Способи нагрівання в хімічній технології

Нагрівання і охолодження рідин і газів та конденсація пари відбуваються в теплообмінних апаратах-теплообмінниках. Теплоносії, що мають вищу температуру за температуру середовища, якому тепло передається, називають нагрівними агентами, а теплоносії з температурою, нижчою за температуру середовища, від якого тепло забирається, – охолоджуючими агентами.

Джерелами тепла в хімічній промисловості, в основному, є топкові гази та електрична енергія. Речовини, які дістають тепло від основних джерел і передають його через стінку теплообмінника середовищу, називають проміжними теплоносіями. До проміжних теплоносіїв відносять гарячу воду, водяну пару, перегріту воду, мінеральні масла, органічні рідини, розплавлені солі, рідкі метали та їхні сплави.

Вибір теплоносія залежить, насамперед, від температури, до якої потрібно нагрівати або охолоджувати робоче середовище, від способів регулювання процесу теплопередачі та від природи самого теплоносія. Бажано, щоб теплоносій був негорючим, нетоксичним, термічно стійким, неагресивним щодо матеріалу апаратури, мав невелику в’язкість, високу густину, теплоємкість та теплоту пароутворення. В багатьох випадках економічно доцільним є використання тепла напівпродуктів, продуктів та відходів виробництва.

Нагрівання водяною парою. Одним з найбільш поширених нагрівних агентів є насичена водяна пара. Це пояснюється істотними перевагами її як теплоносія. Внаслідок конденсації пари виділяється велика кількість тепла при відносно невеликій витраті пари, тому що теплота конденсації її становить приблизно 2,26^.10⁶ Дж/кг (540 ккал/кг) під тиском 9,8^.10⁴ Н/м² (1 ат). Внаслідок високих коефіцієнтів тепловіддачі від пари, що конденсується, опір переносу тепла зі сторони пари малий. Це дозволяє проводити процес нагрівання при малій поверхні теплообміну. Важливою перевагою насиченої пари є постійність температури її конденсації (при сталому тиску), що дає змогу точно регулювати температуру нагрівання, а також при необхідності регулювати її, змінюючи тиск гріючої пари. Основним недоліком водяної пари є значне зростання тиску з підвищенням температури, внаслідок чого нагрівання водяною парою можна здійснювати до температур, не вищих за 180–190⁰С, що відповідає тиску пари (10-12)^.10⁵ Па. Економічніше енергетичну водяну пару високого тиску (до 250^.10⁵ Па) спочатку направляти в турбіни для вироблення електричної енергії, після чого пару під тиском до (6-8)^.10⁵ Па (іноді до 30^.10⁵ Па) використовувати для обігрівання хімічної апаратури. При великих тисках необхідна дуже товстостінна та дорога теплообмінна апаратура, а також великі витрати на комунікації та арматуру.

Нагрівання „глухою” парою. У промисловості частіше користуються так званою „глухою” парою, що передає тепло через стінку теплообмінного апарата. Принципову схему нагрівання „глухою” парою наведено на рис. 24. Гріюча пара з генератора пари (паровий котел 1) направляється в теплообмінник 2, де рідина (або газ) нагрівається парою крізь стінку, що їх розділяє. Пара, стикаючись з більш холодною стінкою, конденсується на ній, і плівка конденсату стікає по поверхні стінки. Для того, щоб полегшити вилучення конденсату, пару вводять у верхню частину апарата, а конденсат відводять з його нижньої частини. Температура плівки конденсату є близькою до температури пари, що конденсується, і ці температури можна приймати однаковими.

Рис. 24. Схема нагрівання „глухою” парою: 1 – паровий котел,

2 – теплообмінник-підігрівач, 1 – паровий котел, 2 – теплообмінник-підігрівач,

3 – конденсатовідвідник, 4 – проміжна ємність, 5 – відцентровий насос

Витрата D „глухої” пари при безперервному нагріванні визначається з рівняння теплового балансу:

(25)

де G – витрата робочого середовища, що нагрівається; с – середня питома теплоємність середовища, що нагрівається; t₁, t₂ – початкова та кінцева температура середовища, що нагрівається; І_П, І_К – ентальпії гріючої пари та конденсату; Q_П – втрати тепла в навколишнє середовище.

Нагрівання „гострою” парою. В тих випадках, коли допустиме змішування реакційного середовища, що нагрівається, з конденсатом водяної пари, використовують нагрівання „гострою” парою, яку вводять безпосередньо в рідину, що нагрівається. Такий спосіб нагрівання – простіший від нагрівання „глухою” парою і дозволяє краще використовувати тепло пари, тому що паровий конденсат змішується з рідиною, що нагрівається, і їх температури вирівнюються.

Витрату „гострої” пари визначають, враховуючи рівність кінцевих температур рідини, що нагрівається, та конденсату. Тоді за рівнянням теплового балансу знаходимо:

Звідси витрата пари

(26)

де с_К – теплоємність конденсату.

Нагрівання топковими газами. Димові або топкові гази відносяться до нагрівальних агентів, що здавна застосовуються. Топкові гази не втратили свого значення й досі, тому що дозволяють здійснювати нагрівання до високих температур, що досягають 1000-11000⁰С, при незначному надлишковому тиску в теплообміннику з боку газів. Найчастіше топкові гази використовують для нагрівання через стінку інших нагрівальних агентів – проміжних теплоносіїв.

Топкові гази отримують, спалюючи в печах тверде, рідке або газоподібне паливо. Крім того, доцільніше використовувати у вигляді нагрівальних агентів газоподібні відходи багатьох хімічних та інших виробництв, температура яких досить висока і іноді сягає 500-600⁰С.

Недоліками топкових газів є: нерівномірне нагрівання, складність регулювання температури нагрівання, низькі коефіцієнти тепловіддачі від газу до стінки, можливість забруднення продуктів при безпосередньому нагріванні газами, значні перепади температур між топковими газами і об’єктами нагрівання, що може привести до їх перегрівання.

Витрату палива при нагріванні топковими газами визначають з рівняння теплового балансу. Так, якщо витрата газоподібного палива складає В, а ентальпії топкових газів рівні І₁ на вході в теплообмінник та І₂ – на виході з теплообмінника, то рівняння теплового балансу має вигляд:

Звідси

, (27)

де величина , крім втрат тепла в навколишнє середовище Q_П, включає такі витрати тепла, як втрати від хімічного недогріву газів, і, як наслідок, їх дисоціації, а також втрати внаслідок неповного згорання твердого палива.

Нагрівання перегрітою водою. Теплоносій (перегріта вода) використовується під тиском, що сягає критичного значення 122,1 MH/м² (225 ат.), якому відповідає температура 374⁰С. Тому за допомогою перегрітої води можна нагрівати робоче середовище до температури 350⁰С. Однак нагрівання перегрітою водою пов'язане з застосуванням високих тисків, що значно ускладнює і підвищує вартість нагрівальних установок, а також – вартість їх експлуатації. Тому в наш час нагрівання перегрітою водою витісняється більш економічними способами нагрівання за допомогою інших високотемпературних теплоносіїв.

Нагрівання гарячою водою. Нагрівання гарячою водою має певні недоліки порівняно з нагріванням насиченою водяною парою. Коефіцієнт тепловіддачі від гарячої води, як і від будь-якої іншої рідини, є нижчим за відповідні коефіцієнти тепловіддачі від водяної пари, що конденсується. Крім того, температура гарячої води знижується вздовж стінки теплообмінника, внаслідок чого погіршується рівномірність нагрівання. Гарячу воду отримують у водонагрівних котлах, що обігріваються топковими газами, і в парових водонагрівачах (бойлерах). Вона застосовується, зазвичай, для нагрівання до температури не більше 100⁰С. Для температур, вищих за 100⁰С, як теплоносій використовується вода, що знаходиться під надлишковим тиском.

При нагріванні гарячими рідинами дуже часто застосовують циркуляційний спосіб нагрівання (рис. 25). За цим способом рідкий нагрівний агент, що знаходиться в замкнутому просторі, циркулює між піччю або іншим апаратом, де він нагрівається, і теплообмінником, в якому він віддає тепло, яке отримане в першому апараті. Таким чином, нагрівний агент не витрачається, а використовується для перенесення тепла від печі до теплообмінника.

Циркуляція може бути природною або примусовою. Природна циркуляція (рис. 25,а) здійснюється за рахунок різниці густини: нагрітий охолоджуючий агент в результаті меншої густини піднімається вверх і поступає в теплообмінник, де він охолоджується, потім знову повертається в піч. Для забезпечення циркуляції теплообмінник повинен бути розміщеним вище від печі на 4-5 м.

Примусову циркуляцію (рис. 25,б) здійснюють за допомогою насоса. При цьому немає необхідності у підйомі апарата і можливі швидші циркуляції, що приводять до збільшення коефіцієнта тепловіддачі. Але установки з примусовою циркуляцією, внаслідок наявності циркуляційного насосу, є складнішими і менш надійними в експлуатації, ніж установки з природною циркуляцією.

а) нагрівання з природною циркуляцією	б) нагрівання з примусовою циркуляцією
Рис. 25. Схема циркуляційного нагрівання рідким нагрівальним агентом: 1 – піч з змійовиком; 2 – теплообмінник; 3 – підйомний трубопровід; 4 – опускний трубопровід, 5 – циркуляційний насос

В установках з примусовою циркуляцією (рис. 25,б) рух гарячої рідини між піччю 1 та теплообмінником 2 здійснюється за допомогою циркуляційного насоса 5. Застосування примусової циркуляції дозволяє значно збільшити швидкість циркуляції (до 2-2,5 м/с та вище) і, відповідно, підвищити інтенсивність теплообміну.

Розрахунок установок з природною циркуляцією рідкого нагрівального агента виконують, виходячи з рівності рухаючого напору в контурі та гідравлічного опору контура:

(28)

а також рівності кількості тепла Q, відданого нагрівальним агентом за одиницю часу, і прийнятого в теплообмінному апараті:

(29)

де h – різниця рівнів робочої частини теплообмінного апарата та змійовика в генераторі тепла (печі), яка приймається рівною різниці відміток їх середніх значень, м; g – прискорення вільного падіння, м/с²; ρ₁, ρ₂ – густини нагрівального агента в піднятій та опущеній трубах при температурах t₁ i t₂ відповідно (t₁ > t₂), кг/м³ ; G – витрата циркулюючого нагрівального агента, кг/с; І₁ , І₂ – ентальпії теплоносія в піднятій та опущеній трубах, Дж/кг; k – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м^{2 .} К); F – поверхня теплообміну, м²; t_ПР – температура продукту, що нагрівається, ⁰С.

За допомогою рівнянь (28) і (29), а також використовуючи рівняння для визначення гідравлічного опору контуру:

(30)

(де ∆р – гідравлічний опір, Па; λ – коефіцієнт тертя, Вт/(м ^. К); l – довжина труби, м; d – діаметр труби, м; – сума коефіцієнтів місцевих опорів; ω – масова швидкість, м/с; ρ – густина, кг/м³), можна розрахувати діаметр d трубопроводу і витрату G будь-якого рідкого нагрівального агента при природній циркуляції.

З правої частини рівняння (28) видно, що рушійний напір зростає з збільшенням h та різниці густин нагрітої та охолодженої рідин. Тому, при нагріванні з природною циркуляцією, теплообмінники розміщують не менше, ніж на 4-5 м вище від рівня печі чи іншого нагрівального пристрою. Нагрітий охолоджуючий агент (за рахунок меншої густини) піднімається вгору і поступає в теплообмінник, де він охолоджується і потім знову повертається в піч. Таким чином, загальна висота нагрівальної установки повинна бути досить значною. Однак, навіть за таких умов швидкість рідини при природній циркуляції мала і тому теплова продуктивність установки з природною циркуляцією незначна.

Нагрівання мінеральними маслами. Мінеральні масла (циліндрове, компресорне, важке циліндрове тощо) використовують для рівномірного нагрівання різних продуктів. Для цього застосовують масла, які мають найвищу температуру спалаху – до 310⁰С. Верхня межа нагрівання маслами становить 250-300⁰С. Масла є найдешевшими органічними високотемпературними теплоносіями, проте мають ряд істотних недоліків, що обмежують їх застосування: невисокі температури нагрівання, малі коефіцієнти тепловіддачі, окиснення і забруднення поверхні апаратури тощо.

Нагрівання висококип’ячими органічними рідинами та їх парою. До високотемпературних органічних теплоносіїв належать гліцерин, етиленгліколь, нафталін, дифеніл, дифеніловий ефір, дифенілметан, дифенільна суміш та ін. Найбільше в промисловості застосовується дифенільна суміш, до складу якої входить 26,5% дифенілу і 73,5% дифенілового ефіру. Дифенільна суміш має велику термічну стійкість, температура плавлення її складає 12,3⁰С, тобто є нижчою від температури плавлення її складових компонентів. Температура її кипіння під атмосферним тиском дорівнює 258⁰С. Тому в рідкому стані дифенільною сумішшю можна нагріти робоче середовище не вище за 250⁰С, а під тиском в 0,8 ^.10⁵ Па – до 280⁰С. Перевагою дифенільної суміші є те, що нею можна нагріти до високих температур (380-400⁰С) без застосування високих тисків завдяки низьким тискам її насиченої пари. Для нагрівання до 300⁰С як технології використовують як теплоносії також кремнійорганічні рідини, які мають високу температуру кипіння, проте легко гідролізуються вологою.

Нагрівання розплавленими солями. З різних неорганічних солей і їх сплавів для нагрівання до високих температур найчастіше застосовують нітрит-нітратну суміш – потрійну електричну суміш, до складу якої входить 40% натрій нітриту, 7% натрій нітрату і 53 % калій нітрату. Температура її плавлення складає 142,3⁰С. Нітрит-нітратна суміш під атмосферним тиском може нагріватись до 500-540⁰С. Небезпечним є її контакт при високих температурах з органічними речовинами, а також з ошурками чорних металів, магнію та алюмінію.

Нагрівання за допомогою ртуті і рідких металів. При нагріванні до 400-800⁰С і вище можна використовувати як високотемпературний носій – ртуть, а також натрій, калій, свинець та інші легкоплавкі метали та їх сплави. Ці теплоносії мають велику густину, термічну стійкість, добру теплопровідність і високий коефіцієнт тепловіддачі.

Легкоплавкі метали, крім ртуті, натрію і кадмію, використовуються, в основному, як проміжні теплоносії для нагрівальних бань. Ртуть, крім того, використовується у вигляді пари. Однак пари металічних теплоносіїв дуже отруйні, тому відповідні нагрівальні установки повинні бути абсолютно герметичні і мати потужну вентиляцію.

Нагрівання електричним струмом. Електрична енергія може бути використана для нагрівання електричною дугою, нагрівання опором та струмами високої частоти (діелектричне нагрівання).

Нагрівання електричною дугою застосовується в дугових печах і дає можливість розвивати високі температури (1500-2000⁰С і вище). Розрізняють печі з відкритою і закритою дугою. В печах з відкритою дугою полум’я дуги утворюється між електродами, які розміщені над матеріалом, що нагрівається, і тепло передається шляхом випромінювання. В печах з закритою дугою полум’я дуги утворюється між електродом і самим матеріалом, що нагрівається. Дугові печі не забезпечують рівномірного нагрівання і точного регулювання температур. Використовуються дугові печі для плавлення металів, а також для виробництва кальцій карбіду і фосфору.

Нагрівання опором здійснюється шляхом безпосереднього пропускання електричного струму через нагріваюче тіло або пропусканням струму через спеціальні нагрівальні елементи, від яких тепло передається нагріваючому тілу шляхом випромінювання і конвекції. Частіше застосовується другий спосіб, який реалізується таким чином. Навколо обігрівального апарату розміщують нагрівальні елементи, які не торкаються стінок апарата, через які пропускається електричний струм; з зовнішньої сторони нагрівальних елементів встановлюється кожух, який оснащений вогнестійкою ізоляцією. Такий спосіб нагрівання застосовується при температурах до 1000-1100⁰С, дає рівномірний обігрів і забезпечує чітке регулювання температури внаслідок зміни напруги електричного струму або шляхом підключення та відключення частини елементів.

До нагрівання опором відноситься нагрівання індукційними струмами. Апарат оточують обмоткою, через яку пропускається змінний струм. При цьому навколо обмотки створюється змінне магнітне поле, яке індукує в стінках апарата електрорушійну силу. В результаті в стінках апарата виникає електричний струм, який і нагріває їх вглиб всієї товщини.

Діелектричне нагрівання або нагрівання струмами високої частоти ґрунтується на тому, що дією на діелектрик змінного електричного поля частина енергії витрачається на подолання сил тертя між молекулами діелектрика і при цьому перетворюється в тепло; при цьому діелектрик нагрівається.

Величина діелектричних втрат, а, відповідно, і кількість виділеного тепла є пропорційні квадрату напруги і частоті струму. Щоб уникнути високих напруг, використовують струми високої частоти. Як правило, використовують частоту 1^.10⁶ – 100^.10⁶ Гц при напруженості електричного поля 1000-2000 в/см. Для генерування струмів високої частоти користуються ламповим генератором: отримані струми високої частоти підводять до конденсатора, між обкладинками якого розміщується нагрівне робоче середовище.

Перевагами діелектричного нагрівання є: безпосереднє виділення тепла в нагріваючому тілі, що дуже важливо для матеріалів з низькою теплопровідністю, до яких відноситься більшість діелектриків; нагрівання всієї товщини матеріалу до потрібної температури протягом короткого проміжку часу без підігріву окремих частин; легке регулювання процесу нагрівання і можливість його повної автоматизації.

Діелектричне нагрівання застосовується при пресуванні виробів з пластмас, наприклад, з шаруватих пластиків (текстоліт), при склеюванні деревини у виробництві фанери, вулканізації каучуку тощо. Досить часто діелектричне нагрівання використовують в процесах сушіння.