МОДУЛЬ 6. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Тепловые процессы представляют собой обмен теплом между двумя теплоносителями.

Тепловые процессы имеют большое значение в химической промышленности по следующим причинам. Большинство химических процессов являются эндо- или экзотермическими и, следовательно, управление химико-технологическими процессами (ХТП) в конечном счете сводится к подводу или отводу тепла. В себестоимости любой продукции химической промышленности стоимость тепловой энергии составляет значительную часть, т.е. эффективная организация тепловых процессов положительно сказывается на эффективности всего производства.

Особенности тепловых процессов:

а) широкий диапазон температур теплопереноса (от температур, близких к абсолютному нулю, до несколько тысяч градусов выше нуля);

б) теплоперенос осуществляется в агрессивных средах и при высоких давлениях, что предъявляет особые требования к аппаратурному оформлению этих процессов.

Основными характеристиками тепловых процессов являются:

– количество передаваемого тепла, от которого зависят размеры теплообменных аппаратов;

– основной размер теплообменного аппарата – теплопередающая поверхность (или поверхность теплообмена).

 

Промышленные способы подвода и отвода тепла

 

В зависимости от температурных и других условий проведения процесса применяют различные методы подвода и отвода тепла – для каждого конкретного процесса должен быть выбран тот метод, который оправдывает себя в технологическом и экономическом отношении.

При подводе тепла применяют различные теплоносители, которые отдают получаемую от источников теплоты энергию в теплообменных аппаратах другому теплоносителю с более низкой температурой.

Греющие (горячие) теплоносители принято подразделять на: первичные и вторичные (промежуточные) теплоносители. В качестве первичных теплоносителей в химической технологии используют топочные (дымовые) газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания    топлива,   и  электрическую    энергию.    Вторичные (промежуточные) теплоносители получают тепловую энергию от первичных и передают ее нагреваемой среде. Наиболее распространенными промежуточными теплоносителями являются насыщенный водяной пар, горячие жидкости, различные высококипящие теплоносители (ВОТ) – перегретая вода, органические жидкости и их пары, минеральные масла, жидкие металлы и др.

Отвод тепла во многих процессах химической технологии осуществляется с помощью охлаждающих теплоносителей (хладоагентов). В качестве подобных теплоносителей в большинстве случаев выступают: воздух, вода, растворы солей (рассолы), фреоны.

Для каждого конкретного случая теплообмена выбор теплоносителя должен быть индивидуален и определяться, прежде всего, величиной температуры нагревания (или охлаждения) и необходимостью ее регулирования.

Общие требования к выбору теплоносителя:

1) теплоноситель должен обеспечивать высокую интенсивность теплопередачи;

2) обладать высокими теплофизическими характеристиками (теплоемкость, теплопроводность, высокие коэффициенты конденсации парообразования);

3) низкой вязкостью;

4) теплоноситель должен быть не токсичным, не ядовитым, пожаро-взрывобезопасным, дешевым и доступным, термически устойчивым и не обладать корродирующим действием на материал теплообменника;

5) должен быть доступным и недорогим веществом.

Для этой цели, как было сказано, используют различные технические теплоносители.

Выбор теплоносителя для каждого конкретного случая индивидуален и определяется, прежде всего, величиной температуры нагревания и необходимостью ее регулирования.

Греющие теплоносители

 

6.1.1.1 Топочные газы представляют собой газообразные продукты сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива.

Преимущества: отпадает использование промежуточных теплоносителей, нагрев до 1100°С.

Недостатки: низкий коэффициент теплоотдачи от газа к стенке; сложность поддержания заданной температуры на заданном уровне; неравномерность обогрева теплообменной поверхности; выделение продуктов неполного сгорания, которые осаждаются на теплообменной поверхности, что приводит к увеличению сопротивления, корродирующего действия; достаточно жесткие условия нагрева за счет высоких перепадов температур между топочными газами и нагреваемой средой.

6.1.1.2 Нагревание электрическим током. Осуществляется в электропечах, которые подразделяются на электропечи сопротивления (прямого и косвенного действия) и печи индукционные и высокочастотные, в которых обогрев осуществляется током высокой частоты.

Достоинства: получение любого желаемого температурного режима, который можно легко поддерживать и регулировать.

6.1.1.3 Водяной пар – самый распространенный промежуточный теплоноситель.

Достоинства: высокий коэффициент теплоотдачи, легкость транспортировки на большие расстояния, возможность точного регулирования температуры за счет изменения давлений, доступность, большое количество выделяемого тепла при конденсации.

Этот теплоноситель возможно использовать при температурах до 200°С.

Недостатки: водяной пар обладает коррозийной способностью, при росте температуры растет давление.

6.1.1.4 Вода. Можно использовать горячую воду с температурой до 100 °С или перегретую до 300…350 °С.

Достоинства: дешевизна, доступность.

Недостатки: использование перегретой воды требует применения металлоемкой (толстостенной) аппаратуры и довольно сложной арматуры.

6.1.1.5 Высококипящие органические теплоносители (ВОТ) делятся на три основные группы:

– органические теплоносители. К ним относятся глицерин, этиленгликоль, ароматические и неароматические масла, смеси органических веществ (смесь дифениловая). Температурный диапазон органических теплоносителей достигает 350 °С, при этом давление не меняется, т.е. остается постоянным. Эти теплоносители не ядовиты и не токсичны, однако являются пожаровзрывоопасными; термически не устойчивы (разлагаются на кокс и газы);

– ионные теплоносители образуют кремнийорганические жидкости (силиконы) и расплавы солей или их смесей. В качестве примера можно привести нитрит-нитратную смесь (40 % NaNO₂, 7 % NaNO₃, 53 % KNO₃). Предельная температура лежит в области 550 °С и ограничивается термической стойкостью этих теплоносителей. Теплоносители данной группы отличаются малой токсичностью и агрессивностью по отношению к конструкционным материалам;

– жидкометаллические теплоносители представляют собой жидкие металлы и их сплавы и характеризуются самой высокой термостойкостью. Вследствие этого температурный диапазон обогрева находится в области до 2000 °С. В качестве примера жидкометаллических теплоносителей можно привести висмут, свинец, ртуть, натрий, литий, олово, кадмий. Большинство металлических теплоносителей огне-, пожаро- и взрывобезопасны и практически не воздействуют на малоуглеродистые и легированные стали. Исключение составляют калий и натрий, которые отличаются чрезвычайно высокой химической активностью и воспламеняются со скоростью взрыва. Главным недостатком этих теплоносителей является высокая токсичность их паров.

Хладоагенты

6.1.2.1 Вода является самым распространенным хладоагентом. В промышленности  используется  артезианская  вода – температура  от 8 до 12 °С; открытый водоем – температура от 4 до 25 °С; оборотная вода – 30 °С.

Достоинства: доступность, дешевизна, термически устойчива.

Недостатки: коррозионная активность, температурный диапазон зависит от климатических и временных условий.

6.1.2.2 Низкотемпературные жидкости используют для создания температур ниже 5…20 °С, которые обычно не достигаются охлаждением водой. К числу таких теплоносителей относятся жидкий аммиак, фреоны, диоксид углерода, холодильные рассолы – водные растворы неорганических солей, например KCl, NaCl, CaCl (их температурный диапазон зависит от концентрации). При охлаждении холодильными рассолами и парами низкокипящих жидкостей пользуются холодильными установками.

6.1.2.3 Воздух по сравнению с водой более доступен, и несмотря на то, что он обладает значительно меньшим коэффициентом теплоотдачи и объемной теплоемкости, в современной технологии наблюдается тенденция к замене воды как охлаждающего агента воздухом. Воздух в отличие от воды не загрязняет поверхность теплоотдачи отложениями, не корродирует теплообменную аппаратуру, что положительно сказывается на увеличении срока службы воздушных холодильников.

Наиболее широко воздух в качестве охлаждающего агента используется в смесительных теплообменниках – градирнях, являющихся основным элементом оборудования водооборотного цикла.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: