Розділ іі нагрівання, охолодження і конденсація

2. Загальна характеристика

В хімічній промисловості поширені теплові процеси – нагрівання і охолодження рідин і газів і конденсація пари, які проводяться в теплообмінних апаратах (теплообмінниках).

Теплообмінниками називають апарати, призначені для передачі тепла від однієї речовини до другої. Речовини, що задіяні у процесі передачі тепла, називають тепловими агентами. Теплові агенти з вищою температурою, ніж нагріваюче середовище, які віддають тепло, називають нагрівальним агентом, а теплоносії з нижчою температурою, ніж середовище, від якого вони сприймають тепло, - охолоджуючим агентом.

Прямим джерелом тепла в хімічній технології є димові гази - газоподібні продукти згорання палива, і електрична енергія. Речовини, що одержують тепло від таких джерел і віддають його через стінку теплообмінника до нагріваючого середовища, називають проміжним теплоносієм. Поширеними проміжними теплоносіями (нагрівальними агентами) є водяна пара і гаряча вода, а також високотемпературні теплоносії – перегріта пара, мінеральні масла, органічні рідини (і їх пара), розплавлені солі, рідкі метали і їх сплави.

Воду і повітря використовують в якості охолоджуючих агентів для охолодження до звичайних температур (10 - 30С).

Необхідна температура нагрівання або охолодження та необхідність її регулювання визначають вибір того чи іншого теплоносія, що відповідає необхідним вимогам:

• повинен забезпечувати високу інтенсивність теплообміну за невисоких масових та об‘ємних його витрат;

• повинен мати незначну в‘язкість і високу густину, теплоємність і теплоту пароутворення;

• повинен (по можливості) бути негорючий, нетоксичний, термічно стійкий;

• щоб не здійснював руйнівного впливу на матеріал теплообмінника;

• повинен бути доступним і дешевим.

Утилізація тепла деяких напівпродуктів, продуктів і відходів виробництва, які використовуються в якості теплоносіїв здебільшого є економічно доцільною.

2.1. Гріючі агенти і способи нагрівання

2.1.1. Нагрівання водяною парою

Для нагрівання використовують переважно насичену водяну пару за тисків 1,0-1,2 МПа (10-12 ат). Використання водяної пари більш високого тиску вимагає складної та дорогої апаратури, що економічно не вигідно. Відповідно до тисків 1,0-1,2 МПа нагрівання насиченою водяною парою обмежується температурою ~180⁰С. В процесі нагрівання пара конденсується, виділяючи під час цього велику кількість тепла за невеликої витрати пари.

Широке застосування процесів з нагріванням насиченою водяною парою обумовлено наступним:

1. великою кількістю тепла, яке виділяється під час конденсації пари (2,26·10⁶Дж/кг за тиску 0,1МПа;

2. високим коефіцієнтом тепловіддачі від пари до стінки (4640-17400вт/(м²·град);

3. рівномірністю нагрівання, оскільки конденсація відбувається за постійної температури;

4. високий К.К.Д. нагрівальних парових пристроїв;

5. доступність;

6. пожежобезпечність.

Однак використання насиченої водяної пари в якості нагрівального агента має недолік: із збільшенням температури відбувається значне зростання тиску, тому нагрівання насиченою водяною парою обмежене температурою 180-190⁰С (10-12 ат). Проведення процесу за високих тисків вимагає забезпечення товстостінною та дорогою апаратурою, а також відповідними комунікаціями та арматурою.

Оскільки хімічні виробництва використовують велику кількість тепла і електроенергії, тому доцільно енергетичну пару високого тиску (до 250 ат) пропустити через турбіни для отримання електроенергії, а тоді м‘яту пару (6-8 ат) після турбін задіяти для нагрівання теплообмінної апаратури. Тепло м‘ятої (перегрітої) пари незначне порівняно з її теплотою конденсації, а об‘єм пари на одиницю тепла, що віддається є значно більшим, ніж для насиченої пари, що вимагає збільшення діаметра паропроводів. Для уникнення витрат на транспортування теплоносія, перегріту пару з турбін зволожують, змішуючи її з водою. В цей час пара додатково випаровує деяку кількість води і скеровується в насиченому стані на теплообмінні апарати.