15.2. Принцип конденсаційного очищення
При охолодженні багатокомпонентної газової суміші, що містить звичайні гази, що не конденсуються, охолодження суміші спочатку відбувається за рахунок конвекції, а тепловміст передавальної поверхні (стінка труби в поверхневому конденсаторі або крапля чи плівка холодагенту при безпосередньому контакті) зменшується до тих пір, поки газова фаза не насичується одним або декількома з її конденсованих компонентів. При додатковому охолодженні конденсовані гази дифундують до теплопередаючої поверхні, де відбувається їх конденсація з виділенням прихованої теплоти. Початкова точка роси або температура насичення для кожного компоненту може бути визначена з кривої залежності температури від тиску пари для даного компоненту при відомій величині його мольної частки в парі:
,
де yA − мольна частка компоненту А в парі;
Р − сумарний абсолютний тиск газу;
(pA)п − парціальний тиск компоненту А в парі.
Компонент А починає конденсуватися, коли температура газу знижується до температури, при якій компонент А має тиск пари (рА)=(рА)п.
Після початку конденсації температура газу знижуватиметься тільки у міру відведення відповідної кількості тепла і прихованої теплоти, внаслідок чого в процесі зниження температури газ залишатиметься насиченим компонентом А.
Оскільки пари речовини А повинні дифундувати до теплопередаючої поверхні, процес контролюється тепло- і масопереносом. У системі, що містить інші компоненти (В, С і так далі), що конденсуються, кожен з цих компонентів почне конденсуватися тоді, коли газ стане насичений цим компонентом, і для нього виконуватиметься співвідношення парціального тиску, аналогічне (рА)=(рА)п.
Для визначення температури, до якої потрібно охолодити газ, щоб досягти після обробки необхідного вмісту компоненту А, використовуються наступні рівняння:
;
де (νА)г − допустима об’ємна частка компоненту А в газових викидах;
(уА)г − допустима мольна частка компоненту А у викидах;
Р − абсолютний парціальний тиск газу;
(pA)г − допустимий тиск пари компонента A.
Необхідна температура газу є температурою, при якій тиск пари компоненту А рівно величині (pA)г на кривій тиску пари. У присутності декількох компонентів уловлювання здійснюється по компоненту, що вимагає найбільш низької температури.
15.3. Типи і конструкції конденсаторів
За способом взаємодії охолоджуючого і охолоджуваного середовища конденсатори розділяють на контактні і поверхневі. У контактних конденсаторах охолоджувані гази і холодоносій змішуються, а в поверхневих розділені твердою стінкою.
Контактні апарати по конструкції і методам розрахунку аналогічні пристроям абсорбції.
Конденсація змішенням здійснюється в апаратах − конденсаторах змішення. Залежно від способу відведення з апаратів потоків розрізняють мокрі і сухі конденсатори змішення. У мокрих конденсаторах охолоджуючий агент, конденсат і гази (повітря), що не конденсуються, відводять з нижньої частини апарату за допомогою мокро-повітряного насоса, в сухих охолоджуючий агент з конденсатом відводяться з нижньої частини апарату, а повітря відсмоктується вакуум-насосом з верхньої частини.
Крім того, розрізняють прямоточні конденсатори змішення, в яких охолоджуючий агент і пара рухаються в одному напрямі (зверху вниз), і протиточні, в яких пар і охолоджуючий агент рухаються в протилежних напрямах (агент зверху вниз, а пара від низу до верху).
Поверхневі конденсатори за конструкцією схожі з іншими типами поверхневих теплообмінників − підігрівачами, холодильниками, випарниками.
Кожухотрубчасті конденсатори можуть компонуватися вертикально або горизонтально. Конденсовані гази зазвичай направляють в їх міжтрубний, а холодносії − в трубний простір.
Найбільш простими є конденсатори типу “труба в трубі” (рис. 9.1, а), які виготовляються по нормалях або індивідуальних проектах.
Рис. 15.1. Конструкції теплообмінників-конденсаторів
Багатотрубні конденсатори складніші за конструкцією і мають два різновиди:
тип Н (з нерухомою решіткою) призначений для умов, що не вимагають компенсації температурної напруги;
тип К (рис. 9.1, б) має лінзовий компенсатор на кожусі.
Ще досконаліші, але досить складні конструктивно конденсатори з плаваючою головкою (рис. 5.1, в). Теплоообмінники з U- і W-подібними трубками мають хороші компенсаційні показники і простіші за будовою, але як конденсатори їх не застосовують.
Для апаратів типу Н залежно від матеріалу, діаметру і тиску допускається максимальна різниця температур охолоджуючого і охолоджуваного середовищ 20...60°С. При більшій різниці температур застосовують апарати типу К або з плаваючою головкою. Максимальний тиск для конденсаторів типу К складає 1,6 МПа, а для конденсаторів з плаваючою головкою до 1 МПа в трубному і 1...2,5 МПа в міжтрубному просторі. Всі елементи кожухотрубчастих конденсаторів (труби, перегородки, кожух і ін.) можуть виготовлятися з вуглецевих або легованих сталей.
Пластинчасті конденсатори простіші у виготовленні, мають менші опори і менш металоємні. Пакетні пластинчасті теплообмінники виготовляють з тонких металевих листів у вигляді багатошарових розбірних, напіврозбірних або нерозбірних пакетів. У розбірних конструкціях (рис. 9.1, г) пластини 1 збираються на стяжних пристроях з герметизацією за допомогою великих 2 і малих 3 прокладок із термостійкої гуми. У напіврозбірних або нерозбірних конструкціях пластини частково або повністю з’єднуються на зварюванні. Розбірні конструкції використовуються при робочому тиску до 1 МПа в межах температур -20...+180°С, зварні, − при тиску до 4 МПа і температурах -100...+300°С.
Найчастіше для конденсації використовуються кожухотрубчасті і пластинчасті конструкції.