2.3.2. Охолодження льодом

Охолодження льодом здійснюється тоді, коли необхідно досягнути температури, близької до нуля, за умови можливого розбавлення охолоджуваного середовища введенням льоду або холодної води безпосередньо в рідину, яка охолоджується. Під час безпосереднього охолодження льодом (рис. 2.19) в апарат вноситься тепло з рідиною, яка підлягає охолодженню в кількості

, (2.15)

де G – кількість рідини, кг; с – питома теплоємність рідини, Дж/кгС; t_n – початкова температура, С.

Рис. 2.19. До теплового балансу охолодження льодом

З льодом вноситься холод (тепло з від’ємним знаком):

, (2.16)

де – кількість льоду, кг; r – теплота топлення льоду, Дж/кг.

Тепловий баланс:

. (2.17)

Витрати льоду становитимуть

, (2.18)

де t_к – кінцева температура суміші води і рідини, С; 335,2 кДж/кг – теплота топлення льоду.

Час охолодження льодом залежить від умов проведення процесу: від величини шматків льоду та інтенсивності перемішування.

2.3.3. Конденсація

У хімічній промисловості розповсюджені процеси, пов’язані з конденсацією парів (газів, різних речовин) шляхом відведення від них тепла.

Конденсація може здійснюватись або охолодженням пари (газу), або одночасним охолодженням і стисненням. В подальшому розглядатимемо тільки процеси конденсації парів їх охолодженням водою або холодним повітрям.

Конденсація здійснюється в апаратах, які називають конденсаторами.

Існує два типи конденсаторів:

1) поверхневі, в яких пара та охолоджувальний агент розділені стінкою і конденсація здійснюється на внутрішній або зовнішній поверхнях стінки;

2) конденсатори змішування, в яких пара, що підлягає конденсації, безпосередньо контактує з холодильним агентом.

Об’єм отриманого конденсату є меншим, більше ніж у тисячу разів від об’єму пари, з якої він утворився. Тому в конденсаторі утворюється розрідження, що зростає із зменшенням температури конденсації, яка є тим нижчою, чим більшою є витрата охолоджувального агента і нижчою його кінцева температура. Конденсатор має бути оснащений вакуум-насосом, оскільки одночасно з процесом конденсації в робочому просторі конденсатора відбувається накопичення повітря та інших несконденсованих газів, які виділяються з рідини, що призводить до зростання їхнього парціального тиску і зменшення розрідження в апараті. Крім підтримування вакууму на необхідному рівні і відведення з конденсатора нескон­денсованих газів, вакуум-насос запобігає коливанням тиску, обумовленим зміною температури охолоджувального агента.

Позначимо: D – кількість пари, що надходить на конденсацію, кг/г;  – тепловміст пари, Дж/кг; t_n –температурa перегрітої пари, С; t_нас – температура насичення (конденсації), С; t_p – температура конденсату на виході з апарата, С; с_р – теплоємність конденсату, Дж/кгград; r –теплота конденсації пари (теплота випаровування), Дж/кг; W – кількість води, яка надходить на охолодження, кг/год; t_в.п. – початкова температура води, С; t_в.к. – кінцева температура води, С; Q_втр. – втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/год. Тоді тепловміст пари, яка надходить на конденсацію, визначається за формулою

. (2.19)

Тепловий баланс:

. (2.20)

З рівняння (2.20) визначають витрату води, є необхідною для охолодження:

(2.21)

Поверхня конденсації, за рис. 2.20, поділяється на три зони: зону охолодження перегрітої пари, зону конденсації і зону охолодженого конденсату.

Рис. 2.20. До теплового балансу процесу конденсації

Першій зоні відповідають найгірші умови теплообміну, а другій – найкращі. В зв’язку з цим, поверхню необхідно розраховувати для кожної зони окремо. Для цього необхідно знайти кількість тепла, яка передається в кожній зоні, а також проміжні температури води, що подається на охолодження t_в.1 і t_в.2 (рис. 2.20).

Кількість тепла, яка передається через поверхню охолодження в кожній зоні, знаходять за рівняннями:

для зони охолодження

; (2.22)

для зони конденсації

; (2.23)

для зони охолодження конденсату

. (2.24)

З цих рівнянь визначають проміжні температури води:

; (2.25)

. (2.26)

Конденсацію змішування можна застосовувати в тих випадках, коли необхідно здійснити конденсацію нерозчинених у воді парів рідин або коли пара в подальшому не використовується і є відходом. Ефективність роботи конденсаторів змішування прямо залежить від поверхні фазового контакту охолоджувальної води і пари, тому поверхню фазового контакту здійснюють розпилюванням води, яка надходить на охолодження, за допомогою різних пристроїв.

Залежно від методу виведення сумішей з таких конденсаторів розглядають мокрі і сухі конденсатори змішування.

У мокрих конденсаторах змішування воду, яка подається для охолодження, конденсат і гази, які не конденсуються (повітря), виводять з нижньої частини апарата за допомогою мокроповітряних насосів.

В сухих конденсаторах змішування води, яка надходить в апарат для охолодження, конденсат виводиться з нижньої частини апарата, а гази, які не конденсуються, відсмоктуються вакуум-насосом з верхньої частини апарата.

Крім цього, конденсатори змішування поділяють на прямотечійні і протитечійні.

У прямотечійних конденсаторах змішування вода і пара рухаються в одному напрямку зверху вниз, в протитечійних – пара і вода рухаються в протилежних напрямках (вода зверху вниз, а пара знизу вверх).

На рис. 2.21 показано мокрий прямотечійний конденсатор змішування. В корпусі конденсатора 1 через патрубок 3 подається пара, яка підлягає конденсації. Вода для охолодження подається через сопло 4. Нагріта вода разом з конденсатом і повітрям виводиться через патрубок 5 мокроповітряного насоса 6.

Рис. 2.21. Вологий прямотечійний конденсатор змішування: 1 – корпус конденсатора; 2 – кришка; 3 – патрубок; 4 – сопло; 5 – патрубок; 6 – вологоповітряний насос

Витрати води для охолодження визначаються з теплового балансу:

, (2.27)

звідки

, (2.28)

де W – витрата води, кг/год; D – кількість пари, яку необхідно сконденсувати, кг/год;  – тепловміст пари, яка підлягає конденсації, Дж/кг; t_в.п. і t_в.к. – початкова і кінцева температури води, ⁰С; c_в – теплоємність води, Дж/(кгград).

На рис. 2.22 показано протитечійний барометричний конденсатор. Пара на конденсацію надходить через штуцер 5, який розміщено в нижній частині конден­сатора. В конденсаторі передбачено багато перфорованих перегородок 8. Вода для охолодження подається на верхню перегородку (полицю), з якої вона перетікає на нижче розміщені полиці у вигляді тонких струмин через отвори і борти.

Рис. 2.22. Протитечійний барометричний конденсатор: 1 – корпус конденсатора; 2 – осушувач повітря; 3 – барометрична труба; 4 – ємність для відведеної води; 5 – штуцер для подавання пари; 6 – патрубок для відведення несконденсованих газів; 7 – патрубок для відведення конденсату і води; 8 – перфоровані перегородки

Конденсат і вода виводяться через патрубок 7, який закріплено в нижній частині конденсатора. Несконденсовані гази (повітря) через патрубок 6, розміщений у верхній частині конденсатора, виводяться з апарата вакуум-насосом. Для осушування повітря використовується уловлювач краплинок води, які можуть потрапити у несконденсований газ. Абсолютний тиск в таких конденсаторах становить 0,01–0,02 МПа (0,1–0,2 атм).

Для відведення води з апарата використовується барометрична труба 3. Висота труби визначається з умов забезпечення необхідної швидкості потоку і злагодженої роботи апарата:

м, (2.29)

де h₃ – висота стовпа води в барометричній трубі, необхідна для зрівноваження різниці тисків в конденсаторі і атмосферного, м; h_g – висота стовпа води в барометричній трубі, який створює необхідний динамічний напір, щоб забезпечити рух рідини в трубі, м; 0,5 м – запасна висота, яка не дає можливості залити вхідний штуцер для пари у разі збільшення атмосферного тиску.

Висоту h₃ знаходять із співвідношення

, (2.30)

де В – розрідження в конденсаторі, мм рт. ст.

Коефіцієнт опору на вході води в барометричну трубу приймають таким, що дорівнює і на виході . Тоді висота h_g визначається зі спів­відношення

, (2.31)

де – швидкість води в трубі, м/с;  – коефіцієнт тертя під час руху рідини трубою; d – діаметр барометричної труби, м.

Діаметр барометричної труби визначається за рівнянням

, (2.32)

де D – кількість пари, яка підлягає конденсації; W – витрата води, кг/год; ω – швидкість рідини в барометричній трубі, м/с.

Кількість повітря, яке необхідно відсмоктати за допомогою вакум-насоса, можна визначити за формулою

, (2.33)

де G_п – кількість повітря, яке відсмоктується з конденсатора, кг/год; 29,27 – газова стала для повітря; t_пов – температура повітря, С; – парціальний тиск повітря, яке відсмоктується, н/м²; р – загальний тиск в конденсаторі, н/м²; р_п – парціальний тиск пари, що знаходиться у повітрі, яке відсмоктується за температури повітря t_пов.

Маса повітря, яке відсмоктується з конденсатора, визначається за емпіричною формулою

, (2.34)

де 0,000025 – кількість повітря в кг, яке міститься в одному кг води; 0,01 – кількість повітря в кг, яке проникає в конденсатор через нещільності і припадає на 1 кг пари, що підлягає конденсації.

Р ОЗДІЛ ІІІ