Практическая работа по дисциплине «Машины и аппараты нефтегазопереработки» для СибГУ

Практическое занятие № 9   Тема практических занятий: Расчет пленочного испарителя План практических занятий: 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 работе 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 = .                                          (9.1)     Рисунок 9.1- 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 9.1). 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 9.1. 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   (9.2)   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   (9.3)   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 (9.2) для этого участка труб при нисходящем прямотоке примет вид   ,                              (9.4)   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 9.2). Предельно допустимое время упаривания термолабильных растворов не должно превышать среднего времени пребывания жидкости в пленке   ,                                  (9.5)   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],                           (9.6)       Рисунок 9.2 — 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   .                                   (9.7)   Объем жидкости в стекающей пленке при средней ее толщине δ_ср равен   ,                                       (9.8)   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,                     (9.9)   δ=0,21 (v²_ж/g)^0,33Re^0,533_пл  при  Rе_пл> 1200.              (9.10)   Средняя толщина пленки для (9.8) рассчитывается по (9.9) или (9.10) при среднем значении плотности орошения   .                                   (9.11)   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     ,                          (9.12)   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   .                                (9.13)   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 9.1- 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

  Контрольные вопросы  

• Основные конструкции пленочных испарителей.
• Методика расчета пленочных испарителей.
• Роль уноса при расчете испарителей.
• Расчет толщины пленки в пленочном испарителе.
• Минимальная плотность орошения.

  Задачи   1 Подобрать стандартный пленочный испаритель и теплоноситель для концентрирования раствора дикарбоновых кислот в этилацетате при следующих исходных данных: начальный расход раствора G_H = 17,8 кг/с; начальная концентрация кислот х_и = 0,14 кг/кг; конечная концентрация х_к = 0,39 кг/кг; началь­ная температура смеси t_n = 46°С, показатель термического разложения Dh = 7,3. 2 Подобрать стандартный пленочный испаритель и теплоноситель для концентрирования раствора дикарбоновых кислот в этилацетате при следующих исходных данных: начальный расход раствора G_H = 10,7 кг/с; начальная концентрация кислот х_и = 0,09 кг/кг; конечная концентрация х_к = 0,26 кг/кг; началь­ная температура смеси t_n = 23°С, показатель термического разложения Dh = 5,3. 3 Подобрать стандартный пленочный испаритель и теплоноситель для концентрирования раствора дикарбоновых кислот в этилацетате при следующих исходных данных: начальный расход раствора G_H = 11,9 кг/с; начальная концентрация кислот х_и = 0,11 кг/кг; конечная концентрация х_к = 0,33 кг/кг; началь­ная температура смеси t_n = 35°С, показатель термического разложения Dh = 6,3.