книги из ГПНТБ / Попов, Н. П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений [учебное пособие]

Жидкие' топлива представляют собой продукты переработки сырой нефти, углей и горючих сланцев путем их перегонки, кре­ кинга, пиролиза и синтеза. Основным источником для получения жидкого топлива является нефть, из которой при прямой перегонке вырабатывается бензин, лигроин, керосин, соляровое масло и мазут.

Наиболее доступным видом топлива для сжигания в топках аппа­ ратов контактного типа являются мазуты — остаточные тяжелые фракции при перегонке нефти. Важнейшие характеристики мазу­ тов — температура застывания и вязкость, которые определяют возможности их подачи по трубам к месту потребления. Для транс­ портирования и эффективного распыления в форсунках мазут не­ обходимо подогревать до 80 °С.

Сжигание топлива

Основным условием для сжигания топлива является наличие достаточного количества воздуха (кислорода) при хорошем переме­ шивании в процессе горения. Продолжительность перемешивания зависит от •конструкции горелки и характера движения (турбулент­ ное или ламинарное) двух диффундирующих струй.

Горючая часть топлива содержит органические соединения, в со­ став которых входят углерод, водород, кислород и сера.

Негорючая часть состоит из влаги, минеральных веществ, которые при сжигании образуют золу и сажу, а также из балластных газов — азота и двуокиси углерода. Нагревание балластных примесей в то­ пливе — непроизводительный расход тепла. Наличие влаги в горю­ чей смеси и воздухе также требует затрат» тепла на нагревание и испарение.

Чем больше в топливе горючих элементов, тем выше теплота его сгорания, а чем больше балласта и негорючих элементов, тем она ниже. Поэтому любое жидкое и газообразное топливо в целях улучшения эффекта сжигания подвергается предварительной обра­ ботке, т. е. удалению негорючих элементов, сушке и обогащению.

Для сравнения различных видов топлива определяют их теплоту сгорания, т.. е. способность топлива выделять возможно большее количество тепла при полном сгорании единицы объема или массы.

Необходимо различать высшую и низшую теплоту сгорания топ­ лива, Высшая <2в соответствует условиям, при которых все водяные пары, полученные при сжигании, переводятся в жидкое состояние. В практических условиях сжигания топлива водяные пары не кон­ денсируются, а удаляются с продуктами горения, унося определен­ ное количество тепла. Потому, е целью приближения к реальным условиям сжигания топлива, принято понятие низшей теплоты сго­ рания топлива 0 , которая определяется с учетом затрат тепла на образование водяных паров.

Теплоту сгорания топлива определяют путем сжигания его в калог риметрах.

Для определения теплоты сгорания сложного газа расчетным путем необходимо знать, из каких горючих газов он состоит и ка­

20

кие химические реакции происходят в процессе горения. Состав и теплота сгорания некоторых горючих газов и мазутов приведены в приложении (табл. IV и Y).

Основные свойства топочных газов и воздуха

Как указывалось выше, топочные газы и воздух содержат опре­ деленное количество водяных паров, т. е. представляют собой газо­ вые смеси. Характеристическими параметрами для влажного газа являются давление Р , парциальное давление водяного пара р п и сухого воздуха рвОЗД, абсолютная температура Т, плотность р, влагосодержание d, относительная влажность <р, теплоемкость с и теплосодержание (энтальпия)’ г. Расчет выпарных установок кон­ тактного типа целесообразно вести на 1 кг абсолютно сухого газа, так как эта величина остается постоянной в процессе выпаривания.

Влагосодержанием газа называется отношение массы влаги в данной смеси к массе сухой части смеси. Влагосодержание обозна­ чается d (г/кг) или х (кг/кг).

В смеси газов объем каждого, газа равен общему объему смеси V, а температура — обшей температуре смеси. Поэтому влагосодер­ жание газа может быть определено из уравнения:

где КвозД, R n — газовые постоянные воздуха и пара; V выражается в кубических метрах, а Т — в кельвинах.

Так как для воздуха и водяного пара отношение RB03ЛШП=

Относительная влажность пара ф определяется как отношение данной абсолютной влажности газа к максимальной абсолютной влажности, которая может удерживаться в 1-м8 газа без конденса­ ции влаги при данных давлении и температуре, т. е.

21

рп — парциальное давление водяного пара при данной тем­ пературе влажного газа, кгс/м2;

Рнас — парциальное давление сухого насыщенного водяного пара, кгс/м2.

Величины рнас и рнас определяют по таблице сухого насыщенного водяного пара по заданной температуре (см. приложение, табл. I).

Плотность влажного газа определяется суммой плотностей су­ хого газа и водяного пара:

Для парогазовых смесей введено понятие теплоемкости влажного газа свл г при постоянном давлении, отнесенной к 1 кг влажного газа, и теплоемкости влажного газа, отнесенной к 1 кг сухого газа.

Теплоемкость влажного газа, отнесенная к 1 кг влажного газа:

и теплоемкость влажного газа, отнесенная к 1 кг сухого газа:

d — влагосодержание газа, кг/кг.

Для влажного воздуха приближенно можно определить среднюю теплоемкость по соотношению:

22

Для определения теплосодержания перегретого водяного пара можно пользоваться формулой:

При расчете параметров смеси топочных газов и воздуха необ­ ходимо знать элементарный состав принятого топлива.

Теоретическое количество абсолютно сухого воздуха для сжига­ ния 1 кг твердого или жидкого топлива определяется по уравнению:

где Ср, Нр, Ор и Sp — величины элементарного состава топлива, выраженные в процентах по весу.

Для сжигания сухого газообразного топлива эта величина со­ ставляет:

их содержание выражается в процентах по весу.

Чтобы определить, сколько водяных паров и сухих газов обра­ зуется при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, пользуются формулами:

Коэффициент избытка воздуха а определяют исходя из заданной температуры топочных газов перед выпарным аппаратом £вх.

23

Для твердого и жидкого топлива

Lo ( cc.rW + -^ g — *о)

для газообразного топлива

т}т — к. п. д. топки, учитывающий потери тепла в окружающую

"среду, %;

24

концы которых погружены в раствор. При перемешивании раствора и теплоносителя происходит интенсивное испарение воды и частично раствора. Из камеры I I I отходящие газы поступают по барботажной трубе 3 в камеру II. Для повышения температуры парогазовой смеси в эту камеру по барботажной трубе 4 подается дополнительно неко­ торое количество свежих топочных газов. Из камеры II газы вместе

спарами раствора и воды по барботажной трубе 5 направляются

вкамеру I, где отдают тепло на подогрев исходного слабого раствора. Упаренный раствор удаляется по трубе 8 из камеры III.

Отходящие гаш

трубы для отходящих газов; 6 — труба для подачи слабого раствора; 7 — цилиндрический корпус; 8 — труба для отвода упаренного раствора.

Противоток раствора и газов позволяет лучше использовать тепло топочных газов, но потери тепла с отходящими газами значи­ тельны. Кроме того, происходит большой унос паров раствора, ко­ торые улавливаются в отдельном электрофильтре.

При концентрировании в данном аппарате серной и фосфорной кислот и других агрессивных растворов необходимо защищать его изнутри коррозионностойкими материалами.

На рис. 5 представлена одна из Конструкций выпарного аппарата с погружными горелками. При барботаже нагретых газов через слой раствора создается значительная межфазовая поверхность и жидкость перемешивается пузырьками газа — в результате дости­ гается интенсивный теплообмен. В крышке корпуса 1 аппарата рас­ положена одна горелка 2 (как показано на рисунке) или несколько. Горелки погружены под уровень выпариваемого раствора. Уровень раствора в аппарате поддерживается постоянным с помощью перели­ вной трубы 3. Упаренный раствор отводится из конического днища аппарата, а выпадающие здесь кристаллы отсасываются эрлифтом. Парогазовая смесь отводится из пространства над жидкостью через сепаратор 4.

Для таких аппаратов обычно используют специальные горелки беспламенного горения, снабженные огнеупорной насадкой, которая, будучи раскалена, каталитически ускоряет процесс горения. В аппа-

26

parax с погружными горелками более высокий тепловой к. п. д., чем в барботажных аппаратах барабанного типа.

Большой практический интерес представляют скоростные прямо­ точные распиливающие аппараты. На рис. 6 представлена схема уста­ новки из двух распыливающих скоростных аппаратов, имеющих форму труб Вентури.

Выпариваемый раствор из дозатора 8 поступает во вторую (по ходу газа) трубу Вентури 6, распыляется здесь и в виде мелких ка­ пель уносится газовым потоком

при температуре 900—1000 °С. Здесь газ охлаждается до 220—230 °С, во второй трубе 6 — до 100—150 °С. Скорость газов в трубах Вентури 100—150 м/с. Гидравлическое сопротивление установки 1700— 1750 мм вод. ст.

В описанной выпарной установке благодаря высокой интенсив­ ности процесса температура раствора в трубе ниже, а время сопри­ косновения раствора с топочными газами меньше, чем в барботажных аппаратах с погружными горелками и в аппаратах барабанного типа. Это снижает степень разложения раствора и уменьшает коли­ чество образующегося тумана.

Такие установки в ближайшее время могут найти широкое рас­ пространение в промышленности благодаря простоте, высоким технико-экономическим показателям и большим возможностям уве­ личения производительности аппаратов.

Скрубберные выпарные аппараты по принципу действия можно разделить на скрубберы с насадкой и полые скрубберы, в которых жидкость распиливается форсунками.

27

Г Л А В А II

ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИИ

1. УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫПАРИВАНИЯ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ к и с л о т ы

Особенности выпаривания фосфорной кислоты

Экстракционная фосфорная кислота, получаемая в основном дигидратным способом, содержит не более 30—32% Р 20 5. В неболь­ ших количествах производят фосфорную кислоту полугидратным способом — она содержит 40—45% Р20 Б. Однако для производства концентрированных фосфорных и сложных удобрений требуется фосфорная кислота, содержащая 37—55% Р 20 Б, а для получения полифосфатов аммония и концентрированных жидких удобрений — полифосфорная кислота с 72—83% P2Os. Поэтому во многих случаях фосфорную кислоту выпаривают. ■ _ ,

Процесс выпаривания, фосфорной кислоты осложнен сильной коррозией аппаратуры и выделением примесей. Горячая фосфорная кислота оказывает сильное корродирующее действие на большин­ ство известных металлов, сплавов и силикатно-керамических мате­ риалов. Коррозия резко усиливается, если в выпариваемом растворе содержится 2—5% свободной H 2S04. Поэтому к такой кислоте, поступающей на выпаривание, целесообразно добавлять столько

Выделяющиеся в процессе выпаривания осадки забивают аппа1ратуру, в результате ее производительность резко снижается. Это затрудняет использование для выпаривания фосфорной кислоты типовых выпарных установок.

С повышением концентрации фосфорной кислоты и с понижением температуры уменьшается растворимость содержащихся в ней при­ месей — сульфата и фосфата кальция, фосфатов железа, кремнефторидов натрия и кальция и т. д. Все это приводит к непрерывному увеличению количества осадков, выделяющихся при упаривании кислоты и при последующем ее охлаждении.

Количество и состав осадков зависят от состава фосфорной кислоты. В частности, с увеличением содержания свободной H 2S04 уменьшается осаждение солей кальция (их меньше в исходной кислоте) и усиливается выделение солей железа и алюминия. Осадки состоят обычно из сульфатов и фосфатов кальция, железа и алюми­ ния, фторида и кремнефторида кальция.

При стоянии исходной фосфорной кислоты (28—32% Р 20 6) осаждаются главным образом сульфат кальция и кремнефторид на­ трия, а также небольшое количество комплексных кремнефторидов,