Тепловые процессы в фармацевтическом производстве. Характеристика. Классификация. Механизмы переноса тепла: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Аппаратура.

Тепловые процессы- процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи - науки о способах передачи тепла. Скорость тепловых процессов зависит от гидродинамических условий: скоростей, режимов течения, при котором осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами.

Движущей силой теплообмена между участками (точками) тела или поверхностью тела и окружающей средой является разность температур ( D t = t₁- t₂), называемая температурным напором.

Чем больше температурный напор, тем быстрее идет теплообмен.

При прямоточном движении температура потоков в предельном случае будет одинаковой, но конечная температура холодного потокаt^’’₂не может быть выше конечной температуры горячего потокаt^’’₁. При противотоке такой случай, когдаt^’’₂> t^’’₁, возможен. Это означает, что средний температурный напор Dt_m в случае противотока выше.

1. Классификация тепловых процессов

Различают три основных формы теплообмена – теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность – это перенос тепла вследствие беспорядочного движения микрочастиц (атомов, молекул) непосредственно соприкасающихся друг с другом.

Тепло распространяется по всему телу со скоростью, зависящей от свойств тела и разности температур между отдельными его участками. В твердых телах теплопроводность является основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной(свободной) конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости (газа).

Практически чистого конвективного переноса тепла не бывает. Поскольку движущаяся часть жидкости (газа) находится в соприкосновении с менее нагретой, то конвективный перенос тепла всегда сопровождается теплопроводностью. Такой совместный перенос тепла называется конвективным теплообменом.

Тепловое излучение – перенос энергии с помощью электромагнитных волн инфракрасной части спектра.

Чаще всего на практике теплообмен происходит между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела, он называется конвективной теплоотдачей. Теплообмен между двумя средами через разделительную стенку называют теплопередачей.

В действительности при теплообмене имеют место все три способа передачи тепла в совокупности. При этом один из способов может быть преобладающим. Изучение процесса теплообмена представляет собой сложную задачу и основывается на закономерностях «чистых» способов распространения тепла.

Тепловыми процессами называются такие технологические процессы, в которых материал нагревается или охлаждается, а скорость их протекания определяется скоростью подвода или отвода тепла.

К тепловым процессам относятся:

· нагревание – процесс повышения температуры материала путем подвода тепла;

· охлаждение – процесс понижения температуры материала путем отвода тепла;

· испарение – процесс перевода жидкости в парообразное состояние путем подвода тепла;

· конденсация – процесс перевода пара в жидкое состояние путем отвода тепла.

Аппаратура:

1.Нагревание:

-водяным паром

Примером периодически действу ющего водоотводчика может служить конденсационный горшок с открытым поплавком. В корпусе 1 имеется попла вок 2, представляющий собой открытый стакан, в донышке которого укреплен стержень с направляющими ребрами и клапаном 3 на верхнем конце; клапан притерт к седлу сменной шайбы 4. В крышке горшка укреплена трубка 5, которая служит направляющей для стержня клапана и, будучи всегда погружена в конденсат, образует гидравлический затвор. В крышке горшка установлен обратный клапан 6, предотвращающий попадание конденсата в горшок из отводной конденсатной линии, к которой могут быть подключены и другие теплообменны е аппараты. Вес поплавка можно регулировать при помощи сменного груза 8. Опорожнение горшка производят, открывая проб ку 9.

При пуске и разогреве теплообменного аппарата, к которому присоединен горшок, открывают продувочный вентиль 7 и быстро удаляют скоп ившийся конденсат; после разогрева аппарата вентиль 7 закрывают и горшок начинает работать.

Когда конденсат накапливается в корпусе горшка, поплавок всплывает и закрывает клапан 3. Конденсат заполняет горшок и постепенно переливается внутрь поплавка. Когд а в поплавке наберется определен ное количество конденсата, он опускается вниз, одновременно открывая клапан 3; при этом вследствие разности давлений до и после горшка кон денсат выдавливается из горшка в отводную линию. Так как конденсата убывает значительно больше, чем поступает, то поплавок снова поднимается и закрывает клапан 3.

Во время подъема поплавка до момента закрытия клапана уровень конденсата в поплавке выше нижнего конца трубки 5, поэтому пар не может выйти из горшка. Хотя горшок с открытым поплавком работает

периодически, он обладает некоторыми достоинствами по сравнению с горшком, снаб женным закрытым поплавком, — по периодическим выбросам воды можно контролиро вать работу горшка, трущиеся его части не прикипают к корпусу горшка и т.д.

Редукционные клапаны или обратная линия  работают на принципе выпуска пара через узкие отверстия с дальнейшим резким его расширением. Отработанный пар попадает в конденсационные горшки, образовавшийся конденсат собирается в один общий трубопровод, по которому самотеком стекает в конденсационный бак, находящийся в котельной ниже уровня пола, откуда при помощи инжектора после очистки подается в паровой котел.

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Если для проведения процесса требуются сравнительно большие поверхности теплообмена, то применяют главным образом трубчатые теплообменники. Поверхность теплообмена в трубчатых теплообменниках мо жет быть получена различными способами.

Простейшей конструкцией аппаратов такого типа является кожухотрубный теплообменник; в кожухе 1 теплообменника с двух концов приварены труб ные решетки 2, в которые вхо дит пучок трубок 3. Днища 4 соединены с кожухом на фланцах 5 при помощи болтов 6, что позволяет снимать днища и про - чищать трубки. Трубки теплооб менника прямые; поэтому их легко прочистить и в случае появления течи заменить новыми.

Способы закрепления трубок в трубных решетках показаны на рис. 7.4.1. Трубки закрепляют в трубных решетках герметично, главным образом путем развальцовки или сварки. В некоторых случаях приме няют сальниковое крепление труб, при котором допускается продольное их перемещение при удлинении, но такое крепление является сложным.

Рис. 7.4.1. Закрепление трубок в трубных решет - ках: I, II, III—развальцовкой; IV — сваркой; V—

сальниковым соединением.

В теплообменниках с вертикальными трубами пар обычно проходит по межтрубному пространству сверху вниз, а жидкость протекает по трубам. Конденсат удаляется из нижней части кожуха в конденсацион ный горшок: газы собираются в верхней части межтрубного пространства, откуда они удаляются.

Кожухотрубные теплообменники выполняют одноходовым и, в которых жидкость движется параллельно по в сем трубам, и многоходовыми, в которых пу чок труб разделен на несколько секций (ходов), причем жидкость проте кает последовательно по всем ходам.

Рис. 7.4.2. Многоходовой теплообменник: 1, 3, 5, 7 —отсеки нижней камеры; 2, 4, 6, в—отсекиверхней камеры.

Многоходовой теплообменник с вертикальным расположением труб имеет верхнюю и нижнюю камеры, разделенные продольными перегородками на отсеки; жидкость поступает из отсека 1 в отсек 2, потом возвращается назад, входит, в отсек 3, отсюда в отсек 4 и т. д., пока не удаляется из отсека 8.

Такое устройство позволяет увеличить скорость жидкости в трубах теплообменника и, следо вательно, улучшить теплопередачу.

Рис. 7.4.3. Двухходовой теплообменник с перегородками в межтрубном пространстве: 1—кожух; 2 перегородки.

Для увеличения скорости про текания жидкости, в межтрубном пространстве размещают перегородки. В аппаратах с поперечными перегородками тепло носитель движется поперек пучка труб, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.

Многоходовые теплообменники работают при смешанном токе теплоносителей. Поэтому установка многоходовых теплообменников вер тикально не дает преиму ществ и часто их устанавливают горизонтально.

Поперечные перегород ки представляют собой диски с вырезанными сегментами или чередующиеся кольца и диски. В некоторых конструкциях тепло обменников межтрубное про - странство разделяется на хо ды с помощью продольных перегородок.

Жесткое крепление тру бок теплообменника в труб ной решетке сваркой надежно, если разность т емператур между кожухом и пучком труб не превышает 20°.

При большей разности температур может произойти изгиб и деформация труб, поэтому для компенсации температурных удлинений и сво бодного удлинения труб одну из трубных решеток не закрепляют наглухо ил и соединяют ее с кожухом при помощи сальникового уплотнения, с тем, чтобы решетка могла свободно перемещаться.

Аппараты, в которых одна из трубных решеток не прикреплена к кожуху и имеет свободное осевое перемещение, называют теплообменни ками с «плавающей » головкой. Последняя может быть закрытого и открытого типа. «Плавающую» головку применяют не только для компенсации температурных удлинений, но и для того, чтобы облегчить разборку и чистку теплообменника.

Теплообменники с«плавающей» головкой: I—закрытоготипа; II—открытоготипа, 1—кожух; 2 — плавающая головка.

В теплообменниках исполь зуются также сальниковые компенсаторы, которые могут быть уста новлены на штуцере или на корпусе.

Упругая деформация при удлинении трубок может воспри - ниматься также приваренным к ко жуху линзовым компенсатором.

Внекоторых конструкциях устанавливаются трубки U- образной формы, оба конца которых развальцованы в одной трубной решетке. Компенсация температурных удлинений трубок в данном случае достигается тем, что каждая трубка может свободно удлиняться независимо от других. Однако механическая очистка таких трубок затрудни тельна.

Интенсивный теплообмен может быть достигнут в двухтрубных теплообменниках, состоящих из труб, заключенных в других трубах большего диаметра. Двухтрубный теплообменник, называемый также теплообменником типа «труба в трубе», состоит из нескольких элементов, расположенных один под другим, причем внутренние трубы 1 одного элемента теплообменника

 

соединены последовательно c внутренними трубами, а внешние трубы 2 — с внешними тру бами другого элемента. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют калачами или коленами 3.

Рис. 7.3.1. Теплообменники типа «труба в трубе»: 1-внутренняятруба; 2 — внешняя труба; 3—калач(колено).

В тех случаях, когда необходима значительная поверхность теплообмена, устанавливают несколько рядов таких теплообменников и соеди няют их параллельно коллекторами.

При нагревании жидкостей паром или при конденсации насыщенных паров жидкость поступает во внутреннюю труб у внизу теплообменника, проходит последовательно все элементы теплообменника и выте кает из него сверху. Пар поступает в кольцевое пространство верхнего элемента и вместе с образующимся там конденсатом перетекает в кольце - вые пространства ниже расположенн ых элементов. Из кольцевого простран ства нижнего элемента конденсат удаляется через конденсационный гор шок.

Аппараты с рубашками.

Двойные стенки, или рубашки, ши роко используются для обогрева реакционных аппаратов, особенно в тех случаях, когда внутри аппарата нельзя установить змеевики (например, в аппарате со скребущей мешалкой и др.).

Схема устройства паровой рубашки показана на рис. 7.1.1. Рубашка 2 укреплена снаружи корпуса 1 аппарата; между внутренней поверхностью рубашки и наружной поверхностью корпуса аппарата образуется герметически замкнуто е пространство, в которое при нагре вании через штуцеры 3 и 4 вводится пар, а через штуцер 5 отводится конденсат. Для охлаждения, наоборот, охлаждающая жидкость посту пает снизу через штуцер 5 и отводится сверху через штуцеры 3 и 4.

Рис 7. 1.1. Схема устройства паровой р убашки: 1 — корп ус аппарата; 2 — р убашка; 3 — 5 — штуцеры

Высота рубашки должна быть не менее высоты уровня жидкости в аппарате. Рубашки приваривают к стенкам аппарата, а также крепят на болтах к фланцу корпуса или крышке аппарата.

Для более равномерного обогрева аппаратов диаметром более 1 м пар вводят в рубашку с двух сторон.

Обычно рубашки применяют для нагревания паром давлением не более 5 ати. Превышение этого предела приводит к чрезмерному утолщению стенок рубашки и аппарата; поверхность рубашек, как правило, не превышает 10 м 2.

Для работы при высоких давлениях применяют р убашки специальной конструкции. Рубашку изготовляют из листов, вкоторых выштампованы отверстия. Кромки листов по периметру отверстий наглухо привариваются к стенке аппарата. Такие рубашки отличаются повышенной прочностью и допускают применение пара давлением до 75 ати. Вследствие повышенной скорости теплоносителя в таких рубаш ках можно достичь больших коэффициентов теплопередачи, чем для рубашек, описанных выше.

При расчете аппаратов с рубашками обычно задано количество нагреваемой (или охлаждаемой) жидкости, ее начальная и конечная температуры и поверхность рубашки, а искомыми являются коэффициент теплопередачи и продолжительность нагревания, которые определяют по общим формулам теплопередачи:

Одним из простейших теплообменных устройств в аппаратах являются змеевики, представляющие собой прямые трубы, соединенные коленами, или спирально согну тую трубу с расположением витков по винтовой линии.

Коэффициент теплоот дачи змеевиков несколько выше, чем прямых труб. Од нако змеевики имеют боль шую длину, и при конденсации пара в нижней части змеевика может накапли - ваться конденсат, что приво дит к ухудшению теплообмена; в длинных змеевиках, кроме того, значительно уменьшается давление и затруднен отвод неконденси рующихся газов. Поэтому змеевики разделяют на не сколько отдельных секций, расположенных одна над др угой или в виде концентрических окружностей.

Рис. 7. 2. 1 Змеевики

Змеевики обычно изготовляют из труб диаметром до 76 мм; из труб больше го диаметра изготовлять змеевики трудно.

В химической промышленности применяют змеевики из стальных труб, а также из труб, изготовленных из цветных металлов, керамики, стекла, пластических масс и других химически стойких материалов.

Для предотвращения прог иба и деформации труб змеевики закрепляют хомутами на стойках.

Теплообменники из змеевиков, погруженных в резервуар, наполненный жидкостью, называются погружными.

Рис 7. 2.3 Аппарат со змеевиками, за литыми в стенки: 1 — корп ус аппарата; 2 —змеевики; 3 — мешалка.

Вследствие небольшой скорости протекания жидкости в резервуаре эти теплообменники отличаются малоинтенсивным теплообменом, но хи часто применяют для охлаждения из -запростоты изготовления и выполнения ремонта, а также удобства применения в агрессивных средах.

Ваппаратах такой конструкции нагрев тепло носителями можно вести при весьма высоких давлениях, но эти змеевики сложны в изготовлении и до роги; кроме того, в связи с тем, что чугун и сталь имеют разное тепловое удлинение, обычно не удается достигнуть плотного соединения змеевиков с чугунной

стенкой аппарата и остаются рако вины и пустоты, ухудшающие теплопередачу.

Рис 7. 2.4 Аппарат с приваренными сна р ужи змеевиками.

Аппараты с залитыми в стенки змеевиками из готовляют только из чугуна, поэтому их можно при менять при внутренних давлениях не выше 6 ати.

Более совершенны для нагревания при высоких давлениях аппараты, в которых стальной змеевик приварен по наружной поверхности. Змее вик имеет форму спирали или состоит из труб, расположенных по образующим цилиндрической поверх - ности аппарата.

Теплообменники с ребристой поверхностью

При нагревании воздуха и газов паром чаще всего пользуются нагревательными приборами, снаб женными ребристыми поверхностями теплообмена.

Ребристые поверхности теплообмена применяют для увеличения теплопередачи через металлические стенки в те х случаях, когда условия теплоотдачи по обеим сторонам стенки различны. Условия теплоотдачи улучшают, увеличивая, добавлением ребер, поверхность, отдающую тепло. Ребра

размещают с той стороны поверхности, где коэффициент тепло - отдачи сравнительно ниже.

Пропуская греюший пар внутри трубы и снабжая трубу с наружной стороны ребрами, увеличивают ее наружную поверхность и в значительной мере выравнивают теплоотдачу с обеих сторон трубы.

Необходимым условием полного использования ребер является быстрое выравн ивание тепла внутри ребристых стенок, для чего стенки и ребра должны быть изготовлены из хорошо проводящего тепло материала.

Рис. 7.7.1. Схема ребристого калорифера: 1—корпус; 2—трубка; 3—ребро; 4, 5 —штуцеры.

Наиболее распространен ы стальные пластинчатые калориферы, состоящие из пучков или секций труб с наде тыми на трубы по всей их длине пластинами.

В зависимости от числа рядов труб, установленных в направлении движения воздуха, различают три модели калориферов: малую с двумя ряда ми труб (модель М), среднюю с тремя рядами труб (модель С) и большую с четырьмя рядами труб (модель Б).

Калориферы часто соединяют друг с другом в батареи параллельно, последовательно и комбинированно обоими способами.

Конденсатор представляет собой закрытый резервуар (фиг. 53), в котором создается разрежение за счет конденсации пара охлаждающей водой. Разрежение создается потому, что образовавшийся конденсат во много раз меньше объема посту­пившего в конденсатор пара. Ранее отмечалось, что в паровых машинах абсолютное давление выпускаемого пара обычно прини­мается равным 0, 1—0, 2 ат. При таком давлении на единицу мощ­ности расходуется наименьшее количество пара и тепла. При дальней­шем увеличении вакуума не наблюдается заметного снижения удель­ного расхода пара. Лишь у прямоточных машин благодаря про­сторным паровыпускным окнам абсолютное давление выпуска может быть доведено до 0, 05.

В зависимости от способа использования охлаждающего дейст­вия воды конденсаторы разделяются на смешивающие и поверхностные. У смешивающих конденсаторов охла­ждающая вода входит в непосредственное соприкосновение с паром и смешивается с конденсатом. У поверхностных конденсаторов пар омывает трубки, по которым протекает охлаждающая вода, и конден­сируется на поверхности этих трубок.

Смешивающие конденсаторы гораздо компактнее и дешевле поверхностных. Стационарные паровые машины чаще всего обору­дуются смешивающими конденсаторами; поэтому здесь они и будут рассмотрены

Различают поверхностные конденсаторы и конденсаторы смешения.

В поверхностных конденсаторах пар отделен от охлаждающей воды стенкой. Эти конденсаторы по устройству аналогичны поверхностным теплообменникам (обычно применяются кожухотрубные конденсаторы) и используются в тех случаях, когда конденсат необходимо сохранить в чистом виде.

В конденсаторах смешения пар конденсируется при непосредственном соприкосновении с водой так, что образующийся конденсат смешивается с водой и удаляется вместе с ней. Вследствие простоты конструкции эти конденсаторы получили широкое распространение и применяются во всех случаях, когда конденсат не используется.

В зависимости от направления движения пара и воды конденсаторы смешения разделяются на прямоточные и противоточные, а в зависимости от высоты расположения – на конденсаторы низкого и высокого уровня.

Прямоточные конденсаторы применяются для выпарных установок небольшой и средней производительности и обычно размещаются на низком уровне.

В этих конденсаторах (рис. 13-18) пар и вода движутся в одном направлении (сверху вниз), а смесь воды и конденсата откачивается насосом.

Рис. 13-18. Прямоточный конденсатор.

Так как конденсатор расположен на низком уровне, то охлаждающая вода поступает в него не с помощью насоса, а засасывается под действием имеющегося в конденсаторе вакуума. Если абсолютное давление в конденсаторе составляет 0, 1 – 0, 2 aт (т. е. вакуум равен 0, 8 – 0, 9 aт, что соответствует 8 – 9 м вод. ст.), то ввод воды должен быть расположен не выше 5 – 6 м над уровнем засасываемой воды для того, чтобы обеспечить необходимый остаточный напор (2 – 3 м) для распыливания воды при входе ее в конденсатор. Воздух отсасывается вакуум-насосом сверху, как показано на рис. 13-18, или удаляется вместе с водой и конденсатором при помощи специального мокровоздушного насоса.

Противоточные конденсаторы применяются для выпарных установок большой производительности. Они располагаются обычно на высоком уровне, причем удаление смеси воды и конденсата производится через опускную (барометрическую) трубу. Высота столба жидкости в барометрической трубе уравновешивает атмосферное давление, и жидкость вытекает из нее в сборник (барометрический ящик). Нижний конец барометрической трубы должен быть опущен ниже уровня жидкости в барометрическом ящике, образуя гидравлический затвор, препятствующий засасыванию атмосферного воздуха в конденсатор. Высота барометрической трубы должна быть не менее 1 м на каждые 0, 1 ат разрежения; обычно эта высота составляет 10, 5 – 11 м.

В таких конденсаторах, называемых барометрическими (рис. 13-19), пар и вода движутся в противоположных направлениях (пар – снизу вверх, вода – сверху вниз).

Рис. 13-19. Противоточный барометрический конденсатор.

Причем для улучшения их соприкосновения в аппарате на различной высоте расположены тарелки или полки. Вода струйками перетекает с одной тарелки на другую через отверстия по всей поверхности тарелок; часть воды, кроме того, переливается через борт тарелки, которым поддерживается определенный уровень воды. Воздух отсасывается сверху, а смесь воды и конденсата удаляется через барометрическую трубу.

Воду в конденсатор следует подавать под напором, так как при высоком расположении ввода воды (на уровне 12 – 15 м) вакуум в конденсаторе недостаточен для ее засасывания.

Преимуществами противоточных конденсаторов смешения по сравнению с прямоточными являются меньший расход воды и меньший объем отсасываемого воздуха. Достоинством прямоточных конденсаторов является их компактность. Если отработанная вода отводится из конденсатора в канализацию, то предпочтение следует отдавать противоточным конденсаторам, так как их громоздкость окупается простотой удаления воды через барометрическую трубу. Если же отработанная вода направляется в градирню для повторного использования, то для подачи воды необходимо устанавливать насос: в этом случае в барометрической трубе нет надобности и применение компактных прямоточных конденсаторов, установленных на низком уровне, может оказаться более целесообразным.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: