В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Конденсаторы, работающие при давлениях ниже тройной точки конденсируемого вещества
Получение вакуума - Вакуумные конденсаторы
Оглавление
Конденсаторы, работающие при давлениях ниже тройной точки конденсируемого вещества
Скребковые конденсаторы
Бесскребковые конденсаторы
Десублимационные конденсаторы
Десублимационные конденсаторы различных исполнений
Теоретические расчеты
Конденсаторы с охлаждающим газом
Конденсаторы с псевдоожиженным слоем
Все страницы


Конструкция десублимационного конденсатора зависит от характера процесса и теплофизических характеристик - твердой фазы, образующейся в вакууме. Основной характеристикой при разработке подобной аппаратуры является теплопроводность твердого конденсата.

Исследования Карпушина показали, что теплопроводность льда, образованного в вакууме, зависит от давления. Лед, образованный при давлении 2•1O-2 мм рт. ст. и температуре 195° К имеет теплопроводность 3,45 Вт/(м.*°С), измеренную при этой же температуре. При тех же условиях, но при давлении 4•1O-2 мм рт. ст. теплопроводность равна 3,26 Вт/(м*°С) и при давлении 8•1O-2 мм рт. ст. — 3,05 Вт/(м*°С). Еще большее влияние оказывает температура образования льда. Лед, образованный при температуре 77° К и давлении 2 - 10-2 мм рт. ст., имеет теплопроводность 2,8 Вт/(м* 0С). Лед, образованный в вакууме и при атмосферном давлении, имеет разные значения теплопроводности при одной и той же температуре

Десублимационные конденсаторы делят на две основные группы: скребковые и бесскребковые. Такое разделение связано с тем, что в десублимационных конденсаторах образуется твердый конденсат, присутствие которого изменяет условия теплообмена между поверхностью конденсации и конденсирующимся паром.

В скребковых конденсаторах лед непрерывно удаляется движущимися скребками и условия теплообмена с поверхностью благодаря этому постоянны.: В бесскребковых конденсаторах на поверхности непрерывно нарастает слой конденсата, причем распределяется он на поверхности неравномерно. Неравномерность намораживания твердого конденсата может привести к тому, что! в конденсаторе появятся сечения, полностью забитые твердым конденсатам в то время как некоторые участки теплообменной поверхности будут использованы неполностью или вовсе не использованы. Это очень важно учитывать! при проектировании бесскребковых десублимационных конденсаторов.

Третьей группой десублимационных конденсаторов являются адсорбционные, где пар конденсируется на поверхности холодных частиц рассола, разбрызгиваемого в объеме конденсатора. Разбавленный конденсатом раствор выводится из вакуумного объема, нагревается для выпаривания уловленного конденсата и после охлаждения вновь распыляется в вакуумном объеме конденсатора для повторного цикла.

В лабораторных сублимационных установках, где количество выделяющегося пара небольшое и пропускная способность системы достаточно! велика, расположение поверхности конденсации почти не влияет на интенсивность процесса. В таких установках можно применять простые конденсаторы типа ловушек, в которых низкие температуры создаются в результате заполнения их охлаждающими смесями (чаще всего смесью твердой COJ со спиртом). В производственных условиях конденсационная поверхность охлаждается с помощью холодильных машин. 

 


Скребковые конденсаторы имеют наиболее благоприятные условия теплообмена на поверхности. Их можно рекомендовать для работы в вязкостном и молекулярно-вязкостном режимах. Однако рабочий объем в этих конденсатора используется плохо.

В скребковом конденсаторе водяной пар конденсируется на внутренней охлаждаемой поверхности цилиндрического корпуса. Образующийся лед непрерывно счищается с помощью системы вращающихся лопастей, приводимых от электродвигателя. Вал расположенного снаружи электродвигателя проходит через специальное уплотнение внутрь вакуумной

системы. Соскребаемый со стенок аппарата лед скапливается в нижнем охлаждаемом бункере. Выгрузка конденсата из бункера обычно периодическая. В некоторых установках применено специальное устройство для непрерывной выгрузки конденсата. Непрерывное удаление конденсата с поверхности позволяет проводить процесс конденсации одинаково эффективно на всех стадиях рабочего цикла. Экономически применение скребковых конденсаторов оправдано лишь при необходимости конденсировать большие количества водяного пара, в противном случае бесскребковые конденсаторы более экономичны.

В установке для получения сухого апельсинового сока суточной производительностью 2,25 т порошка использованы пять скребковых конденсаторов и каждый из них обслуживает две сушилки. Конденсатор представляет собой цилиндр диаметром 61 см с рубашкой. Внутренняя поверхность его составляет 1,85 м2. Конденсаторы снабжены набором вращающихся скребков. Приемник вмещает около 180 кг льда. После наполнения прием-Ника конденсатор отсоединяется от сушилки и приемник опорожняется.

Весь цикл длится около 30 мин. Воздух из конденсатора откачивается четырехступенчатым паровым эжектором. Конденсаторы рассчитаны на производительность 23,85 кг ч водяного пара при давлении пара 0,1 мм рт ст. и температуре поверхности —41° С. Наибольшее термическое сопротивление в этой системе создается пленкой хладагента: коэффициент теплоотдачи от стенки к пленке хладагента составляет 732 ккал/(м2*ч • °С), общий коэффициент теплопередачи 630 ккал (м2 • ч • °С). Чтобы уменьшить влияние низкого коэффициента теплоотдачи со стороны хладагента, поверхность увеличивается применением ребер. Правильность такого решения подтверждена опытом эксплуатации установок Для создания низкой температуры в конденсаторе применяют двухступенчатое аммиачное механическое охлаждение. Температура хладагента —48,3° С.

На рис. 249 дана схема трехкамерного скребкового конденсатора конструкции НИИХИММАШа. Его поверхность конденсации значительно больше поверхности однокамерного аппарата при одинаковых габаритных размерах. Конденсатор состоит из трех камер: внутренней цилиндрической, передней и наружной кольцевых. В каждую камеру сверху поступает водяной пар. Конденсатор приспособлен для проведения исследовательских работ,в связи с чем пар подается либо во все камеры одновременно, либо в две или в одну камеру. Привод скребков расположен в верхней части аппарата. Каждый скребок съемный. Во внутренней камере два скребка; в кольцевых камерах — по четыре скребка в каждой. Скребки распределены равномерно по окружности камер. Скорость вращения от 30 до 150 об/мин. Стенки камер охлаждаются непосредственным испарением хладагента в двух кольцевых пространствах между камерами. Холодильный агент подводится и отводится в нижней части конденсатора, причем для отвода паров хладагента установлена специальная трубка. Бункер для сбо ра льда охлаждается с помощью специального змеевика.

На рис. 250 показан конденсатор конструкции НИИХИММАШа для хинизарина, в котором съем конденсата со стенок трубки производится с помощью подвижной решетки.

 

Бесскребковые конденсаторы применяют в основном в странах Европы. Различают конструкции, в которых конденсация происходит внутри труб (трубчатые конденсаторы), и конструкции, в которых пар осаждается на наружной поверхности змеевика или какого-либо другого охлаждающего устройства. Трубчатые конденсаторы можно рекомендовать только для условий вязкостного режима, когда лед намораживается на поверхности труб относительно равномерно. При более низких давлениях наибольшая масса

конденсата образуется во входной части труб независимо от их расположения (горизонтальное, вертикальное, наклонное), и вследствие этого поперечной сечение труб забивается конденсатом.

В трубчатом конденсаторе (рис. 251) использование конденсационной поверхности улучшено благодаря ступенчатому изменению уровня хладагента в межтрубном пространстве.

Очевидно, что при намораживании льда на наружной поверхности труб легче избежать забивания проходных сечений, поэтому для любого режима предпочтительны такие конструкции. Если конденсатор выполнен в виде змеевика, на наружной поверхности которого осаждается конденсат, то здесь трудно осуществить оттаивание льда, так как с такой поверхности конденсат удаляется недостаточно быстро. При оттаивании обычна внутрь змеевика подается теплоноситель. Образовавшееся ледяное кольцо

 

Рис. 249. Трехкамерный скребковый конденсатор конструкции НИИХИММАШа:

а — продольный разрез; б — поперечный разрез по AA без боковых ножей; в — поперечный разрез по BB; 1 — вход паровоздушной смеси; 2 — рабочие камеры; 3 — к вакуум-насосу; 4 — скребки; 5-охлаждаемые кольцевые рубашки; 6 — вращающийся вал теряет непосредственный контакт с поверхностью змеевика; избежать этого можно, если подавать теплоноситель непосредственно в объем аппарата.

