Нагревание (охлаждение) жидкостей и газов

Кипение–процесс образования пара внутри всей массы жидкости.Кипение может быть пузырьковым или пленочным. Пузырьковое кипение наблюдается при небольших температурных перепадах и сопровождается образованием пузырьков пара в отдельных участках стенок аппаратов. При увеличении температурного перепада число паровых пузырьков увеличивается, они сливаются между собой и кипение переходит в пленочное.

Переход пузырькового кипения в пленочное называют кризисом кипения,а соответствующее значение температурного перепада–критическим.

Процессы нагревания (охлаждения) жидкостей и газов осуществляются в разнообразной теплообменной аппаратуре.

Самый распространенный промышленный теплоноситель — насыщенный водяной пар.Это обусловлено такими его свойствами, как способность аккумулировать большое количество теплоты и высоким коэффициентом теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного водяного пара при атмосферном давлении равна 2260 кДж/кг. Это позволяет при незначительном расходе пара на малой поверхности нагрева передавать большое количество теплоты. Так как при неизменном давлении температура конденсации постоянна, то можно легко поддерживать постоянство температуры теплоносителя в аппарате.

Недостаток водяного пара — значительное возрастание давления при увеличении температуры. Поэтому на практике применяют насыщенный водяной пар температурой до 180...190°С при давлении до 106 Па. Перегретый пар редко используют в качестве теплоносителя из-за низких значений коэффициента теплоотдачи.

Чистая водашироко используется в качестве теплоносителя. Преимущества воды — доступность и дешевизна, а также сравнительно высокие (но значительно меньшие, чем у конденсирующегося пара) коэффициенты теплоотдачи.

К недостаткам чистой воды как теплоносителя следует отнести резкое увеличение давления при превышении температуры 100°С, поэтому перегретую воду за редким исключением в качестве теплоносителя не используют.

Топочные газышироко применяют на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000°С при атмосферном давлении, поэтому для отбора теплоты удобно использовать промежуточный теплоноситель, который вначале нагревается топочными газами, а затем подается в теплообменный аппарат. В качестве промежуточного теплоносителя используют воздух, минеральные масла и др.

Недостатки топочных газов: наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена; низкий коэффициент теплоотдачи.

Минеральные масла— распространенные промежуточные теплоносители. Они характеризуются высокой температурой кипения, что позволяет нагревать их до значительных температур. Помимо подогрева масел топочными газами, для их нагрева используют также электроподогрев.

Масла — сравнительно дешевые теплоносители, но они имеют относительно небольшие коэффициенты теплоотдачи и склонны к образованию на нагреваемой поверхности слоя кокса, ухудшающего теплообмен.

Нагревание электрическим сопротивлением – наиболее распространенный способ нагревания электрическим током. Нагрев осуществляется в электрических печах сопротивления при прохождении тока через нагревательные элементы, выполненные в виде проволочных спиралей и лент. Нагрев электрическими сопротивлениями позволяет достигать температур 1000-1100^оС.

Индукционное нагревание представляет собой способ нагревания электрическим током, основанным на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко, возникающими в толщине стенок стального аппарата под воздействием переменного электрического поля. Оно обеспечивает равномерный обогрев при температурах, превышающих 400^оС, и позволяет точно поддерживать заданную температуру нагрева.

Высокочастотное нагревание.Такой способ применяют для нагревания материалов, не проводящих электрического тока (диэлектриков). Принцип нагревания заключается в том, что молекулы материала, помещенного в переменное электрическое поле, начинают колебаться с частотой поля и при этом поляризуются. Колебательная энергия частиц затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в тепло непосредственно в массе нагреваемого материала. За счет использования тепла диэлектрических потерь достигается весьма равномерное нагревание материала.

Высокочастотный обогрев в химической технологии применяют для нагревания пластических масс перед их прессованием, для сушки некоторых материалов и других целей.

Выбор греющих агентов обусловлен требуемой температурой нагрева холодной среды (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Греющие агенты и температура нагреваемой среды

Промежуточные теплоносители –вещества,циркулирующие взамкнутом контуре и служащие для переноса тепла (холода) от источника тепла (холода) к нагреваемой (охлаждаемой) системе (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Классификация промежуточных теплоносителей

Для охлаждения до значительно более низких температур, чем 0^оС, применяют холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиака), сжиженные газы (углекислый газ, этан и т.д.) или холодильные рассолы. Эти агенты используют в специальных холодильных установках, где при их испарении тепло отнимается от охлаждаемой среды, после чего пары сжижаются путем компрессии или абсорбируются и цикл замыкается.

Холодильные рассолы –растворы хлоридов натрия,кальция или магнияразличной концентрации, имеющие температуру затвердевания от -20 до 45°С. Применяются для переноса холода от испарителя холодильной установки к охлажденному объекту.

Высокотемпературные органические (ВОТ) и неорганические теплоносители:

к ВОТотносятся глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые производные ароматические углеводородов – дифенил, дифениловый эфир, дифенилметан, дитолилметан и др., продукты хлорирования дифенила и полифенолов (арохлоры) и многокомпонентные ВОТ. Наибольшее промышленное применение получила дифенильная смесь(Даутерм А), состоящая из 26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира. Преимущества дифенильной смеси — высокая термическая стойкость и возможность нагрева до 250°С при атмосферном давлении. При более высоких температурах используют насыщенный пар дифенильной смеси, имеющий сравнительно небольшое давление. Дифенильная смесь нетоксична. Недостатком дифенильной смеси является малая теплота парообразования;

кремнийорганические термостойкие жидкости(ароматические эфиры ортокремниевой кислоты) с низкой температурой плавления. Эти теплоносители весьма термостойки имеют высокую температуру кипения — до 300°С, но легко гидролизуются при воздействии влаги;

расплавы солей —наибольшее практическое применение имеет нитрит-нитратная смесь, содержащая 40% NaNO₂, 7% NaNO₃ и 53% KNO₃. Эта смесь применяется для нагрева до 500–540° С. Коэффициент теплоотдачи у нее ниже, чем у перегретой воды, но при принудительной циркуляции достигается достаточно интенсивный теплообмен;

нагревание ртутью и расплавами металлов(легкоплавкие металлы: литий, натрий, калий и др.). Они используются для нагрева до 400–800° С. Они отличаются большой плотностью, термостойкостью, хорошей теплопроводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи.

Искусственное охлаждение.

Процессы искусственного охлаждения условно подразделяются на две группы: умеренное охлаждение (до температуры -100^оС) и глубокое охлаждение (до температуры ниже -100^оС).

Умеренное охлаждение–осуществляют с помощью компрессионных иреже абсорбционных холодильных машин. В компрессионных холодильных машинахв качестве холодильных агентов используют низкокипящиежидкости (аммиак, фреоны, углекислоту, этилен и т.д.), способные интенсивно испаряться при температурах ниже 0 ⁰С, а затем, после предварительного сжатия, снова превращаться в жидкость при обычных температурах (например, при охлаждении воздухом или водой). Сжатие паров холодильного агента производят в поршневых компрессорах или турбокомпрессорах.

В основе работы компрессионных машин лежат холодильные циклы. Обычно холодильный цикл включает следующие термодинамические процессы: адиабатическое сжатие влажных, насыщенных или перегретых паров холодильного агента в компрессоре, изобарное охлаждение, конденсацию паров и переохлаждение конденсата в конденсаторе, дросселирование холодильного агента до начального давления, испарение его в испарителе с отнятием теплоты у охлаждаемой среды. Степень совершенства холодильного цикла определяется удельной холодопроизводительностью и холодильным коэффициентом.

Удельная холодильная мощностьq₀-количество теплоты,отнятоеодним килограммом холодильного агента у охлаждаемой среды в испарителе.

Холодильный коэффициент–величина,показывающая,какоеколичество теплоты отбирается у охлаждаемой среды на единицу затраченной работы (1.39):

(1.39)

В абсорбционных холодильных машинах роль компрессора выполняют два аппарата: кипятильник и абсорбер. Раствор аммиака в воде кипит в кипятильнике при повышенном давлении. Выделяющийся аммиак используют для получения холода, как и в компрессионных машинах, но после испарителя пары аммиака поглощаются при низкой температуре и давлении в абсорбере. Концентрированный раствор из абсорбера насосом подается в кипятильник. Холодильный коэффициент равен отношению холодопроизводительности к теплоте, подводимой к кипятильнику (1.40):

     (1.40)

Достоинством абсорбционных холодильных установок является возможность утилизации дешевой тепловой энергии, например, отработанного водяного пара.

Глубокое охлаждениеиспользуется для сжижения газов и разделениягазовых смесей (получение жидких газов, разделение воздуха на азот и кислород методом низкотемпературной ректификации). Рабочими телами в процессах глубокого охлаждения служат сами сжижаемые газы. Понижение температуры достигается либо изоэнтальпийно (дросселирование), либо адиабатическим расширением с отдачей внешней работы или сочетанием обоих методов.

Дросселирование –изоэнтальпийное расширение газа без совершенияработы при прохождении через специальное устройство (дроссельный вентиль, дроссельная шайба).

Дифференциальный дроссельный эффект –изменение температурыгаза при бесконечно малом изменении его давления (1.41):

   (1.42)

Если температура газа при дросселировании понижается , α_i считают положительным, если повышается – отрицательным.

При адиабатическом расширении холодильный агент совершает работу за счет внутренней энергии, и его температура понижается.

Циклы глубокого охлаждения,применяемые в промышленности,можноразделить на три группы:

1) циклы с дросселированием газа;

2) циклы с адиабатическим расширением газа;

3) комбинированные циклы.

Наиболее экономичными являются комбинированный цикл высокого давления Гейландта и цикл Капицы низкого давления с турбодетандером.

Конденсация паров

Конденсация–процесс фазового перехода из парообразного состояния вжидкое. В теории теплообмена важное значение имеет конденсация водяного пара и паров органических растворителей на поверхностях. Наиболее часто на практике встречается случай, когда образующийся конденсат стекает по поверхности в виде пленки - пленочная конденсация. Если конденсат не смачивает поверхность, а покрывает ее в виде отдельных капель – капельная конденсация.

Коэффициент теплоотдачи в случае пленочной конденсации может быть рассчитан из уравнения (1.43):

        (1.43)

  − критерий конденсации, характеризует изменение агрегатного состояния теплоносителя и является мерой соотношения теплового потока, затрачиваемого на фазовое превращение, к теплоте перегрева или переохлаждения фазы при температуре ее насыщения t_нас;

  − критерий Галилея, является мерой отношения сил тяжести и сил вязкого трения в потоке.

Конденсацию паров часто используют в основных химико-технологических процессах (например: при выпаривании, вакуум-сушке и др.) для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, обычно отводят из аппарата, где они образуются, в отдельный аппарат - конденсатор, охлаждаемый водой или воздухом. По способу охлаждения различают конденсаторы смешенияиповерхностные конденсаторы.

В конденсаторах смешенияпар непосредственно соприкасается сохлаждающей водой, а конденсат смешивается с ней. Конденсаторы смешения делятся на сухие и мокрые. В мокрых конденсаторах вода, конденсат и газы откачиваются одними и теми же вакуум-насосами. В сухих барометрических конденсаторахвода и конденсат удаляются совместно самотеком черезбарометрическую трубку, столб жидкости в которой уравновешивает барометрическое давление, а газы откачиваются отдельно с помощью сухого вакуум–насоса. Достоинствами барометрических конденсаторов являются простота устройства и экономичность в эксплуатации.

В сухих (барометрических) конденсаторах (рис. 1.4) вода и конденсат удаляются совместно, а газы отдельно с помощью вакуум-насоса. Внутри корпуса 1 взаимодействие пара и воды происходит в противотоке. Вода подается через штуцер в виде тонких струй, перетекает с тарелки 2 на ниже лежащую тарелку через отверстия и борта. Пар поступает снизу через штуцер и при соприкосновении с водой конденсируется. Смесь конденсата и воды попадает в барометрическую трубу 3 высотой около 10 м и далее в колодец 4. Труба 3 и колодец играют роль гидравлического затвора, препятствующего проникновению наружного воздуха в аппарат. Несконденсировавшиеся газы отсасываются через штуцер вакуум-насосом. Процесс конденсации пара протекает под вакуумом (0,01...0,02 Мн/м²).

Для уравновешения разности давлений в конденсаторе и атмосферного используется столб жидкости, находящийся в трубе 3.

Конденсаторы смешения используются для создания разрежения в установках, работающих под вакуумом (вакуум-фильтры, сушилки, выпарные аппараты и т.д.).

В поверхностных конденсаторахтеплота отнимается уконденсирующегося пара через стенку. Получаемый конденсат и охлаждающий агент отводят из конденсатора отдельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован.

Поверхностные конденсаторы более металлоемки и требуют большего расхода воды. В промышленности в качестве поверхностных конденсаторов используют различные теплообменники, например, трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы.

Выпаривание

Выпаривание–термический процесс концентрирования жидкихрастворов нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя из всего объема раствора при кипении жидкости.

Раствор какой-либо соли, подлежащей выпариванию, будем называть исходным, или свежим раствором. Раствор, получаемый в процессе выпаривания, называют упаренным. Тепло, необходимое для выпаривания, обычно подводится с насыщенным водяным паром через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. Этот пар называется греющим(первичным), а отводимый пар растворителя – вторичным.

Особенностью процесса выпаривания является постоянство температур кипения при данном давлении и составе раствора. Обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя с таким расчётом, чтобы раствор оставался в текучем состоянии и его можно было в соответствии с технологической схемой перекачивать в другой аппарат или потребителю. В ряде случаев при выпаривании растворов твёрдых веществ происходит насыщение раствора и выпадение твёрдого вещества. В этом случае выпариванию сопутствует процесс кристаллизации.

Таким образом, выпаривание применяют как для повышения концентрации разбавленных растворов, так и для выделения из них твёрдого вещества путём кристаллизации.

Первичный пар –греющий агент в виде водяного пара(с давлением от0,1 до 1,2 МПа).

Вторичный пар–пар,образующийся при выпаривании кипящегораствора.

Движущая сила процесса выпаривания –разность между температуройгреющего пара t_г и температурой кипения раствора t_кип (1.44):

(1.44)

Общая разность температур-разность между температурамипервичного t_г и вторичного пара t_вп на выходе из аппарата (1.45):

(1.45)

Общая разность температур многокорпусной установки–разностьмежду температурой первичного пара t_г и температурой вторичного пара t_nв.п, поступающего из последнего n-го корпуса в конденсатор (1.46):

(1.46)

Общая полезная разность температур многокорпусной установки–разность между температурой первичного пара t_г и температурой вторичного пара t_nв.п , выходящего из последнего n-го корпуса в конденсатор, за вычетом сумы температурных потерь  во всех корпусах (1.47):

           (1.47)

Температурные потери–разность между общей разностью температур∆t_общ и полезной разностью температур ∆t_пол (1.48):

(1.48)

где      − температурная, гидростатическая и гидравлическая депрессии, соответственно, °С.

Температурная депрессия –разность между температурой кипенияраствора t_кип и температурой вторичного пара t _вп (температура кипения чистого растворителя t_p ), t_тд имеет наибольшее значение из всех депрессий, зависит от физических свойств растворенного вещества и его концентрации в растворе (1.49):

     (1.49)

Нормальная температурная депрессия–температурная депрессия,вычисленная при атмосферном давлении.

Уравнение Тищенкопозволяет определить величину температурнойдепрессии   при любом давлении (1.50):

  (1.50)

где Т – температура кипения чистого растворителя, К; r - теплота испарения растворителя при данном давлении, кДж/кг;  - нормальная температурная депрессия, °С; f – поправочный коэффициент, является опытной величиной f=φ(t_вп).

Гидростатическая депрессия-разность температур кипения раствора всередине слоя  и на его поверхности , обусловленная гидростатическим давлением столба жидкости в аппарате (гидростатический эффект) (1.51):

(1.51)

Гидравлическая депрессия –разность температур вторичного пара надраствором в выпарном аппарате t_вп и на входе в следующий аппарат , обусловленная потерей давления пара при движении его через аппарат и паропровод (1.52):

   (1.52)

при расчете однокорпусной установки 0.

Температура кипения раствора(1.53):

       (1.53)

Материальный баланс однокорпусной выпарной установки(рис. 1.5).

На выпаривание поступает G_н кг/сек исходного раствора концентрацией х_н и отводится G_к кг/сек упаренного концентрацией х_к. Если в аппарате выпаривается W кг/сек воды, то материальный баланс можно записать в виде двух уравнений:

1. Общий материальный баланс (1.54):

       (1.54)

где G_н - расход исходного раствора, кг/с; G_к - расход упаренного раствора, кг/с; W – производительность аппарата по испаряемой воде (расход вторичного пара), кг/с.

2. Баланс по растворенному сухому веществу (1.55):

где  − начальная концентрация раствора, масс. %; − конечная концентрация раствора, масс. %.

Уравнение для расчета количества удаляемого растворителя(1.56):

(1.56)

Тепловой баланс однокорпусной выпарной установки(1.57):

 (1.57)

где Q – расход тепла на выпаривание, Вт; G_п - расход сухого греющего пара, кг/с; i_п - энтальпия сухого насыщенного греющего пара, Дж/кг; i_к - энтальпия конденсата при температуре конденсации, Дж/кг.G_н – количество начального раствора, кг/ с; с_н – теплоемкость начального раствора, Дж/(кг·К); t_н и t_к – температуры начального и конечного растворов, ^оС; W – количество выпариваемой воды (вторичного пара), кг/с; i_в.п. – энтальпия вторичного пара Дж/кг; с – теплоемкость конечного раствора (воды), Дж/(кг·К); Q_дег – теплота дегидратации (концентрирования), равная по величине и обратная по знаку теплоте разбавления раствора, Вт; Q_пот – потери в окружающую среду, Вт.

Целью расчета выпарного аппаратаявляется определение поверхноститеплопередачи и выбор его конструкции.

Площадь поверхности нагревавыпарного аппарата определяется изосновного уравнения теплопередачи (1.58):

       (1.58)

где Q – расход теплоты на выпаривание, Вт; К – коэффициент теплопередачи от греющего пара к раствору, Вт/(м²·К) (1.59):

(1.59)

,  - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к кипящему раствору, соответственно, Вт/(м²·К);   - сумма термических сопротивлений всех слоев стенки трубы и загрязнений со стороны пара и раствора, м²·К/Вт.

Области применения процесса выпаривания:в химическойпромышленности для концентрирования водных растворов щелочей (NaOH, КОН), солей (NaCl, Na₂SO₄, NH₄NO₃ и др.), некоторых высококипящих жидкостей (концентрированной серной кислоты и др.), в пищевой промышленности для выпаривания сахарных растворов.