Вакуумная конденсация паров

Вакуумная конденсация паров

Стр 1 из 4

Понятие вакуума, его глубины, остаточного давления, относительного вакуума.

Многие процессы химической технологии и биотехнологии целесообразно проводить при давлениях, меньших атмосферного. Это связано, в частности, с условиями протекания химических реакций, технологическим требованием снижения температуры кипения термолабильных жидкостей и т. д. Пониженное давление (вакуум) используется в процессах: перекачивание, фильтрование, сушка, выпарка и т. д.

Вакуумом называется состояние среды, абсолютное давление которой меньше атмосферного.

Рис. 1.

рост = ратм – рвак .

Понижение давления газа по сравнению с атмосферным (барометрическим) давлением ратм характеризуется значением величины вакуума рвак (разрежения). Измеряется – вакуумметрами. Давление газа, оставшегося в вакуумированном объеме (в аппарате, сосуде) называют абсолютным рабс или остаточным рост (см. рис. 1). Иногда определяют относительный вакуум

А = рвак/ратм .

Аппараты и др. оборудование, в котором создается вакуум называют откачиваемыми объектами. Давление в них часто понижают с помощью вакуумных насосов (ВН). Так называют устройство для создания, повышения, поддержания вакуума. Понижение давления в аппаратах может быть достигнуто также за счет вакуумной конденсации паров.

Важная характеристика вакуума – критерий Кнудсена

Kn = L/d ,

где L – средняя длина свободного пробега молекул газа, d – характерный размер объекта.

Вакуумная конденсация паров.

Применяется при выпаривании, сушке, фильтровании, перегонке и т. д. Пары необходимо конденсировать для предотвращения их попадания в ВН.

При конденсации вакуум-конденсаторы по существу являются аппаратами для изотермического сжатия газа.

Пусть p = const < p0 (О – тройная точка). Маршрут 1–2–3 на рис. 2 описывает переход: пар–твердое тело–охлажденное твердое тело (лед). При p = const > p0 маршрут 4–5–6–7 описывает переход: пар–жидкость–охлажденная жидкость–твердое тело–охлажденное твердое тело.

Жидкостный конденсатор.

1) поверхностный – поверхность теплообмена (пар, труба, жидкость)

2) смешения – непосредственный контакт (пар, жидкость)

В водяных струйных конденсаторах из конденсированного пара удаляются воздух и другие газы. Мы отметили основные свойства жидкостного конденсатора, подробности в учебнике.

Поверхностные конденсаторы.

1)с жидкостным охлаждением

2)с воздушным охлаждением

Интенсивная циркуляция повышает коэффициент теплоотдачи a . Наблюдается значительное удаление неконденсированных газов. Можно использовать любой хладоноситель Þ разные tконд . Обычно используют кожухотрубчатые теплообменники, с емкостями для отвода конденсата.

Конденсаторы смешения.

¯ ¯

мокрые сухие

Конденсаторы смешения (КС) – простые и дешевые высокопроизводительные аппараты. Хладагент – вода. Мокрые – смесь воды с конденсатом и неконденсированными газами откачивается мокровоздушным насосом. В сухих КС вода с конденсатом стекает самотеком, а неконденсированные газы откачиваются обычным ВН.

Барометрические конденсаторы.

Барометрические конденсаторы (БК) относятся к КС. Минимальное давление в БК равно ps – давлению насыщения при температуре tОС окружающей воды.

ps + rвgz = pатм .

Согласно свойствам воды наименьшая возможная для использования температура t = 4ºC , ps = 813 Па , rв = 1000 кг/м3 , pатм = 105 Па Þ z = 10.11 м. Общая высота БК приблизительно 14 – 19 м. Это недостаток. Достоинство – вода удаляется самотеком.

Тепловой баланс.

Тепловой баланс – есть тепловой баланс смешения потоков. Потерями тепла пренебрегаем ( п – пар, в – вода).

mпhп + mвhв = (mп + mв)hконд Þ

Здесь mп , mв – расходы пара и воды соответственно, поэтому в качестве тепловой функции выступает энтальпия; r – теплота фазового перехода при tп .

Конденсация паров в поверхностных конденсаторах

АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Основные понятия. Конденсацией называется процесс перехода пара или газа в жидкое состояние, проводимый путем охлаждения пара (газа) или сжатия и охлаждения одновременно.

Рассмотрим процессы конденсации, проводимые только путем охла­ждения пара водой или холодным воздухом.

Аппараты, в которых осуществляется сжижение пара, назы­вают конденсаторами.

Конструкция конденсаторов зависит от давления, при котором про­водится процесс. Конденсацией часто пользуются для создания и под­держания некоторого постоянного разрежения, например, в процессах выпаривания, вакуум-сушки и др. При конденсации под вакуумом непре­рывно охлаждают конденсируемые пары и непрерывно удаляют получаю­щийся конденсат, а также все неконденсирующиеся газы, поступающие в конденсатор с парами или с охлаждающей водой.

Конденсацию путем охлаждения холодной водой можно проводить двумя способами:

1) в поверхностных конденсаторах, где пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях труб, омываемых с другой сто­роны холодной водой;

2) в конденсаторах смешения, где пар приводится в непосред­ственное соприкосновение с охлаждающей водой, впрыскиваемой в пар.

Разновидностью конденсаторов смешения являются эжектор — н ы е конденсаторы, в которых водяная струя, непосредственно со­прикасаясь с паром, не только конденсирует последний, но и одновре­менно удаляет из конденсатора воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие с паром, с охлаждающей водой и через неплотности в соеди­нениях.

Так же как и холодильники, поверхностные конденсаторы могут быть разделены на три группы:

1) с водяным охлаждением (погружные);

2) с воздушным охлаждением;

3) с орошением (оросительные).

В поверхностных конденсаторах теплообмен между паром и охла­ждающей водой (или воздухом) совершается через разделяющую их теплопроводящую стенку; при этом пространство, в котором происходит конденсация, может находиться под атмосферным или другим давле­нием. Если конденсационная установка работает под вакуумом, необ­ходимо создавать разрежение в том аппарате, откуда поступает на кон­денсацию пар, и постоянно поддерживать это разрежение, а также воз­вращать для использования конденсат при возможно более высокой температуре.

Поверхностные конденсаторы с водяным охлаждением. В конден­саторах этого типа конденсируемый пар и вода движутся противотоком друг к другу; охлаждающая вода поступает снизу и движется вверх, пар поступает сверху, а конденсат отводится снизу.

Поверхность теплообмена, потребная для конденсации заданного количества пара, может быть вычислена опытным путем из уравнения теплопередачи, причем в общем случае могут протекать три отдельных процесса:

1) охлаждение поступающих в конденсатор перегретых паров до температуры их насыщения;

2) конденсация насыщенного пара, т. е. сжижение пара в жидкость при постоянной температуре;

3) охлаждение полученного конденсата до заданной температуры.

Обозначим:

Q—общее количество тепла, участвующее в теплообмене, в ккал/час; Q’—количество тепла, отнимаемое при охлаждении перегретых паров

До температуры их насыщения, в ккал/час; QK—количество тепла, выделяющееся при конденсаций пара, в ккал/час; Qv—количество тепла, выделяющееся при охлаждении конденсата, в

Ккал/час;

J—теплота парообразования в ккал/кгс, D—количество конденсируемого пара в кгс/час; сп—средняя теплоемкость перегретого пара в ккал/кгс °С; /1Н—начальная температура пара в °С; ^нас.—температура насыщения в °С; ?1К—конечная температура конденсата в °С; с,—теплоемкость конденсата в ккал! кгс-°С; W—расход охлаждающей воды в кгс/час; t2н—-начальная температура охлаждающей воды в °С; t2K—конечная температура охлаждающей воды в °С.

