Лекция 2

XII. Нагревание, охлаждение и конденсация

1. Общие сведения

2. Нагревающие агенты и способы нагревания

2.1. Нагревание водяным паром

2.2. Нагревание горячей водой

2.3. Нагревание топочными газами

3. Охлаждающие агенты, способы охлаждения и конденсации

3.1. Охлаждение до обыкновенных температур

3.2. Охлаждение до низких температур

3.3. Конденсация паров

1. Общие сведения

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы — нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Тепло­носители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими аген­тами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от кото­рой они воспринимают тепло, — охлаждающими агентами. В качестве прямых источников тепла в химической технологии исполь­зуют главным образом топочные газы, представляющие собой газообраз­ные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку тепло­обменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей. К числу распространенных промежуточных теплоноси­телей (нагревающих агентов) относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители — пере­гретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30 °С) применяют в основном воду и воздух.

Выбор теплоносителя зависит в первую очередь от требуемой темпера­туры нагрева или охлаждения и необходимости ее регулирования. Кроме того, промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно вы­сокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемный его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования. Жела­тельно также, чтобы теплоноситель был негорюч, нетоксичен, термически стоек, не оказывал разрушающего влияния на материал теплообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом.

Во многих случаях экономически целесообразным оказывается утилизация тепла некоторых полупродуктов, продуктов и отходов производства, которые используют в качестве теплоносителей в теплообменных аппа­ратах.

2. Нагревающие агенты и способы нагревания

2.1. Нагревание водяным паром

Одним из наиболее широко применяемых греющих агентов является насыщенный водяной пар. Это объясняется существенными достоинствами его как теплоносителя. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара, так как теплота конденсации его составляет приблизительно 2.26·10⁶ дж/кг (540 ккал/кг) при давлении 9.8·10⁴ н/м² (1 ат). Вследствие высоких коэф­фициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагре­вания при малой поверхности теплообмена.

Важным достоинством насыщенного пара является постоянство тем­пературы его конденсации (при данном давлении), что дает возможность точно поддерживать температуру нагрева, а также в случае необходимости регулировать ее, изменяя давление греющего пара.

При использовании тепла парового конденсата к. п. д. нагревательных паровых устройств довольно высок. Пар удовлетворяет также другим требованиям, предъявляемым к теплоносителям (доступность, пожаробезопасность и др.).

Основной недостаток водяного пара — значительное возрастание дав­ления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до ко­торых можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180-190 °С, что соответствует давлению пара 10-12 am. При больших давлениях требуется слишком толстостенная и дорогостоя­щая теплообменная аппаратура, а также велики расходы на коммуника­ции и арматуру.

Более экономична утилизация водяного пара, получаемого после его использования в паросиловых установках. Химические производства часто потребляют большие количества не только тепла, но и электроэнер­гии. Поэтому целесообразно энергетический пар высокого давления (до 250 ат) направлять первоначально в турбины для выработки электри­ческой энергии, а затем мятый пар турбин давлением 6-8 am (иногда до 30 am) использовать для обогрева химической аппаратуры. Мятый пар турбин является перегретым. Тепло перегрева пара мало по сравнению с его теплотой конденсации, а объем пара на единицу отдаваемого тепла значительно больше, чем для насыщенного пара, что приводит к увеличе­нию диаметра паропроводов. Чтобы избежать увеличения расходов на транспортирование теплоносителя, перегретый пар из турбин увлажняют, смешивая его с горячей водой. При этом пар дополнительно испаряет некоторое количество воды и направляется в насыщенном состоянии в теплоиспользующие аппараты.

Ввиду того что тепло перегрева относительно мало, коэффициенты теплоотдачи от перегретого пара значительно ниже, чем от насыщенного, и перегрев пара требует дополнительных затрат; перегретый водяной пар редко применяют в качестве нагревающего агента. Иногда используют небольшой перегрев его для компенсации тепловых потерь в подводящих паропроводах,

Нагревание глухим паром. Наиболее распространено нагревание глу­хим паром, передающим тепло через стенку теплообменного аппарата. Принципиальная схема нагревания глухим паром приведена на рис. XII-1 Греющий пар из генератора пара — парового котла 1 направляется в теп­лообменник 2, где жидкость (или газ) нагревается Паром через разделяю­щую их стенку. Пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденси­руется на ней, и пленка конденсата стекает по поверхности стенки. Для того чтобы облегчить удаление конденсата, пар вводят в верхнюю часть аппарата, а конденсат отводят из его нижней части. Температура пленки конденсата близка к температуре конденсирующегося пара, и эти темпера­туры могут быть приняты равными друг другу.

Расход D глухого пара при непрерывном нагревании определяют из уравнения теплового баланса:

(XII.1)

где G — расход нагреваемой среды; с — средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды; t₁, t₂ — начальная и конечная температуры нагреваемой среды; I_п, I_к — энтальпии греющего пара и конденсата; Q_n — потери тепла в окружающую среду.

Если пар не будет полностью конденсироваться на поверхности тепло­обмена и часть его будет уходить с конденсатом (так называемый про­летный пар), то это вызовет непроизводительный расход пара.

Ч тобы избежать непроизводительного расхода пара и организовать беспрепятственное удаление из аппарата парового конденсата без выпуска пара, применяют специальные устройства — конденсатоотводчики (рис. XII-2). Конденсат из конденсатоотводчика 3 (рис. XII-1) через промежуточную емкость 4 подается насосом 5 в паровой котел 1.

Принцип работы конденсатоотводчика с открытым поплавком, применяемого при дав­лениях пара не более 10 aт, показан на рис XII-2,

Смесь пара и конденсата поступает через штуцер 1 в корпус 2 конденсатоотводчика. При этом поплавок (стакан) 3 всплывает и с помощью укрепленного на вертикальном стержне 4 клапана 5 закрывает выходное отверстие для конденсата. Однако по мере накоп­ления конденсата он переливается через край поплавка внутрь последнего и, когда вес жидкости и поплавка превысит выталкивающую (архимедову) силу, поплавок опу­скается и открывает выход для конденсата, который выдавливается из корпуса давлением пара. Вес поплавка рассчитан так, что патрубок 6, в направ­ляющих которого перемещается клапан 5, остается погруженным в конденсат при наи­меньшей высоте слоя конденсата в поплавке и образует гидравлический затвор. После удаления значительной части конденсата из поплавка 3 последний снова всплывает и закрывает выходное отверстие. Таким образом, выпуск конденсата производится перио­дически. Над выходным отверстием расположен клапан 7, предотвращающий обратное попадание конденсата в конденсатоотводчик.

XII-2

Конденсатоотводчик обычно устанавливают ниже теплообменника и снабжают, как показано на рис. XII-1, обводной линией (байпасом), наличие которой позволяет не прерывать работы аппарата при кратковре­менном отключении конденсатоотводчика для его ремонта или замены.

Греющий пар обычно содержит некоторое количество неконденсирую­щихся газов (N₂, O₂, СО₂), выделяющихся при химической обработке котловой воды и в процессе парообразования в котлах. Эти примеcи зна­чительно снижают коэффициенты теплоотдачи от пара. Поэтому при паро­вом обогреве из парового объема теплообменника должны периодически удаляться скапливающиеся неконденсирующиеся газы. Этой же цели служит продувочный вентиль 8 в конденсатоотводчике, показанном на рис. XII-2.

Нагревание острым паром. В тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, используют нагревание острым паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Такой способ нагрева проще нагрева глухим паром и позволяет лучше использовать тепло пара, так как паровой конденсат смешивается: нагреваемой жидкостью и их температуры выравниваются.

Е сли одновременно с нагреванием жидкость необходимо перемешать, то ввод острого пара осуществляют через барботеры — трубы, располо­женные у дна аппарата, закрытые с конца и снабженные множеством мелких отверстий, обращенных кверху, Для лучшего переме­шивания, ослабления шума, вызванного резким уменьшением объема пара при конден­сации, и устранения гидравлических ударов применяют бесшумные подогреватели (рис, XII-3). Пар подается через сопло 1 и захватывает жидкость, поступающую через боковые отверстия в смешивающий диффу­зор 2. При смешении жидкости с паром внутри диффузора 2 значительно уменьшается шум.

Расход острого пара определяют, учитывая равенство конечных тем­ператур нагреваемой жидкости и конденсата, Тогда по уравнению тепло­вого баланса находим

DI_п + Gct₁ = Dc_вt₂ + Gct₂ + Q_п

откуда расход пара

(XII,2)

где с_в — теплоемкость конденсата, а остальные обозначения те же, что и в уравне­нии (XII,1).