2. Теоретические основы охлаждения коксового газа

В теплообменных аппаратах контактного типа, к которым относятся газосборники, теплообмен между газом и водой сопровождается массообменом, что усложняет механизм и закономерности протекания процессов. Снижение температуры газа при контакте с охлаждающей водой сопровождается изменением его влагосодержания вследствие испарения воды или конденсации водяных паров из газа. Направление переноса влаги при контактном теплообмене зависит от соотношения между температурой воды и температурой точки росы газа.

Если температура воды ниже температуры точки росы, то охлаждение газа сопровождается конденсацией паров и соответствующим нагревом жидкости. Если же температура воды больше температуры точки росы, то газ при охлаждении увлажняется, а вода нагревается и частично испаряется. При достаточном времени контактирования газа с жидкостью, движущихся прямотоком, температуры их стремятся к равновесному значению, соответствующему температуре мокрого термометра, а относительная влажность газа стремится к единице. При температуре охлаждающей воды, равной температуре мокрого термометра газ охлаждается только за счет испарения воды, а температура последней остается неизменной.

Параметры газа и жидкости изменяются по длине контактного теплообменника, при этом в различных сечениях аппарата могут создаваться различные условия взаимодействия фаз. В условиях действующих коксохимических заводов температура воды, подаваемой на орошение газосборника, существенно выше температуры точки росы газа на выходе из печей. При влажности шихты 8-10% температура точки росы газа составляет 68-70°С, а температура орошающей воды 75-78%, ;.что несколько ниже температуры мокрого термометра газа и объясняется потерями тепла в трубопроводах и мехосветлителях, а также смешиванием надсмольной воды с более холодным газовым конденсатом, поступающим на пополнение газосборникового цикла.

Из-за ограниченности поверхности и времени контактирования газа и жидкости в газосборникс не достигается равновесное состояние, поэтому температура газа на выходе существенно выше температуры |воды, а температура точки росы газа несколько ниже температуры воды на выходе, то есть газ на выходе из газосборника является ненасыщенным. Разница между равновесной и фактической температурой воды и газа на выходе и температурой точки росы последнего зависит при прочих равных условиях (поверхность и время контактирования) от интенсивности процессов тепло- и массообмена между ними. Скорость этих процессов определяется разностью температур газа и жидкости и гидродинамическими условиями контактирования.

Коэффициент теплоотдачи от газа к жидкости обратно пропорционален градиенту температур в пограничном слое. При наличии массообмена между газом и жидкостью на границе раздела возникает поперечный поток пара, вызывающий изменение толщины пограничного слоя и, следовательно, градиента температур в нем. В работах Лыкова А.В., Исаченко В.П. и других авторов, изучавших теплообмен между газом и жидкостью в контактных теплообменниках, показано, что при направлении потока пара от поверхности жидкости в газовую фазу (испарение, десорбция) толщина пограничного слоя увеличивается, а градиент температур в нем и, следовательно, коэффициент теплообмена между газом и жидкостью уменьшаются. При направлении же потока пара из газовой фазы к поверхности раздела (конденсация, сорбция) толщина пограничного слоя уменьшается, а градиент температур в нем и коэффициент теплоотдачи возрастают. По ориентировочным оценкам, при ламинарном обтекании влажным воздухом поверхности жидкости и температурном напоре более 260°С снижение коэффициента теплоотдачи от газа к жидкости из-за испарения последней составляет около 10% по сравнению с чистым теплообменом. Для коксового газа в указанных условиях расчетное снижение коэффициента теплоотдачи достигает 50%. Таким образом, охлаждение надсмольной воды, подаваемой на орошение газосборника, может обеспечить интенсификацию теплообмена в нем, однако на практике оно не получило распространения из-за необходимости установки дополнительных теплообменников и возможного увеличения капитальных и эксплуатационных затрат.

Охлаждение надсмольной воды оказалось экономически оправданным на некоторых коксохимических заводах с вакуум-карбонатной сероочисткой при использовании тепла надсмольной воды для нагревания поглотительного раствора.