Тепловой баланс конденсатора может быть представлен уравнением

W (‘2к — О = Q’ + Qk + 0х = Q (2-185)

Где Q’=Dc (TlH— /нас.);

QK=Dr

Qx=Dc,(tmc—tlK).

Соответственно трем стадиям процесса в поверхностном конденса­торе общая поверхность теплообмена должна быть найдена как сумма трех слагаемых.

Введем в обозначения величин, относящихся к различным стадиям процесса в конденсаторе, следующие индексы: —для стадии конденсации; —для стадии охлаждения конденсата.

Поверхность теплообмена конденсатора в общем случае должна быть равна

F = F +F* + F* (2—186)

Где

Q’ . рп _ QK . «?,__ 0х

F’

K’At

Ср.

Ср.

Средняя разность температур Л /ср., входящая в эти уравнения, может быть вычислена следующим образом.

Разбивая всю поверхность охлаждения соответственно трем ста­диям на три как бы само — tunc. нас. *ін стоятельные части, получим

Зона охлаждения конденсата

Зона охлаждения перегретого пара

Зона J Нонденсации J

Пар

Расчетную схему (рис. 279).

Ъ’

Охлаждение перегрето­го пара происходит при сле­дующих условиях: пар посту-

‘////У///< У Л

Л

I пает с температурой

Вода

2И Х1 L2H

At’

Рис. 279. К расчету поверхностного холодильника. Следовательно, начальная разность

T __ T

Конечная разность температур

Д/к= ^нас — хг

Средняя разность температур

Д<.-Д С

Л/’ =

Ср.

К

At’

2.3 lg

Конденсация пара происходит при следующих условиях: пар посту­пает с температурой насыщения /нас.» и эта температура остается постоян­ной в течение всего процесса; вода поступает с некоторой температурой хг и за счет теплоты конденсации QK нагревается до температуры х2.

Следовательно, начальная разность температур

Д/ —— Tunr- Х-1

Конечная разность температур

Atk = T

Средняя разность температур

Д A —Att

Ср. А(*

Охлаждение конденсата происходит при следующих условиях: кон­денсат охлаждается от температуры насыщения tHac. до заданной темпе­ратуры tXK\ вода поступает с температурой /2Н, нагревается за счет тепла Qx и уходит с температурой хх.

Следовательно:

Начальная разность температур

H (X— / ___ у

Н— ‘нас. Л1

Конечная разность температур

Средняя разность температур

Af -At*

Htx =———— ——- —

CP. AtX

Температуру воды хх—в начале стадии охлаждения конденсата и х2—в начале конденсации можно вычислить из соотношения коли­честв тепла, отнимаемых в различных стадиях процесса.

Для всех трех стадий можно составить уравнения теплового баланса

Q’ = W(T2K~-X2); Qk = W(X2-Xx); Q* = W(Xj — TiH)

Зная общий расход воды

W= Q

К— Н

Найдем

(2—187)

И

(2-188)

Коэффициенты теплоотдачи для всех трех стадий вычисляются обычным путем.

1. Для стадии охлаждения перегретого пара коэффициент тепло­отдачи от пара к стенке вычисляют по формулам (2—46), (2—47) или (2—48), в зависимости от характера движения пара, определяемого вели­чиной критерия Рейнольдса.

2. Для стадии конденсации коэффициент теплоотдачи от конден­сирующего пара к стенке вычисляют по формулам (2—67) и (2—67а).

При конденсации перегретого пара коэффициент теплоотдачи опре­деляют по той же формуле, подставляя вместо г разность между тепло­содержанием пара и конденсата. Величина Д/—это разность между тем­пературой насыщения /„ас. и температурой стенки tCTX.

Если при конденсации перегретого пара температура стенки /ст1 меньше температуры насыщения /нас., то коэффициент теплоотдачи не отличается от а для насыщенного пара.

3. Для стадии охлаждения конденсата коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке вычисляется по формулам (2—46), (2—47) или (2—48) в зависимости от величины критерия Рейнольдса.

4. Коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде для всех трех стадий определяется также по формулам (2—46), (2—47) или (2—48) в зависимости от величины критерия Рейнольдса, причем если вода протекает по межтрубному пространству, то следует пользоваться формулами (2—49), (2—50) и (2—51).

Определив поверхность охлаждения, подбирают диаметр и длину труб и определяют их число. Сечение труб для прохода пара можно под­бирать, исходя из средней скорости пара на входе в трубы 10—-15 м/сек, скорость же протекания воды берут в пределах до 2,5 м/сек, причем и в том, и в другом случае необходимо учитывать величину потери напора на преодоление сопротивлений.

Обычно в зависимости от размеров конденсатора допускают потерю давления от 50 до 100 кгс/м2, т. е. от 0,005 до 0,01 am.

Максимальное разрежение, достигаемое в конденсаторе, зависит от двух факторов: расхода охлаждающей воды и ее температуры.

Следует стремиться к тому, чтобы охлаждающая вода уходила из конденсатора с возможно более высокой температурой. Практически температура воды должна быть ниже температуры поступающего в кон­денсатор пара не менее чем на 5°.

Температура воды, поступающей в конденсатор, зависит от местных условий и времени года. При отсутствии точных данных о максимальной и среднегодовой температуре воды в расчетах можно принимать ее тем­пературу ориентировочно равной 15-^-25°. Температуру воды, поступающей из артезианской скважины, можно принимать равной в среднем 10—12°.

Обычно работа конденсатора оценивается удельным расходом воды, т. е. количеством воды, расходуемой на 1 кгс конденсируемого пара; этот расход колеблется в широких пределах и иногда достигает 100-^ — г-110 кгс/кгс, причем удельный расход воды тем больше, чем выше раз­режение в конденсаторе.

Количество воздуха, отсасываемого из поверхностного конденса­тора, работающего при разрежении, зависит от содержания в конден­сируемом паре воздуха и газов, проникающих через неплотные соеди­нения установки.

Количество воздуха и газов, поступающих в конденсатор этими путями, нельзя точно учесть, так как в каждом частном случае вода может содержать различные количества газов и притом различных, а неплотности в соединениях зависят от конструкции установки и качества ее монтажа.

Можно ориентировочно считать, что при выпаривании, вместе с 1 кгс пара, вследствие недостаточной герметичности труб и аппаратов, вводится 0,008 м3 воздуха.’

Конденсационно-вакуумсоздающие системы вакуумных колонн

Заданная глубина вакуума в вакуумных колоннах создается с помощью конденсационно-вакуумсоздающих систем (КВС) установок АВТ путем конденсации паров, уходящих с верха колонн, и эжектирования неконденсирующихся газов и паров (водяной пар, Н2S, СО2, легкие фракции и продукты термического распада сырья и воздух, поступающий через неплотности КВС).

Конденсационно-вакуумсоздающая система современных установок АВТ состоит из системы конденсации, системы вакуумных насосов, барометрической трубы, газосепаратора и сборника конденсата.

Для конденсации паров на практике применяются следующие два способа (рис. 3.13):

  1. конденсация с ректификацией в верхней секции вакуумной колонны посредством:
  • верхнего циркуляционного орошения (ВЦО);
  • острого орошения (ОО);
  1. конденсация без ректификации вне колонны в выносных конденсаторах-холодильниках:
  • поверхностного типа (ПКХ) теплообменом с водой или воздухом;
  • барометрического типа (БКС) смешением с водой или газойлем, выполняющим роль хладоагента и абсорбента;
  • в межступенчатых конденсаторах, устанавливаемых непосредственно в пароэжекторных насосах (ПЭК), – водой.

Для создания достаточно глубокого вакуума в колонне не обязательно использование одновременно всех перечисленных выше способов конденсации. Так, не обязательно включение в КВС обоих способов конденсации паров с ректификацией в верхней секции колонны: для этой цели вполне достаточно одного из них. Однако ВЦО значительно предпочтительнее и находит более широкое применение, поскольку по сравнению с ОО позволяет более полно утилизировать тепло конденсации паров, поддерживать на верху вакуумной колонны оптимально низкую температуру в пределах 60…80°С, тем самым значительно уменьшить объем паров и газов. Из способов конденсации паров без ректификации вне колонны на установках АВТ старых поколений применялись преимущественно барометрические конденсаторы смешения, характеризующиеся низким гидравлическим сопротивлением и высокой эффективностью теплообмена, кроме того, при этом отпадает необходимость в использовании газосепаратора. Существенный недостаток БКС – загрязнение нефтепродуктом и сероводородом оборотной воды при использовании последней как хладоагента. В этой связи более перспективно использование в качестве хладоагента и одновременно абсорбента охлажденного вакуумного газойля. По экологическим требованиям в КВС современных высокопроизводительных установок АВТ, как правило, входят только поверхностные конденсаторы-холодильники в сочетании с газосепаратором.

В качестве вакуум-насосов в настоящее время применяют струйные насосы — одно- и преимущественно двух- или трехступенчатые эжекторы на водяном паре с промежуточной его конденсацией (ПЭН). Пароэжекционные вакуумные насосы обладают рядом принципиальных недостатков (низкий коэффициент полезного действия, значительный расход водяного пара и охлажденной воды для его конденсации, загрязнение охлаждающей воды и воздушного бассейна и т. д.).

По признаку связи с окружающей средой различают сборники конденсата открытого типа — барометрические колодцы (БК) и закрытого типа — емкости-сепараторы (Е). Вместо широко использовавшихся ранее барометрических колодцев на современных установках АВТ применяют сборники преимущественно закрытого типа, обеспечивающие более высокую экологическую безопасность для обслуживающего персонала.

КВС установок АВТ обязательно включают барометрическую трубу (БТ) высотой не менее 10 м, которая выполняет роль гидрозатвора между окружающей средой и вакуумной колонной.

Глубина вакуума в колоннах при прочих идентичных условиях зависит в значительной степени от температуры хладоагента, подаваемого в выносные конденсаторы-холодильники. При вакуумной перегонке с водяным паром остаточное давление в колонне не может быть меньше давления насыщенных паров воды при температуре их конденсации:

Поэтому обычно летом вакуум падает, а зимой повышается. Практически давление вверху колонны больше вышеуказанных цифр на величину гидравлического сопротивления потоков паров в трубопроводах и выносных конденсаторах-холодильниках.

В последние годы на вакуумных колоннах ряда НПЗ (Московском, Мозырском, Мажейкяйском, Комсомольском, «Уфанефтехиме» и др.) внедрена и успешно эксплуатируется новая высокоэффективная экологически чистая КВС с использованием жидкостного струйного устройства — вакуумного гидроциркуляционного (ВГЦ) агрегата. В ВГЦ-агрегате конденсация паров и охлаждение газов осуществляется не водой, а охлаждающей рабочей жидкостью (применительно к АВТ —газойлевой фракцией, отводимой из вакуумной колонны). По сравнению с традиционным способом создания вакуума с использованием паровых эжекторов, КВС на базе ВГЦ-агрегатов обладает следующими преимуществами:

  • не требует для своей работы расхода воды и пара;
  • экологически безопасно, работает с низким уровнем шума, не образует загрязненных сточных вод;
  • создает более глубокий вакуум (до 67 Па или 0,5 мм рт. ст.);
  • полностью исключает потери нефтепродуктов и газов, отходящих с верха вакуумной колонны;
  • значительно уменьшает потребление энергии и эксплуатационные затраты на тонну сырья;
  • позволяет дожимать газы разложения до давления, необходимого для подачи их до установок сероочистки.

Принципиальная технологическая схема КВС для перспективных установок АВТ с использованием ВГУ агрегатов приведена на рис. 3.14.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА, С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов, 2006

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *