2.2.6.4. Нагрівання розплавленими солями

У випадках, коли необхідно рівномірно нагрівати продукти до температур, що перевищують граничнодопустимі температури для високотемпературних органічних теплоносіїв, використовують неорганічні рідкі теплоносії – розплавлені солі та рідкі метали. Найбільше практичне застосування у хімічній промисловості має нітрит-нітратна суміш (азотистокислий натрій – 40  % (мас), азотнокислий натрій – 7 % (мас), азотнокислий калій – 53 % (мас)). Використання цієї суміші дає змогу нагрівати продукти до температур 500–540 °С (1 амт) . За температур, що не перевищують 450 С суміш фактично не сприяє корозії вуглецевих сталей. У разі необхідності проведення процесу за більш високих температур для виготовлення апаратури і трубопроводів використовують хромисті і хромонікелеві сталі, крім того їх оснащують паровим обігріваннямм. Суміш застосовують тільки у разі обігрівання з вимушеною циркуляцією, яка забезпечується спеціальними насосами пропелерного типу (вертикальні) або безсальниковими відцентровими насосами. Коефіцієнти тепловіддачі від перегрітої води є вищими, ніж від суміші, однак у разі вимушеної циркуляції суміші досягають інтенсивнішого теплообміну.

З міркувань вибухобезпеки неприпустимим є контакт за високих температур нітрит-нітратної суміші з речовинами органічного походження, стружкою і тирсою чорних металів, алюмінію і магнію, оскільки вона є сильним окислювачем.

2.2.6.5. Нагрівання ртуттю та рідкими металами

Ртуть, натрій, калій, свинець, інші легкотопкі метали та їхні сплави ефек­тивно використовують як високотемпературні теплоносії для нагрівання до темпе­ратур 400–800С і вище. Ці теплоносії мають велику густину, термічну стійкість, високу теплопровідність і значні коефіцієнти тепловіддачі, що є їхньою перевагою. Однак їм характерні низькі значення критерію Прандтля (Pr ≤ 0,07), тому коефіці­єнти тепловіддачі для них необхідно розраховувати за спеціальними рівняннями.

Більшість металевих теплоносіїв вогне- і вибухобезпечні і фактично не впливають на маловуглецеві леговані сталі. Тільки калій і натрій вимагають використання нержавіючої сталі, оскільки є надзвичайно високохімічно активними і спалахують зі швидкістю вибуху. Як проміжні теплоносії для нагрівальних бань використовують легкотопкі метали, крім ртуті, натрію, калію і їхніх сплавів, що знайшли застосування у нагрівальних установках з природною та вимушеною циркуляцією. Ртуть є єдиним металевим теплоносієм, що використовується у пароподібному стані, тиск парів якої дуже низький (приблизно 2 атм. за 400С). Ртутно-парові нагрівальні установки, що працюють за природної циркуляції теплоносія, характеризуються високим ККД.

Недоліком ртутного та інших металевих теплоносіїв є те, що необхідно забезпечити абсолютну герметичність нагрівальних установок та потужну приточно-витяжну вентиляцію, оскільки вони є надзвичайно отруйними. Крім цього, погана змочуваність металів та висока вартість обмежують використання теплоносіїв цієї групи.

2.2.7. Нагрівання газоподібними високотемпературними теплоносіями з нерухомим і циркулюючим твердим зернистим матеріалом

Цей метод застосовують в хімічній промисловості недавно. За його допомогою можна нагрівати гази до температури 1500 С. Як зернистий матеріал переважно використовують кварц, алюмосилікати, діабаз, шамот тощо, подрібнені до частинок розміром 0,05–8 мм. Зернисті матеріали характеризуються великою питомою поверхнею 500–100 000 м²/м³ залежно від розміру частинок. Завдяки великій питомій поверхні в порівняно невеликих апаратах можна розмістити значні поверхні теплообміну і в такий спосіб здійснити повний теплообмін між зернистим матеріалом і газами, які продуваються через шар.

Для нагрівання димовими газами з проміжними зернистими теплоносіями використовують установки з циркулюючим і псевдозрідженим матеріалом. На рис. 2.13 показано установку з циркулюючим зернистим матеріалом, який переміщається суцільним потоком.

У футерованому вогнетривкою цеглою апараті 1 знаходиться зернистий матеріал. З топки 7 за допомогою розподільного пристрою 8 в апарат 1 подається газ з високою температурою. Зернистий матеріал подається в апарат 1 через патрубок 10 і переміщається в апараті 1 суцільним шаром, нагріваючись під час цього топковими газами. Нагрітий зернистий матеріал через патрубок 11 надходить в апарат 2, в якому нагріваються технологічні гази, що подаються в нижню частину розподільного пристрою 8, аналогічно, як в апарат 1.

Отже, в апараті 2 здійснюється нагрівання технологічних газів за рахунок тепла зернистого матеріалу. Охолоджений зернистий матеріал безперервно виво­диться через патрубок 12 в завантажувальний пристрій 3 пневмотранспортної системи, в яку подається транспортуючий газ. Транспортуючий газ підхоплює зернистий матеріал і транспортує його трубою 4 в бункер-сепаратор 5. Тут частин­ки твердого матеріалу осідають і пересипаються в апарат 1, а звільнений від твердих частинок газ виводиться за межі апарата. Циркулюючий в такий спосіб зернистий матеріал відбирає тепло від топкових газів в апараті 1 і передає їх технологічним газам, які нагріваються в апараті 2.

Рис. 2.13. Нагрівальна установка з циркулюючим зернистим матеріалом, що рухається суцільним шаром: 1 – апарат для нагрівання зернистого матеріалу; 2 – апарат, в якому нагріваються технологічні гази; 3 – завантажувальний пристрій пневмотранспортної системи; 4 – пневмотранспортна труба; 5 – бункер-сепаратор; 6 – насос; 7 – топка під тиском; 8 – розподільний пристрій; 9, 10, 11, 12 – патрубки

Характер зміни температур зернистого матеріалу і технологічного газу показано на рис. 2.13 у вигляді залежності температури від висоти шару зернистого матеріалу. Температура нагрітих технологічних газів тільки на 10–2 С нижча від температури зернистого матеріалу, який нагрівається в апараті 1 до температури, нижчої на 5–10 С від температури топкових газів.

На рис. 2.14 показано установку з циркулюючим зернистим матеріалом в псевдозрідженому стані. Ця установка відрізняється від попередньої установки (рис. 2.13) тільки конструкцією апаратів 1 і 2, в яких зернистий матеріал знаходиться в псевдозрідженому стані.

Рис. 2.14. Нагрівальна установка з циркулюючим зернистим матеріалом у псевдозрідженому стані: 1 – апарат для нагрівання зернистого матеріалу; 2 – апарат, в якому нагріваються технологічні гази; 3 – завантажувальний механізм пневмотранспортної системи; 4 – труба; 5 – бункер-сепаратор; 6 – насос; 7 – топка; 8 – розподільна решітка; 9, 10, 11 – патрубки

Топкові гази подаються під розподільну решітку 8 апарата 1. Швидкість потоку топкових газів забезпечує псевдозріджений стан зернистого матеріалу, який безперервно надходить через патрубок 10. Зернистий матеріал нагрівається теплом топкових газів і безперервно виводиться з апарата 1 патрубком 11. Охолоджені топкові гази виводяться патрубком 9. В апараті 2 здійснюється нагрівання технологічних газів і охолодження зернистого матеріалу. Швидкість газу в апаратах 1 і 2 здебільшого в 10–15 разів перевищує швидкість псевдозрідження, тому такі установки можуть працювати за значних швидкостей газу і частинок розміром 50–400 мкм.

На рис. 2.14 справа показано графіки зміни температур зернистого матеріалу і газу в апаратах 1 і 2 у вигляді залежності (температура – висота псевдозрідженого шару). Як зрозуміло з цих залежностей, температура газу, що виходить з апарата, і зернистого матеріалу фактично однакові і дорівнюють середньокалометричній температурі змішування потоків газу і зернистого матеріалу, що відповідає умовам роботи апаратів ідеального змішування.