 


 Десублимационный конденсатор должен быть выполнен таким образом, чтобы при его работе максимально использовался объем конденсатора и тепло-обменная поверхность, а накапливающийся твердый конденсат не мешал бы проходу парогазовой смеси. Примером конденсатора с наименьшим сопротивлением является так называемый открытый конденсатор, помещенный непосредственно внутрь сублимационной камеры.

250. Конденсатор для хинизарина конструкции НИИХИММАШа:

1 — подвижная решетка; 2 — коробка; 3 — трубная доска; 4 — прижимное кольцо; 5 — шток; 6 — поршень; 7 — паронитовая прокладка; 8 — резиновое кольцо; 9 — резиновый амортизатор; 10— резиновая прокладка; 11 — вход пара; 12 — откачка воздуха; 13 — вход воды; 14 — выход воды; 15 — вход и выход воздуха

 

По этому принципу работает большинство криогенных установок для создания сверхвысокого вакуума. Открытые конденсаторы следует применять в установках, работающих при низких давлениях. На рис. 252 показан конденсатор из прямых труб сублимационной установки фирмы Митчелл (Англия), работающий при температуре —45° С. Конденсатор можно расположить внутри камеры в виде отдельной секции, отделенной затвором, или вынести за пределы камеры. Конденсатор фирмы Фуд Машинери энд Кемикал Корпорэйшн (США) помещен непосредственно в сушильной камере (рис. 253). Единовременная загрузка камеры 450 кг продукта. Полезная площадь 46,5 м2. Для среднего вакуума предложена конструкция каркасного конденсатора. Расположение охлаждаемых поверхностей обеспечивает равномерный подход к ним парогазовой смеси в течение

Рис. 251. Схема трубчатого конденсатора завода "Смычка" 

Рис. 252. Сублимационный конденсатор из прямых труб (фирма Митчелл, Англия)

 

 

 

 

 


Дальнейшим развитием каркасных конденсаторов явился конденсатор Мялкина с касательным ребром в сублимационном конденсаторе с касательным ребром пар конденсируется в межтрубном пространстве, где установлены охлаждающие элементы в виде короткошланговых испарительных батарей с вертикальными трубками. Чтобы лед не намораживался на трубки испарителя кольцами, каждая вертикальная испарительная секция имеет одно ребро в виде сплошного листа, соединяющего все трубки данной секции, это значительно увеличивает теплообменную поверхность конденсатора и обеспечивает намораживание льда по обе стороны ребра в виде плит. При подаче в испарительные секции горячих паров хладагента эти плиты подтаивают и сползают на дно конденсатора, где под действием тепла нагревательного элемента быстро тают.

Крепление испарительных батарей на нижней обечайке облегчает монтаж и эксплуатацию конденсатора, так как позволяет наблюдать за работой батарей без нарушения коммуникаций конденсатора.

 

Техническая характеристика конденсатора с касательным ребром

Рабочая поверхность в м2....... .... 4,8

Производительность по намораживаемому льду (при давлении 0,1—0,2 мм рт. ст.) в кг/ч....... 3—4

Рабочая температура в °С:

при намораживании .....—60 - -45

оттаивании ............... 50—60

Габаритные размеры в мм:

высота.................... 1150

диаметр корпуса .... .450

диаметр фланцев..... 550

Масса в кг ..........  160

 

Каухчешвили и др. предложено включать охлаждаемую поверхность конденсатора частями. Первой включается секция 1, наиболее удаленная от сублиматора, а затем последовательно включаются секции 2, 3 и т. д. Последовательное включение теплообменных поверхностей приводит к относительно равномерному намораживанию льда на всех трубах секций конденсатора (рис. 256).


Рис 254 Каркасный конденсатор НИИХИММАШ: 1 -корпус, 2 -каркас, 3 и 4 экраны, 5 -подвод пара, 6 - слив конденсата,7- вход паровоздушной смеси
 
Рис. 255 конденсатор установки для сушки эндокринного и ферментного сырья: 1- камера, 2 -затвор, 3- корпус конденсатора, 4 -охлаждаемый каркас и экраны
 
 

На рис. 257 приведена схема конденсатора Мялкина с направляющей перегородкой в которой последовательная работа батарей происходит без переключения каких-либо вентилей. Парогазовая смесь подается в центр конденсационных батарей, которые в этом месте не имеют вертикальны; труб, и благодаря наличию направляющей перегородки разделяется на 2 потока; тем самым рабочее сечение конденсатора увеличивается в 2 раза

 

 

 

 

 

Увеличение живого сечения способствует более эффективному и равномерному использованию теплообменной поверхности.

