Separation of steam by partial condensation on tube bundle

Abstract

The article considers the way for improving efficiency of collection of drops suspended in steam with use of the effect of condensation on the surface of the tube bundle.

Full Text

Одним из способов повышения эффективности улавливания взвешенных в паре капель является использование эффекта конденсации пара. Наиболее перспективным представляется осуществление процесса конденсации с целью осаждения капель на поверхности трубного пучка. Конденсационная сепарация пара является сложным процессом, зависящим от ряда физических и конструктивных факторов. В случае продольного обтекания паром вертикального трубного пучка капли, находящиеся в нем, перемещаются к поверхности конденсации под воздействием конденсирующейся части пара, а также под воздействием термодиффузиофореза и стефановского течения. Капли, которые достигли поверхность конденсации, осаждаются на ней. Оставшаяся часть капель выносится из аппарата. Вблизи поверхности раздела фаз может происходить конденсационное укрупнение капель, что способствует их осаждению. При поперечном движении пара относительно пучка труб существенный вклад в развитие процесса осаждения капель могут дать также силы инерции, возникающие вследствие отклонения линий тока у поверхности трубок. В случае, когда движение пара осуществляется вдоль вертикальной поверхности трубки, на которой пар частично конденсируется, силы тяжести и инерции, по всей вероятности, не будут определять процесс осаждения капель на поверхность конденсации, в связи с чем их можно не учитывать для рассмотренных условий. При поперечном движении пара относительно трубного пучка на взвешенную каплю будут действовать те же силы, что и в случае продольного движения пара: сила динамического воздействия пара, сила сопротивления, сила тяжести, сила инерции, сила термофореза, сила диффузиофореза и стефановская сила [1]. Однако действие этих сил будет носить несколько иной характер. Взвешенная капля двигается к поверхности конденсации, увлекаемая потоком пара. На некотором расстоянии от поверхности линии тока огибают трубку и тогда капля под действием силы инерции и потока пара, направленного к поверхности трубки (конденсирующийся пар), попадает в пристенный слой и осаждается на поверхности конденсации за счет сил термодиффузиофореза и стефановского течения. Когда же динамического воздействия пара в направлении поверхности конденсации и силы инерции оказывается недостаточно для вовлечения капли в пристенный слой, она огибает поверхность трубки, устремляется к трубкам следующего ряда или же выносится из аппарата. Сила тяжести при этом, очевидно, не будет оказывать существенного влияния на интенсивность осаждения капель из-за того, что она направлена перпендикулярно как направлению движения пара, так и поверхности конденсации (осаждения). К основным параметрам, определяющим процесс конденсационной сепарации пара на трубном пучке, следует отнести степень конденсации пара. От величины степени конденсации зависит интенсивность воздействия конденсирующегося пара на взвешенные капли в ядре потока, а также величина сил термодиффузиофореза и стефановского течения в непосредственной близости от поверхности конденсации. На процесс осаждения капель в описанных условиях оказывают также влияние величина поверхности конденсации и размер капель. Анализ уравнения движения капли под действием данных сил с использованием методов теории подобия позволил получить совокупность критерия подобия [1, 2]: . (1) или . (2) где ℓ - расстояние, пройденное паром вдоль поверхности конденсации, м; ℓ '- характерный размер трубного пучка, м; Так как движение дисперсной жидкой фазы определяется в основном вынужденным движением пара, то изменение критерия Фруда будет оказывать незначительное влияние на процесс сепарации. Уравнение (2) было использовано для получения обобщенной зависимости величины уноса капель из конденсационного сепаратора. Окончательно получаем: . (3) Сепарация пара методом частичной конденсации на трубном пучке наиболее рациональна для очистки вторичных паров выпарных аппаратов от капель упариваемого раствора. Схемы многокорпусных выпарных установок предусматривают кожухотрубчатые подогреватели исходного раствора, обогрев которых происходит за счет конденсации определенной части вторичных паров, отбираемых из выпарных аппаратов. Это позволяет осуществлять конденсационную сепарацию пара в межтрубном пространстве подогревателей и использовать тепло частичной конденсации в технологическом процессе. Рисунок 1. Зависимость уноса С от числа Re в режиме противотока: N = 0,185+0,221; 1 - Р = 0,1 МПа; 2 - Р = 0,05 МПа; 3 - Р = 0,025 МПа; 1 ÷ 3 - ℓ = 4,5м; 4 - ℓ = 3 м; 5 - ℓ = 1,5 м Конденсационные сепараторы эффективно улавливают мелкие капли диаметром до 1 мкм в связи с чем их рекомендуется устанавливать на линии вторичного пара после инерционных или центробежных сепарационных устройств, в которых осаждаются более крупные капли. Кроме выпарных установок, конденсационные трубчатые сепараторы могут использоваться и в составе с другими аппаратами, отходящие пары которых содержат мелкие капли. В полученной зависимости C = f(Re) для противотока [2], в отличие от аналогичной зависимости для прямотока, отчетливо выражены две области (рисунок 1). Первая область характеризуется незначительным повышением уноса С при увеличении числа Рейнольдса. Во второй же области с увеличением Re происходит резкое возрастание величины С. Наличие двух областей в зависимости C = f (Re) для режима противотока обусловлено различным влиянием скорости пара W" на эффективность сепарации при W"< 15 м/с и при W" > 15 м/с. Из рисунка 1 можно видеть, что длина трубок сепарирующего элемента ℓ оказывает заметное влияние на унос С лишь во второй области зависимости C = f (W").Таким образом, учитывая неоднозначность влияния на эффективность сепарации основных параметров процесса в режиме противотока, экспериментальные данные, полученные в этом режиме, обобщались при помощи двух уравнений. Задача инженерного расчета конденсационного трубчатого сепаратора состоит в определении режимных параметров работы сепаратора (выбор схемы относительного движения пара в трубном пучке, расчет скорости пара W", нахождение величины уноса С) и его конструктивных размеров (размеры трубок трубчатого пучка, шаг трубного пучка, количество трубок), обеспечивающих минимальный унос при минимальной или заданной степени конденсации. Методика расчета сепаратора основана на определении режима сепарации, обеспечивающего минимальный унос при заданных геометрических параметрах трубного пучка и заданной степени конденсации. Для расчета сепаратора необходимо знать расход сепарируемого пара G кг/ч, а также величину давления пара Р, степень конденсации N, плотность жидкой и паровой фаз ρ', ρ ", вязкость пара и поверхностное натяжение жидкой фазы. Кроме того, необходимы данные о конструкции трубного пучка: диаметр d, длина ℓ и число трубок nтр, шероховатость труб и диаметр кожуха Dк, которые находятся из предварительного расчета по заданной тепловой нагрузке и расходу подогреваемого раствора. Последовательность расчета Согласно полученным зависимостям C = f(W"), минимальный унос Cmin при продольном обтекании трубного пучка наблюдается в режиме противотока [1, 2]. Находим значение приведенной скорости пара в трубном пучке . (4) Вычисляем эквивалентный диаметр межтрубного пространства теплообменника . (5) Определяем величину числа . (6) Находим значение критерия давления Кр . (7) В зависимости от найденной величины числа Re определяем значение минимального уноса Cmin по уравнениям С = 1,16 · 10-10 Re0,41N-1,7Kp0,26. (8) или С = 1,17 · 10-15 Re2,73 < N-1,51Kp-0,71(ℓ/d)-0,5. (9) Отсутствие ограничения по гидравлическому сопротивлению сепаратора позволяет на этом закончить расчет. В противном случае определяется потеря давления пара в межтрубном пространстве трубчатого пучка по известной методике и сравнивается с заданным гидравлическим сопротивлением сепаратора. При этом необходимо увеличить площадь сечения межтрубного пространства за счет уменьшения длины труб и увеличения диаметра корпуса.