5.1. Принцип конденсационной очистки
При охлаждении многокомпонентной газовой смеси, содержащей обычные неконденсирующиеся газы, охлаждение смеси сначала происходит за счет конвекции, а теплосодержание передающей поверхности (стенка трубы в поверхностном конденсаторе либо капля или пленка хладоагента при непосредственном контакте) уменьшается до тех пор, пока газовая фаза не насыщается одним или несколькими из ее конденсируемых компонентов. При дополнительном охлаждении конденсируемые газы диффундируют к теплопередающей поверхности, где происходит их конденсация с выделением скрытой теплоты. Начальная точка росы или температура насыщения для каждого компонента может быть определена из кривой зависимости температуры от давления пара для данного компонента при известной величине его мольной доли в парах:
yA · P = (pA)п, (5.1)
где yA – мольная доля компонента А в парах; Р – суммарное абсолютное давление газа; (pA)п – парциальное давление компонента А в парах.
Компонент А начинает конденсироваться, когда температура газа снижается до температуры, при которой компонент А имеет давление пара pA = (pA)п.
После начала конденсации температура газа будет понижаться только по мере отвода соответствующего количества тепла и скрытой теплоты, вследствие которого в процессе снижения температуры газ будет оставаться насыщенным компонентом А.
Поскольку пары вещества А должны диффундировать к теплопередающей поверхности, процесс контролируется тепло- и массопереносом. В системе, содержащей другие конденсирующиеся компоненты (В, С и т.д.), каждый из этих компонентов начнет конденсироваться тогда, когда газ станет насыщен этим компонентом, и для него будет выполняться соотношение парциальных давлений, аналогичное pA = (pA)п.
Для определения температуры, до которой нужно охладить газ, чтобы достичь после обработки требуемое содержание компонента А, используются следующие уравнения:
(vA)г = (yA)г; (yA)г·Р = (pA)г, (5.2)
где (vA)г - допустимая объемная доля компонента А в газовых выбросах; (yA)г - допустимая мольная доля компонента А в выбросах; Р - абсолютное парциальное давление газа; (pA)г - допустимое давление пара компонента A.
Необходимая температура газа представляет собой температуру, при которой давление пара компонента А равно величине (pA)г на кривой давления пара. В присутствии нескольких компонентов улавливание осуществляется по компоненту, требующему наиболее низкой температуры.
5.2. Типы и конструкции конденсаторов
По способу взаимодействия охлаждающей и охлаждаемой среды конденсаторы разделяют на контактные и поверхностные. В контактных конденсаторах охлаждаемые газы и хладоноситель смешиваются, а в поверхностных разделены твердой стенкой.
Контактные аппараты по конструкции и методам расчета аналогичны абсорбционным устройствам (см. раздел 3).
Конденсация смешением осуществляется в аппаратах – конденсаторах смешения. В зависимости от способа из аппаратов потоков различают мокрые и сухие конденсаторы смешения. В мокрых конденсаторах охлаждающий агент, конденсат и неконденсирующиеся газы (воздух) отводят из нижней части аппарата совместно при помощи мокро-воздушного насоса, в сухих охлаждающий агент с конденсатом отводятся из нижней части аппарата, а воздух отсасывается вакуум-насосом из верхней части.
Кроме того, различают прямоточные конденсаторы смешения, в которых охлаждающий агент и пар движутся в одном направлении (сверху вниз), и противоточные, в которых пар и охлаждающий агент движутся в противоположных направлениях (агент сверху вниз, а пар снизу вверх).
Поверхностные конденсаторы по конструкции сходны с другими типами поверхностных теплообменников - подогревателями, холодильниками, испарителями.
Кожухотрубчатые конденсаторы могут компоноваться вертикально или горизонтально. Конденсируемые газы обычно направляют в их межтрубное, а хладоноситель - в трубное пространство.
Наиболее простыми являются конденсаторы типа "труба в трубе" (рис. 5.1, а), которые изготавливаются по нормалям или индивидуальным проектам.
Многотрубные конденсаторы более сложны по конструкции и имеют две разновидности:
- тип Н (с неподвижной решеткой) предназначен для условий, не требующих компенсации температурных напряжений;
- тип К (рис. 5.1, 6) имеет линзовый компенсатор на кожухе.
Еще более совершенны, но достаточно сложны конструктивно конденсаторы с плавающей головкой (рис. 5.1, в). Теплоообменники с U- и W-образными трубками имеют хорошие компенсационные показатели и проще по конструкции, но в качестве конденсаторов их не применяют.
Для аппаратов типа Н в зависимости от материала, диаметра и давления допускается максимальная разность температур охлаждающей и охлаждаемой сред 20...60°С. При большей разности температур применяют аппараты типа К или с плавающей головкой. Максимальное давление для конденсаторов типа К составляет 1,6 МПа, а для конденсаторов с плавающей головкой до 1 МПа в трубном и 1...2.5 МПа в межтрубном пространстве. Все элементы кожухотрубчатых конденсаторов (трубы, перегородки, кожух и др.) могут изготавливаться из углеродистых или легированных сталей.
Пластинчатые конденсаторы более просты в изготовлении, имеют меньшие сопротивления и менее металлоемки. Пакетные пластинчатые теплообменники изготавливают из тонких металлических листов в виде многослойных разборных, полуразборных или неразборных пакетов. В разборных конструкциях (рис. 5.1, г) пластины 1 собираются на стяжных устройствах с герметизацией посредством больших 2 и малых 3 прокладок из термостойкой резины. В полуразборных или неразборных конструкциях пластины частично или полностью соединяются на сварке. Разборные конструкции используются при рабочих давлениях до 1 МПа в пределах температур - 20... 180°С, сварные - при давлениях до 4 МПа и температурах -100...300°С.
Рис. 5.1. Конструкции теплообменников-конденсаторов.
Наиболее часто для конденсации используются кожухотрубчатые и пластинчатые конструкции.