 

Разновидностью каркасного конденсатора является конденсатор фирмы Лейбольд (ФРГ), показанный на рис. 258.

Как уже указано, важным моментом в работе десублимационных конденсаторов является быстрое удаление из конденсатора намороженного льда.


 
 
 

Наилучшей конструкцией в этом случае является такая, в которой лед намораживается на висячих трубах. При небольшом повышении температуры поверхности труб выше нуля он моментально с них сползает. Конденсатор, в котором лед намораживается на наружной поверхности висячих труб, назван конденсатором с вторичным хладагентом (рис. 259).

В сублимационных установках непрерывного действия чаще всего устанавливают несколько попеременно работающих конденсаторов; в то время как в одном конденсаторе лед намораживается, в другом он оттаивает. Можно значительно уменьшить число вакуумных затворов, если сделать работу десублимационного конденсатора непрерывной. Непрерывное удаление пара возможно с помощью жидкостных адсорбционных конденсаторов или при откачке пара эжекторными насосами, а также в ионных конденсаторах.

Фирмой Бонапак (Италия) сконструирована сублимационная установка с непрерывной конденсацией паров, выщеляющихся в процессе сублимационной сушки. В таком сублимационном агрегате пары влаги непрерывно удаляются в процессе работы сублимационной установки и она может работать неограниченное время. Для такой непрерывной работы конденсатора используют незамерзающую жидкость (при температуре от —10° до —70° С). При этой температуре упругость паров воды, конденсируемых в аппарате, составляет от 2 до 10-3 мм рт. ст.

Упругость паров рабочей жидкости в указанном интервале температур значительно ниже упругости паров воды.

Рабочая незамерзающая жидкость разбрызгивается в конденсаторе, куда поступают пары воды из сублимационной камеры. Пары воды конденсируются на каплях рабочей жидкости и затем уносятся общим потоком в специальную камеру. В камере жидкость очищается от образовавшихся частичек льда. Очищенная от частичек льда жидкость снова поступает в аппарат для конденсации паров воды. Установка показана на рис. 260 и 261.


 

 

Рис. 260. Сушильная сублимационная установка фирмы Бонапак

(Италия)

Рис. 261. Конденсатор сублимационной установки фирмы Бонапак

(Италия)

 


 

Рис. 262. Схема сублимационного конденсатора непрерывного действия:

1 — патрубок для входа парогазовой смеси; 2 — патрубок для откачки неконденсирующихся газов; I 3 — уравнительная линия; 4 — перепускной вентиль; 5 — направляющая перегородка; 6 — патрубок для отсоса паров первичного хладагента; 7 — рабочие колонки; 8 — теплоизоляционная перегородка; р — штуцер для подачи жидкого хладагента; 10 — вакуумное пространство конденсатора; 11 — шнек; 12 — сборник плавитель льда; 13 — рубашка сборника-плавителя льда; 14 — секторная заслонка; 75, 16 — испарители первичного хладагента; 17 — штуцер для слива конденсата; 18 — привод вакуумных затворов; 19 — выгрузные люки; 20 — вентиль для напуска воздуха в систему

На рис. 262 приведена схема десублимационного конденсатора непрерывного действия, в котором циклы намораживания и оттаивания чередуются без переключения вакуумных затворов. Конденсатор сконструирован на основе предложенного Мялкиным десублимационного конденсатора с вторичным хладагентом, рабочие колонки которого позволяют намораживать и оттаивать лед без изменения режима работы холодильной машины. Преимущества такого конденсатора:
1) постоянное обновление теплообменной поверхности, что позволяет уменьшить ее величину;

2) очистка рабочей поверхности без применения механических способов!

3) возможность непосредственного присоединения к сублиматору, что повышает откачивающую способность конденсатора, так как уменьшается! сопротивление вакуумных коммуникаций;

4) нет необходимости применения вакуумных затворов больших диаметров стенки tст.

Расчет. До сих пор не получена общая теоретическая зависимость для расчета процесса конденсации в жидкое состояние. При теплотехнических расчетах обычно используют коэффициент теплоотдачи а, величину которого в большинстве случаев определяют чисто эмпирически.

Если течение пленки ламинарное, то тепло через пленку переносится только теплопроводностью, и тогда удельный тепловой поток согласно уравнению Фурье

 

(87)

 

С другой стороны, так как пленка конденсата жидкая, можно применить формулу Ньютона для конвективного теплообмена для расчета в ограниченных пределах. Только в некоторых простейший случаях возможно аналитическое определение коэффициента теплоотдачи.

 

Нуссельт ввел коэффициент теплоотдачи а для расчета теплообмен при конденсации пара, заимствовав его из области теплообмена без фазовый превращений. При этом он пренебрег теплотой перегрева пара по сравнении с теплотой фазового превращения и принял температуру поверхности пленки, на которой происходит конденсация, равной температуре* пара. Схема расчета конденсации в жидкое состояние следующая. Все выделяемое при конденсации пара тепло должно пройти к стенке через пленку конденсата. Температуру пленки с одной стороны принимают в первом приближении равной температуре насыщенного пара tn, с другой стороны — равной температуре

 

откуда

 

 

Формула Нуссельта справедлива только для слабодвижущегося пара. Если пар находится в движении, то появляется трение пара о пленку конденсата, возникает турбулентное течение; при этом передача тепла интенсифицируется в результате конвективного переноса тепла жидкостью.

Кружилин внес в уравнение Нуссельта поправку, учитывающую наличие инерционных сил. Аналогично уравнению импульса для гидродинамического пограничного слоя получается уравнение потока тепла для теплового пограничного слоя. В уравнения для потока тепла и импульса он вводит прямолинейное распределение температуры и параболическое распределение скорости.

В уравнении Нуссельта не учтено возможное возникновение турбулентного течения пленки, при котором уменьшается ее термическое сопротивление и увеличивается коэффициент теплоотдачи. Капица показал, что нужно учитывать поверхностное натяжение пленки и что более устойчивое течение,пленки в вертикальных трубах не ламинарное, а волновое. В этом случае,эффективная теплопроводность пленки увеличивается на 20% по сравнению с теплопроводностью пленки при ламинарном течении.

Можно указать и на многие другие поправки и уточнения теории Нуссельта (к какой температуре относить физические параметры пленки, как влияет взаимное направление течения пара и пленки, скорость потока, наличие пучка труб и т. д.). Однако, несмотря на эти поправки, теория Нуссельта дает правильное представление о ходе процесса конденсации и численные зависимости для некоторых простейших случаев. Так как нет аналитического аппарата для решения вопросов теплообмена во всей их сложности, то при исследовании таких процессов пользуются аппаратом теория подобия.

На практике редко наблюдается конденсация чистого пара без примеси воздуха или каких-либо неконденсирующихся примесей. В случае же примеси газа к пару конденсация существенно изменяется. Когда на поверхности пленки конденсируется пар, парциальное давление рп пара вблизи стенки понижается, а так как общее давление по сечению конденсатора остается постоянным, то соответственно давление воздуха вблизи поверхности конденсации увеличивается.

Накапливающийся у стенки воздух диффундирует в направлении, противоположном движению потока паровоздушной смеси к стенке. Эта диффузия препятствует конденсации пара. При определенном количестве газа скорость процесса конденсации начинает определяться скоростью диффузии пара сквозь прилегающий к поверхности слой, насыщенный газом. Если перемешивание пара и газа хорошее, влияние газа сказывается меньше.

При конденсации пара в присутствии воздуха теплообмен в большинстве случаев играет не определяющую, а подчиненную роль, так как весь пар,

которому удается проникнуть, к стенке путем диффузии, успевает полностью сконденсироваться. Применение коэффициента теплоотдачи а для описания такого процесса условно и не отражает существа происходящих явлений. В самом деле, общее термическое сопротивление

 

где R6 — термическое сопротивление пленки конденсата; Rp — «внешнее» термическое сопротивление.

Rp по существу не является термическим сопротивлением, а характеризует скорость переноса вещества к поверхности конденсатной пленки. Опыты показывают, что с увеличением количества газа в паре имеет место соотношение

 

Увеличение содержания газа в паре приводит к необходимости нахождения условий диффузии пара к поверхности конденсации, а не условий отвода тепла, выделяемого при фазовом превращении, от поверхности конденсации. Попытка решить эту задачу с помощью классической диффузионной теории Стефана не привела исследователей (Колборна, Франк-Каменецкого) к практическим результатам, а усложнила расчетные формулы, не приближая их к правильному отображению физической картины явления, До сих пор в теории теплообмена применяется эмпирический коэффициента.

При расчете аппаратов, предназначенных для десублимации пара, с помощью соотношений, построенных аналогично формуле Нуссельта, допускается принципиальная ошибка. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности конденсата определяют по теплоте фазового превращения, в то время как в действительности этот коэффициент должен характеризовать процесс охлаждения пара до температуры насышения. При десублимации пара выделившаяся теплота фазового превращения переносится только теплопроводностью через слой твердого конденсата. Удельный тепловой поток можно определить аналогично выражению (87)

 

 

где Кл — теплопроводность льда; бл — толщина слоя твердого конденсата. По аналогии и здесь можно ввести коэффициент

 

но он имеет еще более формальный характер, чем при конденсации пара в жидкость, так как тепло не может переноситься через твердую пленку конвекцией.

Надо снова подчеркнуть, что при конденсации теплота фазового превращения выделяется после соприкосновения пара с поверхностью, поэтому ни о каком коэффициенте теплоотдачи а от пара к поверхности (если пренебречь теплотой охлаждения пара) не может быть и речи. Теплота конденсации не передается от пара к стенке, а выделяется непосредственно на поверхности и далее передается через слой конденсата и стенку теплопроводностью.

Ранее делались попытки формального определения коэффициента  по опытным данным. Для этого общее количество выделенного тепла делили на разность температур и величину поверхности. Пользоваться таким значением  можно в условиях, в точности соответствующих тем опытам, в которых это значение получено; однако это решение чисто эмпирическое, оно не отражает механизма процесса. Правильное решение — это определение необходимой поверхности конденсатора по его откачивающей способности, т. е. определение поверхности конденсации не по количеству перенесенного тепла, а по количеству перенесенного вещества.


Основное уравнение для расчета процесса имеет вид

 

 

I или для водяного пара при T = 293° К

 

 

где Sk объемная скорость конденсации пара на 1 см2 поверхности, имеющей температуру tст, в л/(с*см2); рк— давление насыщения, ; рс — среднее парциальное давление пара в системе.

 

Полуэмпирическое выражение для коэффициента f

 

 

удовлетворительно согласуется с теоретическим значением.

 

Здесь P1 = 1 мм рт. ст. (нормирующее давление); рс выражено в мм рт. ст.; ? зависит от характерного размера аппарата (О < ? < 1).

Таким образом, основная трудность при определении необходимой И поверхности конденсации сводится к правильному определению характерного размера dK. В общем случае характерный размер можно определить как кратчайшее расстояние между двумя ближайшими поверхностями конденсации. При образовании слоя льда на поверхности надо учитывать уменьшение проходного сечения. Чтобы рассчитать необходимую поверхность F, И которая обеспечивала бы полную откачку пара из испарителя (до давления насыщения, соответствующего температуре поверхности F), следует воспользоваться уравнением

 

 

 

Однако необходимый результат можно получить только в случае, если к поверхности F будет обеспечен свободный доступ пара в течение всего цикла. В связи с этим F мы называем «эффективной» поверхностью. Таким образом, задача здесь сводится не только к вычислению необходимой величины F, но н к необходимости наилучшего ее расположения.

 

Таким образом, эффективная поверхность

 

(88)

 

Если рк и рс выразить в мм рт. ст., a (SK)F — в л/с, то F получим в см2. (SK)F — это объемная скорость откачки конденсатора, необходимая для обеспечения бесперебойной работы установки. Если сублиматор и конденсатор соединены системой трубопроводов и вентилей, суммарная Пропускная способность которых L в л/с (рис. 263); то (SK)F определяют следующим образом. Объем пара, в л/с, образующийся при выделении Mn кг влаги в сублиматоре при давлении Pс:

(89)

где V— удельный объем водяного пара при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20° С (v = 1,31 м3/кг).

Подставляя v в формулу (89), имеем (в л/с)

 

 

Однако Vд еще нельзя рассматривать как необходимую скорость откачки конденсатора (SK)F Как известно из вакуумной техники, насос с паспортной скоростью откачки Swc в действительности может создать скорость откачки S определяемую из соотношения

 

 

 

где L — пропускная способность соединительных коммуникаций.

 

Это же соотношение применимо и к конденсаторам. Если выделяющийся в испарителе пар имеет объем VA и его необходимо откачать с помощью конденсатора, то необходимая расчетная скорость откачки конденсатора (SK)F не равна Vд, а связана с величиной Vд соотношением

 

 

откуда

 

(90)

 

 

 

 

Таким образом, расчетная скорость конденсации всегда больше, чем скорость выделения пара в испарителе, а значит, увеличится и необходимая поверхность конденсации. Следовательно, чем больше пропускная способность L, тем более рационально используется конденсатор. Если же пропускная способность L соединительных коммуникаций между испарителем и конденсатором того же порядка, что и VA, т. е. L = Vд, то, как следует из последнего уравнения, необходимая скорость откачки, а следовательно,и необходимая поверхность конденсации будут стремиться к бесконечности.

Отсюда ясно, что необходимо, чтобы L было значительно больше, чем Vд. Например, для сублимационной сушильной установки, в которой выделяется Vд = 950 л/с пара, примем пропускную способность коммуникаций между испарителем и конденсатором L = 4400 л/с. Тогда получим

 

 

а необходимая поверхность для получения такой скорости откачки, подсчитанная по уравнению

равна 0.64 м2.

 

 

Если же принять пропускную способность U = 1400 л/с, что составляет 1.5Vд (т. е. условие L' >Vд и здесь соблюдается), то получим

 

 

Таким образом, во втором случае пришлось бы взять поверхность конденсации в 2,5 раза больше и затратить значительно больше средств на постройку аппарата, а полезная производительность нисколько бы не увеличилась. Во всех случаях следует выбирать наибольшую пропускную способность, какая только допустима конструкцией.

 

Еще раз подчеркиваем, что здесь речь идет о пропускной способности соединительных труб между испарителем и конденсатором, а не о пропускной способности внутри самого конденсатора.

Формулы для расчета пропускной способности приведены в гл. 2.

Подставляя значение (SK)F из формулы (90) в формулу (88), получим

 

 

где F в см2, если L и Vд выражены в л/с, а рк и рс в мм рт. ст.

При определении F1 мы исходим из предположения, что температура поверхности со стороны конденсирующегося пара постоянна в течение всего процесса конденсации. Для соблюдения этого условия необходимо непрерывно отводить от поверхности теплоту, выделяющуюся при конденсации. Расчет проводят по известным формулам теплопередачи.

 

После определения величины поверхности задача еще не может считаться решенной, так как необходимо обеспечить более или менее равномерное распределение конденсата на поверхности.

Некоторые рекомендации (весьма приближенные) по этому вопросу даны в работах Каухчешвили и Гуйго. Авторы предлагают формулу

 

 

где fii — коэффициент неравномерности.

Для более полного использования поверхности рекомендуется соотношение

 

 

 

где Lpaб — длина, «активного» участка трубы; В — ширина потока паров (или диаметр трубы); С—эмпирический коэффициент, учитывающий влияние режима конденсации.

I Поданным авторов, для давлений 0,5—1,5 мм рт. ст. и температур конденсации -20 - -25° С коэффициент С = 50-60.

Более точно распределение конденсата на поверхности можно определить по уравнению

 

 

где ksi аргумент функции распределения, прямо пропорциональный длине поверхности (по направлению потока пара).

Задаваясь различными значениями ksi, строим график распределения конденсата на поверхности таким образом, чтобы максимальное значение 1 ординаты соответствовало допускаемой толщине слоя льда б. Далее подсчитываем площадь под кривой распределения, которая представляет собой поперечное сечение слоя льда, образованного на плоской поверхности или на поверхности цилиндра. Далее необходимо разделить полученную площадь на длину поверхности и таким образом найти среднюю толщину слоя.

Окончательно выбрать величину поверхности можно только после определения этой средней толщины слоя льда. Длину поверхности следует выбрать по этому же графику таким образом, чтобы не осталось слабо нагруженных участков поверхности.

Рабочую длину поверхности можно ориентировочно определить по графикам на рис. 264. Анализ функции распределения конденсата на поверхности показывает, что чем выше давление Pс, тем равномернее распределение льда. Если из графика fii (ksi) следует, что лед распределен более или менее равномерно по поверхности, то в этом случае длину поверхности выбирают в зависимости от конструкции. Если длина поверхности недостаточна, то пар попадает в вакуумные насосы, поэтому насосы сублимационных установок должны быть обязательно снабжены газобалластными устройствами.

 


 

 

 

При сублимации с несущим газом в конденсатор добавляют некоторое дополнительное количество охлаждающего газа, что приводит к десублимации вещества в объеме. Конденсацию с помощью охлажденного газа, циркулирующего в сушильной камере с определенной скоростью, применяли и при сушке материалов в замороженном состоянии. В некоторых случаях в качестве поверхностей охлаждения для конденсации пара используют шланги из гладкого материала, на которых слабо удерживается слой конденсата (тефлон, силопрен). Воздух подается через шланги таким образом, что они периодически совершают колебательные движения, при этом выделившиеся кристаллы материала сбрасываются. Однако этот способ мало применим из-за его высокой стоимости.

 


 


Аналогично процессу сублимации теплопередачу в конденсаторах можно значительно увеличить созданием псевдоожиженного слоя. Входящий в конденсатор вместе с паром сублимируемого вещества газ-носитель может образовать «кипящий» слой при наличии в объеме соответствующих зерен-гранул. При этом способе следует, кроме газа-носителя, вдувать в конденсатор дополнительное количество охлаждающего газа. Однако если для создания кипящего слоя необходимо вводить в конденсатор какое-либо инертное, прочное к истиранию вещество, то после проведения процесса нужно отделять полученный продукт от постороннего вещества, что не так легко осуществить.

Естественно, что наилучшим способом является возможность использования для создания кипящего слоя самого получаемого вещества в гранулированном виде. Если величина зерна этого гранулята не совпадает с величиной зерна материала, применяемого для создания кипящего слоя в сублиматоре (гранулят, как правило, грубее), то это компенсируется вдуванием дополнительного охлаждающего газа в конденсаторы. Итак, горячий газ-носитель, несущий пары сублимируемого вещества и дополнительный охлаждающий газ, должен поп адать снизу в конденсатор, применяемый для создания кипящего слоя и загруженный снизу мелкозернистым исходным гранулятом.

Этот гранулят превращается за время пребывания в конденсаторе в более грубый конечный гранулят, который должен непрерывно ссыпаться или выноситься. Поскольку вероятно, что часть десублимата выпадает в виде тонкой пыли в последнем конденсаторе (при наличии нескольких конденсаторов) либо в фильтре, расположенном за последним конденсатором, то эту пыль необходимо переработать в гранулят материала, применяемого для создания кипящего слоя, и снова использовать его в конденсаторе.

Расположенный после конденсатора фильтр препятствует захвату чистого продукта в циркуляционный насос или подогреватель газа. Опасность же эта велика, так как конденсат при проведении процесса с несущим газом имеет довольно большой объем и мелкие зерна. При конденсации пара на зернах в аппаратах с кипящим слоем можно снизить унос конечного продукта, но отказаться полностью от фильтра нельзя. Допустимо неполное отделение пыли в фильтре, так как захваченная пыль подается при циркуляции газа-носителя к подогревателю газа, где она сублимируется вторично. Закупорки отверстий фильтра можно избежать, если его пластины достаточно нагреты.

Если в конденсаторы подается охлаждающий газ, то этот поток газа следует снова отделить от потока газа-носителя за холодным фильтром; в противном случае в подогреватель и сублиматор поступит слишком много газа. Таким образом, охлаждающий газ отделяется от общего потока, проходит через холодильник и с помощью отдельной воздуходувки подводится снова к первому конденсатору.

Если используют фракционную конденсацию для разделения различных сублимируемых веществ, то нужно несколько конденсаторов. Если же сублимируется только одно вещество, то применяют постепенную конденсацию в нескольких конденсаторах с различными температурами. При этом конденсат в аппаратах с разной температурой отличается размерами и формой зерен, а также степенью чистоты.

 


 

 

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 104 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru