1. Введение

Концентрирование относится к числу самых энергозатратных процессов химической технологии и является важнейшей стадией производства аммиачной селитры — крупнотоннажного продукта основного неорганического синтеза. Отличительные особенности аммиачной селитры (АС) в сравнении с другими азотсодержащими продуктами карбамидом и сульфатом аммония заключаются, в частности, в термической нестабильности и взрывоопасности при точечном подведении тепла. В целях безопасных условий производства процесс концентрирования аммиачной селитры проводят в специальных одноходовых выпарных аппаратах. Работа в пленочном режиме обеспечивается посредством использования распределительных устройств, создающих тонкую нисходящую пленку раствора на внутренней поверхности трубчатой части аппарата. Здесь осуществляется первая ступень выпаривания раствора с получением плава 99% масс, который на второй ступени в концентрационной части аппарата достигает концентрации 99,7–99,8% масс. NH4NO3, после чего из практически безводного плава в соответствии с требованиями ГОСТ (0,02% масс. Н2О) получается гранулированный продукт АС [1]. На основе АС с использованием кондиционирующих и модифицирующих добавок получают ассортимент продуктов, которые в зависимости от марки и добавки модификатора могут содержать 0,03-0,06% масс. воды [1], [2], [3].

Актуальным направлением развития действующих схем является повышение энергоэффективности процесса концентрирования, что достигается за счет оптимизации технологических параметров, конструкции и габаритов выпарного аппарата, в частности, высоты, диаметра и длины труб греющей части [2], [3], [5].

Настоящее расчетно-аналитическое исследование является продолжением работы [6] и показывает влияние концентрации раствора аммиачной селитры и давления греющего пара, поступающих в аппарат, на рабочую поверхность теплопередачи.

2. Расчетная часть и обсуждение результатов

Ключевые характеристики выпарного аппарата подбирались согласно расчетам материального и теплового балансов трубчатой части комбинированного выпарного аппарата (КВА), задаваясь производительностью 2500 т/сут. по исходному поступающему раствору.

В ходе расчета КВА, используемого в агрегатах АС-72 и АС-72М, варьировали давлением теплоносителя— греющего пара, в качестве которого выступал насыщенный водяной пар [2], [3], [6] и оценивали влияние исходной концентрации АС при изменении давления греющего пара в диапазоне 1,3-1,6 МПа (Pг.п.) с шагом 0,1 МПа на истинную рабочую поверхность теплопередачи (F) КВА.

По результатам балансовых расчетов КВА, выполненных в соответствии с известным алгоритмом [6], [8], [10], определено количество растворителя (W), удаляемого из раствора АС до достижения требуемой концентрации (99% масс.). Полученные результаты представлены в таблице 1.

По мере увеличения концентрации поступающего раствора NH4NO3 уменьшается количество упариваемой воды (таблица 1) и снижается потребление пара (D), что приводит к уменьшению удельной тепловой нагрузки аппарата (Qап). Это подтверждается результатами расчета (таблица 2), в соответствии с которыми мы видим практически прямо пропорциональную зависимость значения Qап от D. Следует отметить, что с увеличением давления насыщенного водяного пара при постоянной концентрации поступающего раствора NH4NO3, тепловая нагрузка не изменяется, что согласуется с работой [6].

Изменение Qап в зависимости от концентрации поступающего раствора NH4NO3 в исследуемом диапазоне (рис. 1), свидетельствует, что эффективность процесса выпаривания АС повышается при использовании раствора более высокой концентрации (близкой к 93% масс.). Ее достижение обеспечивается на стадии нейтрализации путем оптимизации технологических параметров исходных реагентов аммиака и азотной кислоты [2], [3], [11], [15]. Поскольку Qап является одним из ключевых параметров, необходимым для расчета рабочей поверхности (F), то уменьшение ее величины позволит снизить материалоемкость выпарного аппарата.

Расчет выпарного аппарата осуществлялся через основное уравнение теплопередачи, и включал в себя вычисление коэффициента теплопередачи (K) и движущей силы процесса — полезной разности температур (∆tпол). Результаты вычислений ∆tпол при различных xн и Pг.п. представлены в таблице 3.

Для повышения эффективности процесса концентрирования целесообразно использование раствора АС с минимально возможной концентрацией и максимально высокой температурой греющего теплоносителя в сравнении с температурой кипения раствора АС. Вследствие особенностей расчета пленочных аппаратов, температура кипения раствора АС принималась равной средней концентрации раствора (xср) на входе и выходе из трубчатой части выпарного аппарата, благодаря этому допущению, движение раствора в аппарате соответствует модели идеального вытеснения (МИВ) [6], [7], [14], [15].

Отрицательные значения ∆tпол, полученные в результате расчета, указывают на то, что при данных Pг.п. и xн, заданная концентрация не достигается. Анализ формулы (1) указывает на нецелесообразность использования в дальнейших расчетах ∆tпол<1, т.к. по мере уменьшения этого значения существенно увеличивается рабочая поверхность аппарата, материалоемкость и капиталозатраты (1).

где Fап — рабочая поверхность нагрева, м2; K — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К); Qап — тепловая нагрузка аппарата, кВт.

Коэффициент теплопередачи является функцией 2-х основных параметров - коэффициента теплоотдачи от пара к стенке (α1) и от стенки к кипящей пленке (α2). По мере роста Pг.п., коэффициент α1 практически не изменяется в интервале давлений 1,3–1,6 МПа, а существенный вклад вносит его истинное значение (α1*), используемое в алгоритме расчета [6]. Учитывая первое и второе приближение в расчетах аппарата, а также сложную функциональную зависимость α1* от физико-химических свойств насыщенного водяного пара, поступающего раствора АС, задаваемых параметров рабочих труб аппарата и коэффициента α2, значение последнего определяли по формулам (2, 3) [6]:

где λ2, ν2 — коэффициент теплопроводности и кинематическая вязкость кипящей пленки; g — ускорение свободного падения; Pr2, Reпл — критерии Прандтля и Рейнольдса кипящей пленки; Nu*2 — модифицированный критерий Нуссельта.

Nu*2, так же как и α1*, является функцией многих параметров, основный вклад в изменение которого вносят физико-химические свойства поступающего раствора АС, как показано в таблице 4 и на графике рис. 2 [2], [6].

Согласно данным таблицы и рисунку 2, наблюдается практически линейное увеличение Pr2, основной вклад в изменение которого вносят μ2, λ2 по сравнению с теплоемкостью (с2p), которая изменяется незначительно в данном диапазоне усредненных концентраций.Критерий Прандтля (Pr2) рассчитывался с использованием основного уравнения [6]. Расчет критерия Рейнольдса (Reпл) проводился по формуле (4), содержащей новый параметр — линейную плотности орошения (Г), которая является const, поскольку зависит только от задаваемых размеров рабочих труб и производительности установки (Gн). В связи с этим можно считать, что критерий Reпл, зависит от единственной переменной — динамической вязкости, которая, согласно формуле (4), будет уменьшать его значение.

Имея противоположный характер полученных критериальных зависимостей (Reпл и Pr2), оцениваем их вклад в конечное значение критерия Nu2*. Последний растет при увеличении xср, так как более значительный вклад в ее составляющую вносит критерий Pr2, в отличие от степенной зависимости критерия Reпл. Поскольку суммарный эффект в значение коэффициента α2 вносят физико-химические свойства раствора АС (таблица 4) и значения критерия Nu2*, можно считать, что α2 является сложной нелинейно убывающей функцией.

Итоговые расчетные значения критериев α1*, α2, Kи Fпри изменении xн и Pг.п. представлены в таблице 5. Выбранный диапазон Pг.п. соответствовал таковому в действующих выпарных аппаратах агрегатов АС-72 и АС-72М [2], [3].

Мы видим, что увеличение xн и Pг.п. приводит к значительному увеличению F, достигающей при Pг.п.=1,4 Мпа и хн=91% масс максимального значения 10000 м2. Согласно ГОСТ [16], F выпарных аппаратов не превышает 3000 м2.Главным ограничением использования растворов АС высокой концентрации (xн) является температура насыщенного водяного пара, усложняющей процесс выпаривания из-за проблем создания минимально возможной тонкой пленки раствора, распределенной по расчетному количеству труб, равномерно обогреваемых греющим агентом.

Таким образом, для получения раствора АС концентрацией 99,8% масс. оптимальная рабочая поверхность аппарата КВА F<1400 м2 с учетом 20–30% запаса находится левее пунктирной линии (рисунок 3), что в соответствии с литературными источниками сопоставимо с КВА агрегатов АС-72, АС-72 М. Большая компактность и меньшая материалоемкость КВА возможна при использовании труб меньшей длины [17].

3. Заключение

По результатам расчетно-аналитического исследования установлено, что выпарные аппараты агрегатов АС-72, АС-72 М с рабочей поверхностью F<1400 м2 и параметрами процесса концентрирования раствора АС Pг.п.=1,6 МПа; xн=89% обеспечат максимальную эффективность.

The additional file for this article can be found as follows: