РАЗДЕЛ 2
УПАРИВАНИЕ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ С ПЕРЕМЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ФАЗ В ВЫПАРНОМ АППАРАТЕ СО СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ
2.1. Введение твердой фазы в упариваемый раствор и анализ ее влияния на процессы теплообмена в пленке суспензии
В энергетике, химической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности находят широкое применение процессы упаривания растворов. Наиболее эффективным является проведение этих процессов в стекающей пленке. Значительная часть упариваемых растворов содержит соли, которые в процессе упаривания вызывают инкрустацию поверхности нагрева. Применительно к солесодержащим растворам не рекомендуется использовать пленочные выпарные аппараты. Методом позволяющим применить пленочные выпарные аппараты к солесодержащим суспензиям может служить внесение небольшого количества твердой фазы (5-15%) в исходный раствор, что позволит повысить эффективность процесса выпаривания и снизить скорость накипеобразования.
Как показали исследования по упариванию ряда растворов с кристаллизирующимся компонентом, а также анализ данных обследования эксплуатируемых в промышленности аппаратов, наличие твердой фазы изменяет процесс теплоотдачи, по сравнению с теплообменом чистых растворов [86, 90]. Добавление некоторого количества твердой фазы, кристалликов затравки, приводит к изменениям в процессе теплопередачи, которые можно объяснить следующими особенностями гравитационного течения пленок суспензий с кристаллизирующимся компонентами:
во-первых, достигая поверхности нагрева, кристаллики помогают отрыву паровой фазы, образующейся на поверхности нагрева, что приводит к турбулизации потока жидкостной суспензии при всплытии парового пузырька, таким образом, кристаллики затравки за счет своего хаотического перемещения вызывают дополнительную турбулизацию пленки суспензии;
во-вторых, некоторое количество твердых частиц, перемещаясь вдоль поверхности нагрева, попадая на стенки трубки, уменьшают и прорывают ламинарный пристеночный подслой, турбулизируя его;
в-третьих, кристаллики, находящиеся в жидкостной суспензии, являются центрами кристаллизации для кристаллизирующейся фазы, и тем самым берут на себя основную массу кристаллизирующейся фазы, оттягивая ее от поверхностей нагрева, препятствуя ее зарастанию;
в-четвертых, наличие твердой фазы изменяет гидродинамическую характеристику потока, за счет изменений физико-химических свойств раствора.
Как отмечалось раннее работ, в которых бы рассматривались совместно вопросы теплообмена и кристаллизации в стекающей пленке суспензии с кристаллизующимся компонентом, на данный момент нет.
В связи со сказанным исследование процессов тепломассообмена в стекающей турбулентной пленке суспензии при кипении, разработка математического описания и создание методик, позволяющих применение выпарных аппаратов со стекающей пленкой к жидкостным суспензиям с твердой фазой, представляет теоретический и практический интерес.
2.2. Особенности моделирования течения пленки суспензии в выпарном аппарате со стекающей пленкой
Выпаривание растворов с кристаллизацией солей представляет собой сложную систему процессов, между параметрами которой существует взаимосвязь, возрастание одного параметра может снизить эффективность другого.
Анализируя работы в области создания и разработки выпарных аппаратов можно сказать, что повышение эффективности процессов выпаривания ведут в трех направлениях:
-оптимизация конструкции выпарного аппарата и режима его работы;
-интенсификация процесса теплообмена, протекающего при этом;
-оптимизация оборудования, комплектующего установку.
Решение данной проблемы требует изучения процессов протекающих в выпарном аппарате со стекающей пленкой. Данная работа состояла из следующих стадий:
-построение модели процесса теплообмена при кипении стекающей пленки суспензии и математическое описание этого процесса;
-получение критериального уравнения, описывающего процесс;
-обработка экспериментальных данных;
-установление адекватности полученной модели пленочного течения суспензии.
При составлении модели упаривания суспензии в стекающей пленке допускалось, что изменение исследуемого параметра является функцией координат и времени, рассматриваемые параметры в данном сечении постоянны.
В процессе работы над диссертацией появилась необходимость на базе существующих теорий и теоретических предпосылок разработать модель пленочного течения и найти обобщенные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи, учитывающие взаимное влияние процессов кипения и кристаллизации в процессе теплообмена в жидкостной пленке суспензии.
При этом исходили из следующего: суспензия, поступающая в аппарат, содержит некоторое количество твердой фазы (5-15% в зависимости от рода суспензии). По мере движения пленки суспензии по поверхности теплообмена происходит парообразование и кристаллизация. Причем данные процессы идут по всей длине трубы - пути движения суспензии, в которой паровая, жидкая и твердая фаза равномерно распределены в толщине пленки. Такая равномерность сохраняется по всей длине, таким образом, жидкая, паровая и твердая фазы совместно движутся вдоль поверхности нагрева. Достигается такое распределение за счет турбулентности движущегося потока и ограниченной устойчивости перегретой жидкой фазы при наличии возбудителей фазового превращения (зародыши кристаллов твердой фазы).
Новые пузырьки пара могут образовываться на поверхности нагрева за счет отклонения физических величин, характеризующих равновесное состояние среды - то есть флуктуаций. При этом идет снижение относительной скорости пара и создается однородная смесь. Влияние движущихся кристаллов на относительную скорость фаз незначительно, так как их массовое содержание мало. Но при повышении содержания кристаллов имеет место подавление турбулентности.
Количество выделившейся при кипении твердой фазы зависит от степени перегрева суспензии и определяет пло