Теплопередача в химической аппаратуре

Теплопередача в химической аппаратуре

Химические процессы в большинстве случаев протекают в заданном направлении только при определенной температуре, которая обеспечивается путем подвода или отвода тепловой энергии.

Теплообмен -это процесс переноса энергии в форме теплоты между телами с различной температурой.

Теплообмен имеет исключительно важное значение для проведения процессов выпаривания, перегонки, сушки и др.

Процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла называются тепловыми процессами. Это нагревание, охлаждение, конденсация, испарение.

В тепловом процессе участвуют не менее двух сред с различной температурой. При этом тепло передается самопроизвольно от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.

Различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность - это процесс переноса теплоты путем беспорядочного (теплового ) движения микрочастиц, соприкасающихся друг с другом. В газах и капельных жидкостях - это движение молекул. В твердых телах - колебание атомов или диффузия свободных электронов. Распределение тепла теплопроводностью происходит при неравенстве температур внутри тела (среды).

Конвекция - перенос теплоты вследствие движения макроскопических объемов. Происходит только в газах и жидкостях. Различают естественную (возникающую вследствие разности плотностей в различных точках объема) и вынужденную конвекцию - при принудительном перемешивании.

Тепловое излучение - это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн.

Перечисленные выше элементарные виды теплообмена в реальных условиях встречаются в различных комбинациях

Теплопередача. Теплоотдача

Теплота от одной среды к другой может передаваться при непосредственном контакте или через стенку.

Если теплота переходит от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющуюстенку, то процесс называется теплопередачей.

Если теплота переносится от стенки к среде (или наоборот), то процесс называется теплоотдачей.

В химической технологии теплообменные процессы осуществляются в аппаратуре, которая называется теплообменной аппаратурой.

Жидкости или газы, участвующие в теплообмене, называются рабочими средами.

Основной характеристикой теплообменного аппарата является поверхность теплообмена.

Основное уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса

Связь между количеством теплоты передаваемым в аппарате и поверхностью теплообмена определяется основным кинетическим соотношением, которое называется о сновным уравнением теплопередачи:

(1)

- количество переданного тепла, Дж;

- локальный коэффициент теплопередачи между средами, ;

- разность температур между средами, ⁰С;

- элемент поверхности теплообмена, м²;

- время теплообмена, с

- коэффициент теплопередачи средний для всей поверхности, .

Физический смысл коэффициента теплопередачи:

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты в Дж переходит в 1с от более нагретого тела к менее нагретому через поверхность теплообмена в 1м² при средней разности температур равной 1 град. Коэффициент теплопередачи определяет интенсивность теплообмена. Из основного уравнения теплопередачи (1) можно определить поверхность теплопередачи . . (2)

определяется из уравнения теплового баланса:

(3)

- потоки тепла, которые поступают в аппарат с исходными продуктами;

- теплота реакций ( теплота химических превращений; испарение жидкостей; выделение паров или газов из твердых поглотителей; теплота плавления и растворения). Для определения этих теплот используют справочные данные.

- потоки тепла, которые выходят из аппарата с конечными продуктами;

- потери тепла в окружающую среду (» 3¸ 5%).

Теплопроводность

Закон Фурье ( установлен опытным путем) – количество теплоты переданного теплопроводностью, прямо пропорционально градиенту температуры , времени и площади сечения , перпендикулярного направлению теплового потока:

, (4)

- коэффициент теплопроводности, Вт/м∙ град.

Коэффициент теплопроводности l показывает, какое количество теплоты в Дж проходит в 1с через 1м² поверхности при разности температур в 1⁰ на единицу длины нормали к изотермической поверхности. (Изотермическая поверхность - геометрическое место точек с одинаковой температурой).

Плотность теплового потока . (5)

( ² -² означает что тепло перемещается в сторону падения температуры).

Тепловое излучение

- это процесс распространения энергии в форме электромагнитных волн.

Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен - это процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости или от жидкости к стенке. Вследствие «прилипания» жидкости к поверхности стенки вблизи нее образуется пограничный слой, в котором движение определяется силами вязкого трения.

С точки зрения тепловых процессов, вблизи стенки также имеется тепловой пограничный слой, в котором тепло передается преимущественно путем теплопроводности.

Рис.

Наряду с теплопроводностью в движущейся жидкости происходит к онвективный перенос теплоты, который обусловлен перемещением частиц жидкости из зоны с большей температурой в зону с меньшей температурой. Т.о. перенос теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости или наоборот осуществляется одновременно путем теплопроводности и конвекции и называется к онвективным теплообменом или теплоотдачей. При теплоотдаче тепло от стенки к жидкости или наоборот распространяется через пограничный слой в ядро потока, где распространяется уже путем конвекции. Очевидно, что на теплоотдачу существенное влияние оказывает режим движения жидкости. По природе возникновения различают свободное и вынужденное движение. Свободное - возникает из-за разности плотностей в жидкости, обусловленной термическим расширением. Вынужденное - обусловленно действием внешней силы (насосом, вентилятором). Вынужденное движение определяется свойствами жидкости (r, n, t), формой канала.

Различают ламинарный и турбулентный режим движения. Интенсивней теплообмен при турбулентном режиме.

Уравнение теплоотдач и- уравнение Ньютона.

Кинетика переноса теплоты от стенки к жидкости (или наоборот) выражается законом Ньютона: Количество теплоты в Дж, переданной от поверхности теплообмена к среде (или наоборот) прямо пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур стенки и среды Dt и времени теплообмена dt.

dQ = a dF dt D t (10 ),

где Dt - разность температур стенки и жидкости, a - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²град. Физический смысл a - выражает количество теплоты, передаваемое за 1с через 1м² поверхности при Dt =1 град. от теплоносителя к стенке (или наоборот).

Для стационарных процессов температура и a постоянны во времени и

dQ=a Dt dF (11).

При расчете конкретных стационарных процессов обычно принимают, что a постоянен вдоль поверхности теплообмена и уравнение теплоотдачи записывается в виде

Q=a Dt F (12)

Это уравнение в расчетной практике применимо, если известно a. Однако, определение a связано с большими трудностями, т.к. на теплоотдачу влияет множество факторов: режим движения, скорость движения, физические параметры жидкости, форма и размер поверхности теплообмена, t_ст. и t_cp. и т.д. Т.о. для проведения расчетов по теплообмену необходимо уравнение, которое бы связывало a с переменными, выражающими условия конвективного теплообмена. Таким уравнением является дифференциальное уравнение конвективного теплообмена.

Тепловое подобие

У поверхности твердого тела, находящегося в движущейся жидкости всегда имеется пограничный слой толщиной d через который тепло передается теплопроводностью в направлении перпендикулярном движению потока. Рассмотрим подобие граничных условий. По закону Фурье количество тепла проходящее в пограничном слое толщиной d через площадь dF за время dt составляет .

Количество тепла, проходящее от стенки в ядро потока, определяется по з.Ньютона

dQ=adFdtDt, где Dt=t_ст-t_ж .

При стационарном режиме теплообмена количество тепла, проходящее через пограничный слой и ядро потока равны:

=adFdt (t_ст-t_ж) =a (t_ст-t_ж).

Для подобного преобразования разделим правую часть на левую и отбросим знаки математических операторов; d заменим определяющим размером (эль). Получим безразмерный критерий Nu = a /l - критерий Нуссельта. Критерий Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на границе раздела фаз. Nu - является мерой соотношения толщины пограничного слоя d и определяющего геометрического размера (если это труба, то ее диаметр).

Рассмотрим условия подобия в потоке. Возьмем уравнение Фурье-Кирхгофа

ß ß ß

( 1) (2) (3)

Разделим (1) на (3) получим безразмерный комплекс . Чтобы не оперировать с дробными числами, берут обратную величину =F₀ - критерий Фурье - характеризует связь между скоростью изменения температурного поля, размерами и физическими характеристиками среды в нестационарных тепловых процессах.

Разделим (2) на (3) –получим – критерий Пекле - характеризует отношение количеств тепла, распространяемых в потоке жидкости конвекцией и теплопроводностью. Критерий Pe может быть представлен как произведение Re*Pr = Pe; .

Критерий Прандтля Pr – характеризует поле теплофизических величин потока жидкости и находится только по теплофизическим параметрам жидкости . В тех случаях, когда теплообмен осуществляется в результате естественной конвекции, процесс характеризуется критерием Архимеда Ar = (gl³/n²)*(r-r₀)/r, где r, r₀ –плотности холодной и нагретой жидкости. Поэтому комплекс (r-r₀)/r заменяют на bDt. Получают Критерий Грасгофа , ( где b - коэффициент объемного расширения жидкости, - разность температур стенки и жидкости). – характеризует гидродинамический режим потока жидкости в условиях естественной конвекции, происходящей под влиянием разности плотностей нагретой и холодной жидкости.

Теплопередача

Теплопередачей называется процесс передачи тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их поверхность.

Количество передаваемого тепла определяется по уравнению , которое называется основным уравнением теплопередачи. Здесь К – коэффициент теплопередачи, который является суммирующим коэффициентом, учитывающим переход тепла из ядра потока одного теплоносителя к стенке (теплоотдача), перенос тепла через стенку (теплопроводность) и от стенки к ядру другого теплоносителя (теплоотдача). На рис. d - толщина стенки; l - коэффициент теплопроводности стенки, t_ж1, t_ж2 - температура жидкости в ядре потока, t_ст1, t_ст2 – температура стенки, a₁, a₂ – коэффициенты теплоотдачи. При установившемся режиме количество тепла, передаваемое в единицу времени через площадь F из ядра потока 1-го теплоносителя к стенке равно количеству тепла, передаваемого через стенку и далее от стенки к ядру 2-го теплоносителя.

; ; . Выразим из них: Отсюда: .

Или , где . - величина обратная коэффициенту теплопередачи, представляющая собой термическое сопротивление теплопередаче, - термические сопротивления теплоотдаче, - термическое сопротивление стенки.

Tермическое сопротивление теплопередаче является суммой термических сопротивлений теплоотдачи и стенки.

При расчете К многослойнойстенки:

, где i = номер слоя, n = число слоев.

Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты предназначены для проведения теплообменных процессов. По принципу действия делятся на рекуперативные, регенеративные, смесительные.

1) В рекуперативных аппаратах теплоносители разделены стенкой, тепло передается через стенку.

2) В регенеративных аппаратах - одна и та же поверхность омывается попеременно различными теплоносителями. Один теплоноситель нагревает поверхность, а сам охлаждается, другой принимает тепло от поверхности – нагревается. Таким образом, необходимо наличие твердых тел, которые бы аккумулировали тепло.

3) В смесительных – передача тепла происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Рассмотрим подробнее.

1) Рекуперативные теплообменные аппараты. Главная черта таких аппаратов: наличие поверхности разделяющей теплоносители.

А) В зависимости от конструкции поверхности теплообмена рекуператоры подразделяются на – кожухотрубчатые, 2-х трубчатые, змеевиковые, спиральные, оросительные. Рассмотрим кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенные в химической технике. Они надежны, просты, имеют большую F теплообмена. Рассмотрим к ожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции (одноходовой).

Состоит из: 1- цилиндрическая обечайка-кожух,

2- трубные решетки, 3- трубы, 4-крышки, 5- днище, 6-болт; 7-прокладка; I, II-теплоносители.

К кожуху с двух сторон приварены решетки, в которых закреплен пучок труб. К кожуху при помощи фланцев болтами присоединены днища. Уплотнение обеспечивается прокладкой. Для ввода и вывода теплоносителя используются патрубки. Один теплоноситель направлен вверх, другой – вниз. 1 – в трубное пространство, II– в межтрубное, омывает трубы снаружи.

Соединение труб с трубной решеткой – сваркой или развальцовкой, редко - сальниковое уплотнение.

Выпаривание

Выпаривание – процесс концентрирования растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.

При выпаривании происходит частичное удаление растворителя из всего объема раствора при его температуре кипения.

В качестве греющего агента при выпаривании используют чаще всего водяной пар, который называется греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании, называется вторичным. Тепло в выпарных аппаратах подводится через стенку или непосредственно.

Различают выпаривание под вакуумом, при атмосферном давлении, при повышенном давлении. Выпаривание под атмосферном давлении и под вакуумом проводят в однокорпусных аппаратах. Однако наиболее распространены многокорпусные выпарные аппараты, в которых вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего для следующего корпуса. Давление при этом снижается так, чтобы обеспечить достаточную разность температуры вторичного пара и температуры кипения раствора в корпусе, т.е. создать необходимую движущую силу процесса. Первичным паром обогревается только 1 - ый корпус. Рассмотрим устройство выпарного аппарата.

Схема однокорпусной выпарной установки:

1-сепаратор; 2-греющая камера; 3-циркуляционная труба; 4-барометрический конденсатор; 5-барометрическая труба; 6-вакуум-насос

Греющий пар поступает в межтрубное пространство нагревательной камеры, охлаждается, конденсат отводится внизу. Раствор, поднимаясь по трубам, кипит с образованием вторичного пара. Отделение вторичного пара от брызг происходит в сепараторе. Вторичный пар выходит из верха аппарата. Часть раствора опускается по циркулярной трубе под решетку греющей камеры. Плотность жидкости в трубе < ρ в циркуляционной трубе, поэтому раствор циркулирует по замкнутому контуру. Упаренный раствор удаляется снизу.