3.2. Охлаждение до низких температур

Для достижения температур более низких, чем можно получить с по­мощью воды или воздуха (например, 0 °С), при условии, что допустимо разбавление среды водой, охлаждение проводят путем введения льда или холодной воды непосредственно в охлаждаемую жидкость.

Количество льда G_n (кг), потребное для охлаждения, определяется из уравнения теплового баланса:

откуда

(XII, 4)

где G — масса охлаждаемой жидкости, кг; с_в — удельная теплоемкость воды, с — удель­ная теплоемкость охлаждаемой жидкости, кДж/(кгград), t_K, t_H — конечная и начальная температуры охлаждаемой жидкости, °С, 335,2 кДж/кг — теплота плавления льда.

Вода, образовавшаяся в результате плавления льда, принимает ко­нечную температуру охлаждаемой жидкости.

Для охлаждения до значительно более низких температур, чем 0 °С, применяют холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиака), сжиженные газы (СО₂, этан и др.) или холодильные рассолы. Эти агенты используют в специаль­ных холодильных установках, где при их испарении тепло отнимается от охлаждаемой среды, после чего пары сжижаются путем компрессии или абсорбируются и цикл замыкается.

3.3. Конденсация паров

Конденсация пара (газа) может быть осуществлена либо пу­тем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одно­временно. Далее рассмотрены только процессы конденсации, проводи­мые путем охлаждения паров водой и холодным воздухом.

Конденсацию паров часто используют в основных химико-технологи­ческих процессах, например при выпаривании, вакуум-сушке и др., для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, обычно отводят из аппарата, где они образуются, в отдельный закрытый аппарат, служащий для конденсации паров — конденсатор, охлаждаемый водой или воздухом.

Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образовался. В результате в конденсаторе создается разреженное пространство, причем разрежение увеличивается с уменьше­нием температуры конденсации. Последняя, в свою очередь, тем ниже, чем больше (при прочих равных условиях) расход охлаждающего агента и ниже его конечная температура.

Одновременно с процессом конденсации в рабочем пространстве кон­денсатора происходит накопление воздуха и других неконденсирующихся газов, которые выделяются из жидкости, а также проникают через неплотности аппаратуры из окружающего воздуха. По мере накопления неконденсирующихся газов и возрастания их парциального давления уменьшается разрежение в аппарате. Поэтому для поддержания вакуума на требуемом уровне необходимо непрерывно отводить из конденсатора неконденсирующиеся газы. Обычно эти газы откачивают с помощью ва­куум-насоса. Одновременно вакуум-насос предотвращает колебания дав­ления, обусловленные изменением температуры охлаждающего агента. По способу охлаждения различают конденсаторы смешения и поверхност­ные конденсаторы.

В конденсаторах смешения пар непосредственно со­прикасается с охлаждаемой водой и, получаемый конденсат смешивается с последней. Конденсацию в таких аппаратах обычно проводят в тех слу­чаях, когда конденсируемые пары не представляют ценности. При этом для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосно­вения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель, струек и т.д.

В зависимости от способа отвода воды, конденсата и неконденсирую­щихся газов конденсаторы смешения делятся на мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах вода, конденсат и газы откачиваются одним и тем же мокровоздушным вакуум-насосом. В сухих, или барометри­ческих, конденсаторах вода и конденсат удаляются совместно само­теком, а газы откачиваются отдельно посредством сухого вакуум-насоса. Устройство конденсаторов смешения будет рассмотрено ниже.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденси­руется на внешних или внутренних поверхностях труб, омываемых с дру­гой стороны водой или воздухом. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводят из конденсатора раздельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован. Так, поверх­ностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях, когда сжиже­ние и охлаждение конечного продукта, получаемого, например, в виде перегретого пара, являются завершающей операцией производственного процесса.

Вместе с тем поверхностные конденсаторы более металлоемки, чем конденсаторы смешения, а, следовательно, более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Последнее объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения сред­ней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов в принципе могут быть использованы теплообменники различных типов, но наиболее часто приме­няют трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы.