Нагревание, охлаждение, конденсация. Общие сведения.

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы: нагревание, конденсация, испарение паров, которые проводятся в т/о аппаратах, называемых теплообменниками. Они предназначены для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Т/н имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда и отдающие тепло, называют нагревающими агентами. А т/н с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами. В качестве прямых источников тепла в химической промышленности используют топочные газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку т/о нагреваемой среде, носят название промежуточный теплоноситель. К числу промежуточных т/н относят водяной пар и горячую воду, а также высокотемпературные т/н. К ним относятся: перегретая вода, органические жидкости и их пары, расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы. Выбор т/н зависит в первую очередь от требуемой температуры нагрева и охлаждения, и необходимостью ее регулирования. Кроме того промышленный т/н должен обеспечить достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массе и объеме его расходов. Соответственно, он должен обладать малой вязкостью и высокими ρ, с, теплотой парообразования. Желательно также, чтобы т/н был не горюч, нетоксичен, термически стоек, не оказывал разрушающего влияния на материал теплообменника и являлся вместе с тем дешевым доступным веществом.

 

Нагревание водяным паром

- широко применяется в химической промышленности для ускорения многих массообменных, диффузионных процессов. Преимущества: в результате конденсации пара получают большее количество тепла при относительно небольшом расходе пара, т.е. теплота конденсации его составляет приблизительно r = 2,26*10⁶Дж/кг при р = 1 атм.

Важным достоинством насыщенного пара является постоянство температуры его конденсации при данном давлении, что дает возможность точно поддерживать температуру его нагрева, а также в случае необходимости регулировать ее, изменяя давление греющего пара. Имеет постоянство вдоль всей поверхности стенки, что дает возможность легко автоматизировать процесс.

Основной недостаток водяного пара – значительное возрастание давления с повышением температуры => температуры, до которых можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180 - 160˚С, что соответствует

р_пара ~ 10-12 атм. При больших давлениях требуется слишком дорогая толстостенная т/о аппаратура, а также велики расходы на коммуникации и арматуру.

 

 

Нагревание глухим паром

- это когда теплоноситель и хладагент разделены стенкой. Пар, соприкасаясь с холодной стенкой, конденсируется и пленка конденсата стекает с поверхности, температура ее приблизительно равна температуре пара. При расчете температуры пленки берут равной температуре пара. Пар подводят в аппарат обычно сверху, а конденсат отводят снизу. Расход глухого пара при непрерывном нагревании определяется из уравнения теплового баланса: D = G*c(t₂ – t₁) + Q_п / (I_п - I_к), где

D – расход глухого пара;

G – расход нагревательной среды;

с – удельная теплоемкость вещества (теплоносителя);

t₂ – температура нагретой среды;

t₁ – начальная температура нагреваемой среды;

Q_п – потери тепла в окружающую среду;

I_п – энтальпия или теплосодержание греющего пара;

I_к – энтальпия конденсации.

Если пар не будет полностью конденсироваться на поверхности т/о и его часть будет уходить с конденсатом, то это вызовет непроизвольный расход пара. Пар, который не сконденсировался – пролетный пар.

 

Нагревание острым паром

- применяют в тех случаях, если имеется возможность смешивания нагреваемой среды с конденсатом, т.е. пар непосредственно введен в эту среду. Это более экологичный метод нагрева, т.к. температура парового конденсата с нагреваемой средой выравнивается. Если одновременно с нагреванием жидкость нужно перемешивать, то ввод острого пара осуществляют через барбатер (трубы с отверстиями и закрытые с одного торца). Расход острого пара определяют, учитывая равенство конечных температур конденсата и нагревателя. Тогда находят уравнение теплового баланса

 D = G*c(t₂ – t₁) + Q_п / (I_п - с *t₂), где

с_к – удельная теплоемкость конденсата.

 

 

Нагревание горячей водой

Горячая вода в качестве нагревающего агента обладает определенными недостатками по сравнению с насыщенным водяным паром. Коэффициент теплоотдачи у воды как и у любой другой жидкости ниже коэффициента теплоотдачи у конденсирующего пара. Кроме того, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что ухудшает процесс теплообмена и снижает его регулирование. Горячую воду получают в котлах и паровых водонагревателях (бойлерах). Вода применяется обычно для нагрева до температур не более 100˚С, для температуры больше 100 ˚С используют в качестве теплоносителя воду, находящуюся под избыточным давлением р_изб = 22,5 МПа.

 

 

Нагревание топочными газами

Дымовые или топочные газы относятся к числу наиболее давно применяемых нагревательных агентов. Топочные газы позволяют осуществлять нагревание до высоких температур (1000 - 1100˚С) при незначительных избыточных давлениях. Наиболее часто топочные газы используются для нагревания других газов через стенку других нагревательных агентов. При нагревании до 420˚С для изготовления т/о аппаратуры применяются обычные углеродистые стали. Расход топлива при нагреве топочными газами определяется из уравнения теплового баланса:

В = G*c(t₂ – t₁) + Q_п / (I₁ - I₂), где

В – расход газообразного топлива,

I₁ – энтальпия топочных газов на входе в т/о,

I₂ - энтальпия топочных газов на выходе из т/о.