Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей.

Конденсаторы-испарители в блоках разделения воздуха служат для конденсации азота за счет испарения кислорода или обогащенного кислородом воздуха, т. е. представляют собой теплообменные аппараты, в которых процесс теплообмена происходит с изменением агрегатного состояния веществ.

От эффективности работы конденсатора-испарителя часто в значитель­ной степени зависит экономичность работы всей установки. В установках низкого давления увеличение на 1°С разности температур между конденси­рующимся азотом и кипящим кислородом ведет к увеличению расхода электроэнергии на сжатие воздуха на 4–5%.

Конструктивно конденсаторы-испарители могут быть следующих типов:

горизонтальные кожухотрубные аппараты:

а) с кипением жидкости внутри труб и с конденсацией снаружи;

б) с кипением снаружи и с конденсацией внутри труб;

вертикальные:

а) бесфланцевые аппараты с кипением в межтрубном пространстве и конденсацией внутри труб;

б) фланцевые ап­параты с кипением кислорода в межтрубном пространстве;

в) бесфланце­вые аппараты с внутритрубным кипением и конденсацией снаружи труб;

так называемые «выносные конденсаторы» делаются часто витыми с ки­пением кислорода внутри труб;

кожухотрубные аппараты оросительного типа с внутритрубным кипением стекающей пленки жидкости и с конден­сацией снаружи труб;

за последнее время появилась тенденция к переходу от кожухотрубных конденсаторов к пластинчато-ребристым.

Горизонтальные конденсаторы-испарители являются мало эффективными аппаратами, так как в них, в связи с затрудненным отводом паров или кон­денсата, блокируется образовавшейся новой фазой поверхность теплообмена, ухудшается теплоотдача с внутренней стороны трубы. Поэтому за редким исключением в установках разделения воздуха применяют вертикальные конденсаторы-испарители указанных выше типов.

На рис. 1 изображен бесфланцевый конденсатор-испаритель с кипе­нием в межтрубном пространстве. Такой тип конденсатора применяют в уста­новках малой производительности, а также в аргонных и криптоновых колон­нах крупных установок. Соединяют конденсатор с колоннами низкого и вы­сокого давления при помощи пайки. Основные размеры аппарата даны при­менительно к конденсатору с поверхностью теплообмена F = 20 мг. Конденсаторы-испарители с кипением кислорода в межтрубном пространстве имеют невысокий коэффициент теплопередачи, равный 500–600 вm/(м2·град). Причиной этого служат прежде всего малая теплоотдача со стороны кипящей жидкости из-за плохой организации парожидкостного потока.

На рис. 2 изображен конденсатор-испаритель F = 760 м2 с кипением кислорода в трубах. Такого типа аппараты в отечественной технике разделения воздуха применяют в крупных установках. В отличие от предыдущих аппараты этого типа не встраиваются в колонны, что позволяет создавать в агрегате требуемую поверхность теплообмена путем изменения не только размеров аппарата, но и их числа. Агрегат БР-1 с номинальной производи­тельностью 12 500 нм3/ч технологического кислорода имеет, например, три основных конденсатора по 760 м2.

В конденсаторах-испарителях с внутритрубным кипением при тепловых нагрузках, обычных для промышленных установок [q > 1200 вт/(м2·град)]г коэффициенты теплоотдачи составляют 700—800 вm/(м2·град).

Основным преимуществом конденсаторов-испарителей данного типа является простота осуществления конструкции с большим отношением (высоты трубы к ее диаметру l/d; при этом можно иметь сравнительно небольшой уровень жидкости, отнесенный к некипящему кислороду, над нижним обрезом труб, чем обеспе­чивается минимальная потеря температурного на­пора в нижней части аппарата, обусловленная гид­ростатическим давлением столба жидкости. Для организации циркуляции жидкости конденсатор имеет в середине циркуляционную трубу. Из цир­куляционной трубы осуществляется также и отбор жидкого кислорода в продукционный – выносной, конденсатор, так как стекающая в циркуляционную трубу жидкость имеет несколько более высокую концентрацию, чем жидкость, поступающая в кон­денсатор из колонны.

Конденсаторы-испарители с внутритрубным кипением могут дополнительно к своей основной функции выполнять также роль парлифта, слу­жащего для подъема кипящей жидкости. Использо­вание конденсаторов в качестве парлифтов дает воз­можность устанавливать колонну низкого давления на одной отметке с колонной высокого давле­ния, обходясь при этом без насоса для подачи флегмы.

Дальнейшее повышение интенсивности тепло­обмена в конденсаторах испарителях может быть достигнуто применением конденсаторов-испарителей оросительного типа (рис. 3). Высокая эффек­тивность конденсаторов-испарителей оросительного типа обусловливается тем, что процесс кипения происходит в жидкости, стекающей по стенке в виде тонкой пленки толщиной δ< 1,5 мм, теплоотдача при которой возрастает вследствие увеличенной час­тоты отрыва пузырьков пара в ней и турбулизации пленки, а также вследствие испарения ее. Кроме того, в оросительных конденсаторах отсутствует депрессия температурного напора и малоэффективная зона подогрева кислорода до температуры кипения. Интенсивность теплообмена особенно возрастает при переходе с парлифтного режима на оросительный при малых тепловых нагрузках. Для тепловой нагрузки, например 1000 вт/м2, коэффициент теплоотдачи возрастает более чем в 2 раза.