Нагревание и охлаждение:
В химической промышленности на многих стадиях технологического процесса требуются подача или отвод тепла. Цели при этом могут быть самыми разными, в том числе:
— настройка и соответственно поддержание заданных температур для достижения благоприятных условий протекания реакции (например, реакций в смесителях или каталитических реакций между газами);
— использование изменений определенных физических свойств (например, вязкости) в зависимости от температуры;
— изменение агрегатного состояния до уровня испарения, конденсации, расплавления и т. д.;
— изменение агрегатного состояния для разделения смесей веществ путём перегонки, кристаллизации и проч.
Пересчёт единицы измерения тепла.
| кДж | Дж или Вт/с | кВт/ч | ккал |
| 1 | 1000 | 2,78*10 -4 | 0,2397 |
| 10 -3 | 1 | 3*10 -7 | 2,397*10 -4 |
| 3600 | 3,6*10 6 | 1 | 860 |
| 4,19 | 4190 | 1,16*10 -3 | 1 |
Водяной пар.
Водяной пар, один из важнейших энергоносителей в химической промышленности, служит для осуществления процессов нагрева в ёмкостях разного рода и теплообменниках. Он находит применение также в качестве технологического пара и при эксплуатации топливных насосов.
Особым достоинством водяного пара как носителя тепловой энергии считается большое количество тепла, которое аккумулировано в нём и освобождается при конденсации (рис. 7-5). Оно во много раз превышает количество тепла, которое может быть аккумулировано, например, в теплой воде. Кроме того, теплопередача конденсирующего водяного пара на нагреваемую поверхность чрезвычайно велика, так что даже при небольшой площади нагрева удаётся получить достаточно высокую теплопередачу.
Процессы при испарении
Водяной пар — это испарившаяся газообразная вода. Для испарения необходимо, например, воду комнатной температуры нагреть до 100 °С (при атмосферном давлении). При дальнейшей подаче тепла вода закипает, и начинается парообразование (рис. 7-6). Образующийся водяной пар имеет температуру порядка 100 °С, если абсолютное давление в пространстве над жидкостью составляет 1,013 бар (атмосферное давление).
Если паровое пространство (над кипящей водой) закрыто, то при продолжающейся подаче тепла в результате непрерывно испаряющейся воды создается избыточное давление пара. По мере возрастания давления в паровом пространстве дальнейшее испарение затрудняется, что повышает температуру кипения воды.
Между температурой кипения и давлением пара устанавливается определённое равновесие: при низком давлении пара и температура кипения будет низкой, при высоком давлении пара — высокой. Эту зависимость между температурой кипения и давлением пара демонстрирует кривая в диаграмме давления пара (рис. 7-7).
Пар может быть нескольких видов.
Насыщенный пар
Водяной пар, находящийся в равновесии с кипящей водой, из которой он поднимается, называется насыщенным паром. Он сухой, то есть не содержит жидкой воды в виде капель тумана, и невидим. Насыщенный пар имеет температуру и давление, соответствующие точке на кривой давления пара (см. рис. 7-7).
Насыщенный пар с температурой 130 °С обладает абсолютным давлением 2,8 бар.
Состояние насыщенного пара неустойчиво, это некое граничное состояние. Даже незначительный отвод тепла приведет к конденсации части пара (влажный пар), в то время как дополнительная подача тепла перегревает насыщенный пар (перегретый, или острый пар).
Влажный пар
Влажный пар образуется при охлаждении насыщенного пара — например, в отводных трубах парогенератора, ведущих к потребителю. В результате охлаждения часть газообразной воды превращается в жидкость, выступающую мелкими каплями тумана. Влажный пар проявляется в виде белого тумана. Процентное содержание насыщенного пара во влажном паре указывают через параметр х — удельное паросодержание (%).
Влажный пар с х= 0,8 означает: влажный пар, состоящий из 80 % насыщенного пара и 20 % жидкости.
Перегретый (острый) пар
При нагреве насыщенного пара выше температуры кипения возникает перегретый пар (рис. 7-7). Он свободен от любой жидкой воды и не образует водяных капель при незначительном охлаждении. Именно поэтому его называют «сухим»; такой пар невидим.
И только если охладить его до температуры кипения, из него начинает выступать вода в виде тумана. Чем сильнее перегрет пар, тем выше его температура и тем больше давление, под которым он находится.
Нагрев водяным паром
Пар, чаще всего используемый в химических установках для целей нагрева, — это слегка перегретый пар с избыточным давлением от 2 до 3 бар. Его называют также паром низкого давления, а температура обычно находится в диапазоне от 130 до 150 °С.
Давления пара от 2 до 3 бар вполне достаточно для транспортировки на средние расстояния, и при этом не нужны трубы с толстыми стенками. Легкий перегрев препятствует образованию конденсационной воды в трубопроводах и гарантирует в месте использования наличие почти насыщенного пара.
Для целей нагрева более всего подходит именно насыщенный пар, поскольку теплопередача на основе конденсации пара на поверхности нагрева особенно велика, что позволяет обходиться минимальной её площадью. При нагреве пар приводится в соприкосновение с обогреваемой поверхностью — например, в рубашке бака с мешалкой (рис. 7-8). Пар охлаждается на обогреваемой поверхности и конденсирует, отдавая стенке бака своё тепло конденсации QKond, вычисляемое по формуле: QKond = mD • r, где mD есть масса пара, а r — его удельное тепло конденсации. Оно составляет, например, у насыщенного пара с температурой 100 °С (1,013 бар) около 2260 кДж/кг, а у насыщенного пара при 120 °С (около 2 бар) примерно 2200 кДж/кг.
Конденсационная вода стекает на поверхность нагрева, продолжая охлаждаться, и покидает паровое пространство через конденсатоотводчик. Тепло, дополнительно отдаваемое при охлаждении, относительно невелико по сравнению с теплом конденсации (рис. 7-5).
Для решения особых задач по нагреву потребуется насыщенный пар высокого давления. Это тот случай, когда подлежащий нагреванию материал приходится доводить до высоких температур. Температура греющего пара должна — в силу теплотехнических причин — на 20-40 °С превосходить максимальную температуру обрабатываемого продукта. Если таковая составляет, например, 140 °С, то при разности температур 40 °С потребуется температура греющего пара 180 °С. Это соответствует насыщенному пару с абсолютным давлением около 10 бар (рис. 7-7).
Недостатком высокой температуры пара и, следовательно, его высокого давления является тогда обязательное толстостенное исполнение отопительных приборов. А это связано не только с повышением расхода материалов, но и с ухудшением теплопередачи.
Источник
Нагревание водяным паром может осуществляться двумя способами: «острым» паром и «глухим» паром.
При нагревании «острым» паром его вводят в обогреваемый объект по трубе или барботеру (труба с многочисленными отверстиями). При этом пар отдаёт свое тепло и конденсируется. Образующийся конденсат смешивается с обогреваемым объектом (жидкость, отработанное сырье). При использовании «острого» пара кроме нагревания происходит и перемешивание жидкости. Нагревание «острым» паром применяется в тех случаях, когда разбавление жидкости водой не имеет существенного значения.
При нагревании «глухим» паром обогреваемый объект не соприкасается с паром, тепло передается через стенку теплообменника. Греющий пар целиком конденсируется, выводится из аппаратов в виде конденсата с помощью конденсационных горшков. Температура конденсата почти точно равна температуре насыщенного греющего пара. Нагревание «глухим» паром применяют в тех случаях, когда жидкость нельзя разбавлять или когда между ними недопустим контакт.
Теплосодержание водяного пара-кол-во тепла, которое получает вода при нагревании до кипения.
Где Q – количество тепловой энергии, которое содержит вода при нагревании от 0 0 до 100 0 С, кДж/кг или ккал/кг; с – теплоемкость воды, — 4,1868 кДж/кг*град или 1 ккал/кг*град; (t100 – t0) – разность температур.
Вода — как теплоноситель используется реже пара, так как в отличие от пара имеет ряд недостатков:
· коэффициент теплоотдачи горячей воды ниже, чем у пара ≈ в 500 раз
· температуру воды регулировать трудно
· для транспортировки воды необходим расход энергии.
Горячую воду получают в водогрейных котлах или в бойлерах (паровой водонагреватель). Применяются бойлеры для нагревания до температур не более 100 ̊С.
Если необходимо осуществить нагревание выше 100° С, то используют воду, находящуюся под избыточном давлением. Для нагрева водой используют циркуляционные системы обогрева.
Минеральные масла как теплоносители позволяют проводить нагрев до 250 — 300° С. Это наиболее дешевые теплоносители. Недостаток: низкий коэффициент теплоотдачи, подверженность термическому разложению и окислению.
Расход пара при нагревании. Направление движения теплоносителей (прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток) и его влияние на интенсивность теплообмена.
РАСХОД ПАРА ПРИ НАГРЕВАНИИ
Расход пара «острого» на нагревание определяется из уравнения теплового баланса:
Где m – масса нагреваемой жидкости, кг; C1 – теплоемкость жидкости; t1 – начальная температура жидкости; D – масса греющего пара, кг; i – теплосодержание (энтальпия) греющего пара; С2 – теплоемкость конденсата; t2 – температура жедкости после нагревания; Qn – потери тепла в окружающее пространство.
Расход насыщенного пара при нагревании «глухим» паром также определяестя из уравнения теплового баланса:
Где m – масса нагреваемой жидкости, кг; C1 – теплоемкость жидкости; t1 – начальная температура жидкости; D – масса греющего пара, кг; i – теплосодержание (энтальпия) греющего пара; θ – теплосодержание конденсата; t2 – температура жедкости после нагревания; Qn – потери тепла в окружающее пространство.
Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 379 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник
Тема 4. Основные технологические процессы
Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002
Тема 4. Основные технологические процессы
4.5. Тепловые процессы
4.5.2. Нагревание
Нагревание широко применяется в химической технике для ускорения многих массообменных процессов и химических превращений. В зависимости от температурных и других условий проведения процесса применяются разнообразные методы нагревания. Для каждого конкретного процесса приходится выбирать наиболее оправданный в технологическом и экономическом отношении метод нагревания.
Наибольшее распространение в химической технике получили следующие методы нагревания: водяным паром, топочными газами, промежуточными теплоносителями, электрическим током.
НАГРЕВАНИЕ ВОДЯНЫМ ПАРОМ
Для нагревания применяется преимущественно насыщенный водяной пар при абсолютных давлениях до 10—12 ат. Использование пара большего давления требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, что, как правило, экономически не оправдывается. Соответственно абсолютному давлению 10—12 ат нагревание насыщенным водяным паром ограничено температурой —180° С. В процессе нагревания насыщенный пар конденсируется, выделяя при этом тепло, равное теплоте испарения жидкости.
Довольно широкому распространению способа нагревания водяным паром способствовали преимущества этого метода обогрева, а именно:
1) большое количество тепла, выделяющегося при конденсации единицы водяного пара (539—476 ккал на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных давлениях соответственно 1—12 ат);
2) равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре.
Нагревание «острым» паром. При нагревании «острым» паром водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость; конденсируясь, он отдает тепло нагреваемой жидкости, а конденсат смешивается с жидкостью.
Для одновременного нагревания и перемешивания жидкости пар вводится через барботер — трубу с рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали (рис. 4.18)
Рис.4.18. Паровой барбатер:
1 – резервуар; 2 – барбатер;
3 – паропровод; 4 – запорный
При обогреве «острым» паром происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом — водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.
Нагревание «глухим» паром. Если нагреваемая жидкость взаимодействует с водой, контакт между ними недопустим или нельзя разбавлять нагреваемую жидкость, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, со змеевиками и т. д.
Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства нагревательного аппарата в виде конденсата. Температура конденсата может быть принята с достаточной точностью равной температуре насыщенного греющего пара.
На рисунке 4.19 схема аппарата с рубашкой для нагревания глухим паром.
Рис. 4.19. Схема аппарата с рубашкой для нагревания глухим паром:
1 – нагревательный аппарат (рубашка); 2 – отдувочный вентиль; 3 – водоотводчик; 4,5 – запорные вентили; 6 – запорный вентиль; 7 – обводная линия.
НАГРЕВАНИЕ ТОПОЧНЫМИ ГАЗАМИ
Нагревание топочными газами — самый старый способ обогрева в химической промышленности. Этим способом осуществляется нагревание до температур 180—1000° С. Дымовые газы образуются при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива (преимущественно при атмосферном давлении) в топках или печах различной конструкции.
Особенностей нагрева дымовыми газами являются «жесткие» условия нагревания: значительные перепады температур. Благодаря большим температурным перепадам при нагревании дымовыми газами достигаются высокие тепловые нагрузки. Однако при этом методе нагревания трудно регулировать процесс и избежать перегрева материалов из-за неравномерности обогрева; кроме того, при разбавлении дымовых газов большим количеством воздуха происходит окисление металлов. Следует отметить огнеопасность обогрева дымовыми газами.
Непосредственное нагревание топочными газами осуществляется в трубчатых печах, а также в печах для реакционных котлов или автоклавов.
Простейшая трубчатая печь изображена на рисунке 4.20. Топочные газы образуются в топке 1, куда вводится топлива (твердое, жидкое, газообразное) и необходимый для горения воздух. Для понижения температуры газов в топочном пространстве в топочную камеру 2 через окно 3 вентилятором 4 нагнетается воздух. Топочные газы омывают трубчатый змеевик 5, расположенный в шахте 6, а затем удаляется через боров 7.
Рис. 4.20. Трубчатая печь:
1 – топка; 2 – топочная камера; 3 – окно; 4 – вентилятор;
5 – змеевик; 6 – шахта; 7 – боров.
НАГРЕВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ
При нагревании многих материалов для сохранения качества продуктов или обеспечения безопасной работы недопустим даже кратковременный их перегрев. В этих случаях для обогрева применяют промежуточные теплоносители, которые сначала нагреваются топочными газами, а затем передают воспринятое тепло обрабатываемым материалам.
В качестве промежуточных теплоносителей применяют минеральные масла, перегретую воду, высокотемпературные органические теплоносители, расплавленные смеси солей и др.
Нагревание топочными газами через жидкостную баню относится к простейшим способам нагревания промежуточными теплоносителями. В этом случае аппарат снабжают рубашкой, заполненной, например, маслом. Топочные газы омывают рубашку и передают тепло маслу, а масло через стенки аппарата — обрабатываемым материалам.
Для повышения эффективности нагревания используют установки с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 4.21 Жидкий теплоноситель нагревается в змеевике 2 печи 1. В результате уменьшения при нагревании удельного веса теплоносителя он перемещается по трубопроводу вверх к обогреваемому аппарату 3. Теплоноситель проходит по змеевику, расположенному вокруг этого аппарата, и отдает тепло нагреваемому материалу.
Рис. 4.21. Принципиальная схема нагревательной установки с естественной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя:
1 — печь; 2 — змеевик; 3 — обогреваемый аппарат
Температура теплоносителя при этом снижается, а удельный вес увеличивается, в результате чего он стекает по трубопроводу вниз. Таким образом осуществляется замкнутая циркуляция теплоносителя.
НАГРЕВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
В химической технике довольно широко применяется нагревание электрическим током в различных электрических печах. При нагревании электрическим током можно легко и очень точно регулировать процесс при равномерном обогреве.
По способу превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления индукционные и дуговые. Электрические печи сопротивления делятся на печи прямого действия и печи косвенного действия.
В электрических печах прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического тока. Часто печь прямого действия представляет собой аппарат, корпус которого является одним из электродов; другой электрод размещают в аппарате. Между электродами помещают жидкие или расплавленные нагреваемые материалы.
Электрические печи сопротивления косвенного действия получили большое распространение. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам; выделяющееся тепло передается материалу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В таких печах осуществляется нагревание до температур 1000—1100° С. Схема такой печи показана на рис. 4.22.
Рис. 4.22. Электрическая печь сопротивления косвенного действия:
1 — обогреваемый аппарат;
2 — футеровка печи; 3 — тепловая изоляция; 4 — спиральные нагревательные элементы;
5 — выводные электрошины.
Футеровка печи 2 выполнена из огнеупорного кирпича. В пазах футеровки уложены спиральные нагревательные элементы 4, к которым подводится ток через электрошины 5. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через спиральные нагревательные элементы, передается обогреваемому аппарату 1 лучеиспусканием и конвекцией. Тепловая изоляция В уменьшает потери тепла в окружающую среду.
Электрические индукционные печи (рис. 4. 23). Нагревание в этих печах осуществляется индукционными токами. Обогреваемый аппарат 1 является сердечником соленоида 2, охватывающего аппарат; по соленоиду пропускается переменный ток, при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата.
Рис. 4.23. Принципиальная схема электрической индукционной печи:
1 — обогреваемый аппарат; 2 — соленоид.
Соленоид выполняется из медной или алюминиевой проволоки, имеющей малое омическое сопротивление.
Дуговые печи. В дуговых печах применяется нагревание электрической дугой до температур 1500 – 1300 о С. Электрическая дуга возникает в газообразной среде. В дуговых печах при возникающих больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и точное регулирование температуры. Дуговые печи применяются для плавки металлов, получения карбида кальция и фосфора, для переработки бытовых отходов.
Источник
