требуе-мый диаметр трубок. При этом уменьше-ние диаметра трубок ведет к снижению массы греющей камеры [15], т.е. к сни-жению металлоемкости аппарата. В то же время, опыт работы действующих аппа-ратов показывает, что при эксплуатации при высоком вакууме, исходя из условий паросепарации, требуются трубки боль-шего диаметра. Увеличение давления в аппарате дает возможность применить трубки меньшего диаметра. Полученные формулы показывают также, что умень-шения диаметра трубок и металлоемкости аппарата можно достигнуть путем сниже-ния расхода выпаренной воды в нем, в результате, например, увеличения числа корпусов батареи.

При выборе диаметра теплообмен-ных трубок для выпарного аппарата с падаюшей пленкой, наряду с изложен-ным, необходимо также учитывать тем-пературные потери, которые возрастают при увеличении длины и уменьшении диаметра труб, следствием чего является снижение производительности. Причина этого состоит в том, что в случае при-менения длинных трубок с относительно небольшим диаметром имеют место зна-чительные гидравлические потери дав-ления вторичного пара, выражающиеся в снижении полезной разности температур как в аппарате, так и на всей выпарной установке.

Определим зависимость температур-ных потерь в трубках выпарных аппара-тов с падающей пленкой от их длины и диаметра.

Принцип действия выпарных аппара-тов с падающей пленкой заключается в том, что в верхнюю часть трубок по-дается раствор, распределяемый по их периметру и стекающий вниз в виде тон-кой пленки, из которой испаряется пар. При этом испарение пара будет проис-ходить после подогрева раствора до

Рис. 2. Температурные потери в выпарных аппаратах с падающей пленкой при различной длине теплообменных трубок

температуры кипения, в случае подачи бо-лее холодного раствора. В зависимости от условий работы, участок подогрева может иметь различную длину, которая, однако, гораздо меньше общей длины теплооб-менных трубок. Для упрощения расчетов примем, что кипение начинается сразу же на входе в трубку, а количество выделяю-щегося пара пропорционально ее длине, пройденной раствором.

Скорость вторичного пара, выделив-шегося на участке длины l трубки, опре-деляется количеством пара, выделив-шемся из раствора

, (9)

где, wl – скорость вторичного пара, выде-лившегося на участке длины l трубки, м/c; wL – скорость вторичного пара, выделя-ющегося в аппарате, на выходе из труб, м/c,

. (10)

Коэффициент сопротивления при про-хождении этого участка паром

, (11)

где, – коэффициент трения; – толщи-на пленки раствора, стекающей по труб-ке, м.

Потери давления при прохождении пара по участку трубки длиной l в Па

. (12)

Изменение потерь давления по длине трубы

. (13)

Интегрируя последнее выражение по всей длине трубы, получим

. (14)

Откуда

. (15)

Определив величину гидравлических потерь по всей длине теплообменной труб-ки, согласно таблиц термодинамических свойств водяного пара [16], можно рассчи-тать температурные потери.

В качестве примера на рис. 2 приведен график зависимости температурных потерь от давления в выпарных аппаратах с падаю-щей пленкой, имеющих трубки с внутрен-ним диаметром 50 мм различной длины. График построен по данным работы одной из выпарных установок глиноземного про-изводства Уральского алюминиевого заво-да. Эта установка является четырехкорпус-ной. При этом в ее составе действуют три аппарата с падающей пленкой (2, 3 и 4 кор-пуса). На рисунке показаны области работы указанных корпусов по фактическим дав-лениям, которые имеют место при работе.

Из графика видно, что при остаточном давлении в аппарате, равном 12–15 кПа, при котором работает четвертый корпус установки, температурные потери для трубок длиной 9 м достаточно велики и составляют 1,5–1,7°С. При повышении давления до 20 кПа, потери снижают-ся до 1,2°С, что близко к допустимым. Для трубок длиной 7 и 5 м температур-ные потери невелики даже при низких давлениях.

www.S-NG.ru

промысловая подготовка нефти, газа и воды промысловая подготовка нефти, газа и воды

93

2/2012

Таким образом, на основании оценки как условий сепарации пара, так и температурных потерь, можно рационально выбрать диаметр и длину теплообменных трубок выпарного аппарата с падаюшей пленкой. Причем, как показывает опыт разработки различных выпарных установок для разных производств, особенно для крупнотоннажного оборудования, рабо-тающего в напряженном режиме, часто бывает целесообразно для аппаратов, действующих при разных давлениях исполь-зовать различные трубки. В частности, для вакуумных корпусов установки применять трубки большего диаметра меньшей длины, тогда как для корпусов, эксплатируемых при более высоких давлениях – трубки с меньшим диаметром и большей длиной.

литература:1. Колач Т. А., Радун Д. В. Выпарные станции. – М.: Машгиз, 1963. – 400с.2. Перри Дж. Справочник инженера-химика. Т. 1. – Л.: Химия, 1969. – 640с.3. Minton P. E. Handbook of evaporation technology. – Westwood, NP, 1986. – 390p. 4. Картовский Ю. В., Болотов Л. А., Чернозубов В. Б. и др. Интенсификация теплообмена в вакуумных аппаратах выпарных бата-

рей глиноземного производства // Цветные металлы, №3, 1977. – С. 34–37.5. Ронкин В. М., Вайсблат М. Б., Минухин Л. А., Ковзель В. М. Выбор оптимальных режимов работы выпарного аппарата с падаю-

щей пленкой при концентрировании алюминатных растворов // Сб. докл. IХ Конференции «Алюминий Урала-2004». – Красно-турьинск, 2004. – С. 65–67.

6. Ронкин В. М., Ковзель В. М. Применение выпарных аппаратов различных типов для концентрирования алюминатных растворов в производстве глинозема // Химическая промышленность сегодня, 2011, № 3. – С. 47–56.

7. Kueng H. R. Evaporation and concentration process applied to-day in caustic coda production – product form available // Chemical Age of India. V.23. № 6. 1972. – P.522–527.

8. Воронцов Е. Г., Тананайко Ю. М. Теплообмен в жидкостных пленках. – Киев: Технiка,1972. – 196с.9. Ронкин В. М., Ковзель В. М., Левераш В. И. и др. Совершенствование конструкций выпарных аппаратов с целью повышения

эффективности работы выпарных батарей глиноземного производства // Сб. докл. IV Конференции «Алюминий Урала–99». – Краснотурьинск, 1999. – С. 44–48.

10. Левераш В. И., Давыдов И. Ф., Голуб С. И., Красиков А. Н. Экспериментальные исследования уноса на моделях выпарных аппаратов с падающей пленкой // В сб. «Вопросы атомной науки и техники». Сер. «Опреснение соленых вод». Вып. 1. – М.: ЦНИИАТОМ-ИНФОРМ, 1974, – С.26–34.

11. Кутателадзе С. С., Сорокин Ю. Л. О гидростатической устойчивости некоторых систем // В кн. «Вопросы теплоотдачи и гидрав-лики двухфазных сред». – М.: Госэнергоиздат, 1961. – С. 315–324.

12. Кутателадзе С. С., Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем. – М.: Энергия, 1976. – 296 с.13. Давыдов И. Ф., Розен А. М. Критические условия формирования уноса в двухфазных потоках выпарных аппаратов // В сб.

«Вопросы атомной науки и техники». Сер. «Опреснение соленых вод». Вып. 9. – Свердловск, 1977. – С.42 – 49.14. Голуб С. И., Чернозубов В. Б., и др. Качество дисцилята при термическом обессоливании природных вод на АЭС и ТЭС // Труды

СвердНИИхиммаша. Вып. № 72. – Екатеринбург, 2001. – С. 41–54.15. Кичигин М. А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1955. – 392с.16. Александров А. А., Григорьев Б. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Изд. МЭИ, 2003. – 168с.