Приложение Б. Рекомендации по выбору способа охлаждения битумно-полимерной эмульсии

Приложение Б

Рекомендации
по выбору способа охлаждения битумно-полимерной эмульсии

Выбор теплообменника для охлаждения полимерно-модифицированной битумной эмульсии осуществляют, учитывая следующие данные:

- производительность эмульсионной установки;

- максимальная температура эмульсии на выходе мельницы;

- минимальная рабочая температура использования эмульсии;

- необходимость охлаждения эмульсии до рабочей температуры или температуры ниже температуры кипения;

- необходимость регулирования рабочих режимов охладителя;

- доступность охлаждающей среды (воды), возможность регулирования производительности подающего воду насоса;

- необходимость повторного использования охлаждающей воды (использование охлаждающей воды в замкнутом цикле);

- необходимость использования нагревшейся охлаждающей воды в технологическом цикле производства эмульсии;

- время, за которое требуется произвести охлаждение (синхронное проточное охлаждение или охлаждение на воздухе в закрытой емкости);

- наличие достаточных энергетических и водных ресурсов;

- себестоимость охлаждения эмульсии.

Количество критериев выбора может быть увеличено.

Б.1 Воздушное охлаждение в закрытой емкости

Его преимущество:

- низкая себестоимость охлаждения.

Его недостатки:

- большая длительность охлаждения (до нескольких суток);

- нестабильность процесса охлаждения и его зависимость от температуры окружающего воздуха;

- нестабильность работы коллоидной мельницы из-за переменного давления на ее выходе, вызываемого периодическим срабатыванием предохранительного клапана на емкости;

- опасность превышения давления в емкости при неисправности предохранительного клапана.

Б.2 Охлаждение проточными теплообменниками

Различают проточные трубчатые и пластинчатые теплообменники. Их преимущества перед воздушным охлаждением в емкости:

- охлаждение эмульсии производится со скоростью ее производства и не требует дополнительного времени;

- возможность регулирования уровня охлаждения;

- возможность использования охлаждающей воды в технологическом процессе производства эмульсии;

К недостаткам проточных охладителей следует отнести:

- значительную стоимость (особенно пластинчатых);

- необходимость в дополнительном месте размещения (особенно трубчатых);

- необходимость дополнительных затрат энергии и ресурсов (воды);

- необходимость регулярной очистки.

Для определения необходимых характеристик трубчатого теплообменника можно воспользоваться следующей методикой.

Б.3 Оценка теплоемкости эмульсии

Теплоемкости составляющих битумно-полимерной эмульсии имеют величины:

- теплоемкость мыльного раствора ( ккал/кг.град = 4,2 кДж/ кг.град)

- теплоемкость битума ( ккал/кг.град= 2,1 кДж/ кг.град)

- теплоемкость СБС-полимера ( ккал/кг.град = 1,8 кДж/ кг.град)

Допустим, состав эмульсии в %:

- содержание мыльной фазы;

- содержание битума;

- содержание полимера.

Тогда средняя теплоемкость эмульсии равна:

(Б.1)

Пример - Если принять содержание полимера в 5%, битума - в 60% и мыла - в 35%, то получим:

Б.4 Определение расхода воды на охлаждение

Пусть производительность завода тонн в час. Тогда расход эмульсии в секунду составит:

(Б.2)

Пусть температура эмульсии на выходе мельницы равна , а необходимая температура на выходе теплообменника .

Тогда теплообменник должен обеспечить снижение температуры потока на:

(Б.3)

Тогда мощность теплоотвода теплообменника должна быть:

(Б.4)

где

- код теплообменника.

Таким образом, через стенку теплообменника должен проходить тепловой поток Q.

Для теплового потока через цилиндрическую стенку справедливо:

(Б.5)

откуда:

(Б.6)

где

Q - тепловой поток через цилиндрическую стенку, Вт,

- коэффициент теплопроводности, Вт/м.град,

- 3,1416...;

l - длина трубки, м,

- температура на внутренней поверхности трубки (если горячая жидкость внутри), °К,

- температура на внешней поверхности трубки (если холодная жидкость снаружи), °К.

- внешний радиус трубки, м,

- внутренний радиус трубки, м.

Предположим, что теплообменник работает в режиме противотока, разность температур постоянна по длине трубки и равна , и, выбрав размеры трубки из имеющегося сортамента, можно, при определенном выше тепловом потоке, определить длину трубки теплообменника:

(Б.7)

где

l - длина трубки теплообменника, м,

- разница температур, [°К].

Обычно эта длина получается достаточно большой, поэтому вместо единой трубки, используется пакет трубок равной длины, суммарная длина которых равна l. При этом суммарная площадь проходного сечения трубок должна быть равна площади сечения выходного трубопровода мельницы.

Пакет трубок заключается в цилиндрическую обойму, в которой трубки, расположенные на равном расстоянии, омываются потоком охлаждающей воды.

Площадь сечения обоймы, за вычетом площади сечений трубок должна быть достаточной для ламинарного протекания охлаждающей воды.

Обычно, если - суммарная площадь проходного сечения пакета трубок, где - площадь проходного сечения одной трубки, n - количество трубок. Тогда площадь свободного сечения обоймы должна быть равна не менее .

Определим теперь расход воды для охлаждения трубок, заключенных в обойму:

(Б.8)

где

- количество тепла, отбираемое теплообменником за секунду;

- теплоемкость воды;

- расход воды за секунду;

- увеличение температуры воды в процессе теплообмена.

Очевидно, что , откуда, необходимый поток воды равен:

(Б.9)

а расход воды за час составит:

(Б.10)

С учетом коэффициента полезного действия:

(Б.11)