Теория основных тепловых процессов химической технологии. Тепловой баланс. Промышленные теплоносители. Теплопроводность

Тепловые процессы
обмен теплом между двумя теплоносителями
Тепловые процессы имеют большое значение в химической промышленности поскольку:
большинство химических процессов являются эндо- или экзотермическими и, следовательно, управление химико-технологическими процессами (ХТП) в конечном счете сводится к подводу или отводу тепла
в себестоимости любой продукции химической промышленности стоимость тепловой энергии составляет значительную часть, т.е. эффективная организация тепловых процессов положительно сказывается на эффективности всего производства

Особенности тепловых процессов:
а) широкий диапазон температур теплопереноса (от температур, близких к абсолютному нулю, до несколько тысяч градусов выше нуля)
б) теплоперенос осуществляется в агрессивных средах и при высоких давлениях, что предъявляет особые требования к аппаратурному оформлению этих процессов

Основные характеристики тепловых процессов
– количество передаваемого тепла, от которого зависят размеры теплообменных аппаратов
– основной размер теплообменного аппарата – теплопередающая поверхность (или поверхность теплообмена)

Способы передачи теплоты
Теплопроводность – процесс передачи теплоты внутри тела от одних частиц к другим вследствие их движения и соударений. Передача теплоты происходит только в твердых телах (горячая наружная поверхность стакана с горячим чаем)
Конвекция – процесс распространения теплоты в результате движения объемов и перемещения частиц жидкостей или газов (обогрев комнаты радиаторной батареей)
Теплопередача излучением – перенос энергии, обусловленный процессами испускания, распространения и поглощения электромагнитных волн (люди, животные, растения на Земле существуют благодаря теплоте, получаемой от Солнца))

В реальных процессах все три способа теплообмена обычно сопутствуют друг другу.
В тепловых процессах, осуществляемых в теплообменном аппарате, происходит передача теплоты от одного теплоносителя к другому, причем эти теплоносители в большинстве случаев разделены стенкой.
Перенос теплоты от поверхности твердого тела к газообразной или жидкой среде (или наоборот) называется конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Уравнение теплового баланса
Для того, чтобы найти количество теплоты, которое должно быть передано в теплообменном аппарате, необходимо составить уравнение теплового баланса.
В теплообменнике количество теплоты Q1, отдаваемое горячим теплоносителем в единицу времени, затрачивается на нагрев (Q2) холодного теплоносителя, а часть теплоты (Qп), рассеиваемая в окружающую среду, теряется. Соответственно,
Q1=Q2+Qп

В зависимости от температурных и других условий проведения процесса применяют различные методы подвода и отвода тепла – для каждого конкретного процесса должен быть выбран тот метод, который оправдывает себя в технологическом и экономическом отношении.
При подводе тепла применяют различные теплоносители, которые отдают получаемую от источников теплоты энергию в теплообменных аппаратах другому теплоносителю с более низкой температурой.

Греющие (горячие) теплоносители
первичные - топочные (дымовые) газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическая энергия
вторичные (промежуточные) - тепловая энергия, полученная от первичных теплоносителей и передающаяся нагреваемой среде (насыщенный водяной пар, горячие жидкости, различные высококипящие теплоносители – перегретая вода, органические жидкости и их пары, минеральные масла, жидкие металлы и др.)

Отвод тепла во многих процессах химической технологии осуществляется с помощью охлаждающих теплоносителей (хладагентов).
В качестве подобных теплоносителей в большинстве случаев выступают: воздух, вода, растворы солей (рассолы), фреоны.
Для каждого конкретного случая теплообмена выбор теплоносителя должен быть индивидуален и определяться, прежде всего, величиной температуры нагревания (или охлаждения) и необходимостью ее регулирования.

Общие требования
к выбору теплоносителя
1) теплоноситель должен обеспечивать высокую интенсивность теплопередачи
2) обладать высокими теплофизическими характеристиками (теплоемкость, теплопроводность, высокие коэффициенты конденсации парообразования)
3) низкой вязкостью
4) теплоноситель должен быть не токсичным, не ядовитым, пожаровзрывобезопасным, дешевым и доступным, термически устойчивым и не обладать корродирующим действием на материал теплообменника
5) должен быть доступным и недорогим веществом

Греющие теплоносители - топочные газы
газообразные продукты сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива
Преимущества:
отпадает использование промежуточных теплоносителей, нагрев до 1100°С
Недостатки:
низкий коэффициент теплоотдачи от газа к стенке;
сложность поддержания заданной температуры на заданном уровне;
неравномерность обогрева теплообменной поверхности; выделение продуктов неполного сгорания, которые осаждаются на теплообменной поверхности, что приводит к увеличению сопротивления, корродирующего действия; достаточно жесткие условия нагрева за счет высоких перепадов температур между топочными газами и нагреваемой средой

Нагревание
электрическим током
Осуществляется в электропечах, которые подразделяются на электропечи сопротивления (прямого и косвенного действия) и печи индукционные и высокочастотные, в которых обогрев осуществляется током высокой частоты.
Достоинства: получение любого желаемого температурного режима, который можно легко поддерживать и регулировать.

Водяной пар
самый распространенный промежуточный теплоноситель
Достоинства:
высокий коэффициент теплоотдачи
легкость транспортировки на большие расстояния
возможность точного регулирования температуры за счет изменения давлений
доступность
большое количество выделяемого тепла при конденсации
возможно использовать при температурах до 200°С
Недостатки:
водяной пар обладает коррозийной способностью,
при росте температуры растет давление

Вода
можно использовать горячую воду с температурой до 100 °С или перегретую до 300…350 °С
Достоинства:
дешевизна
доступность
Недостатки:
использование перегретой воды требует применения металлоемкой (толстостенной) аппаратуры и довольно сложной арматуры

Высококипящие органические теплоносители (ВОТ)
органические теплоносители
ионные теплоносители
жидкометаллические теплоносители

Органические теплоносители
глицерин
этиленгликоль
ароматические и неароматические масла
смеси органических веществ (смесь дифениловая)
Температурный диапазон органических теплоносителей достигает 350 °С, при этом давление не меняется, т.е. остается постоянным.
Эти теплоносители не ядовиты и не токсичны, однако являются пожаровзрывоопасными; термически не устойчивы (разлагаются на кокс и газы)

Ионные теплоносители
кремнийорганические жидкости (силиконы)
и расплавы солей или их смесей
В качестве примера можно привести нитрит-нитратную смесь (40 % NaNO2, 7 % NaNO3, 53 % KNO3). Предельная температура лежит в области 550 °С и ограничивается термической стойкостью этих теплоносителей. Теплоносители данной группы отличаются малой токсичностью и агрессивностью по отношению к конструкционным материалам

Жидкометаллические теплоносители
жидкие металлы и их сплавы и характеризуются самой высокой термостойкостью (висмут, свинец, ртуть, натрий, литий, олово, кадмий)
Вследствие этого температурный диапазон обогрева находится в области до 2000 °С.
Большинство металлических теплоносителей огне-, пожаро- и взрывобезопасны и практически не воздействуют на малоуглеродистые и легированные стали. Исключение составляют калий и натрий, которые отличаются чрезвычайно высокой химической активностью и воспламеняются со скоростью взрыва. Главным недостатком этих теплоносителей является высокая токсичность их паров.

Хладагенты
вода – самый распространенный агент
В промышленности используется
артезианская вода – температура от 8 до 12 °С;
открытый водоем – температура от 4 до 25 °С;
оборотная вода – 30 °С.
Достоинства:
доступность, дешевизна, термически устойчива
Недостатки:
коррозионная активность,
температурный диапазон зависит от климатических и временных условий

2) низкотемпературные жидкости
используют для создания температур ниже 5…20 °С, которые обычно не достигаются охлаждением водой.
жидкий аммиак, фреоны, диоксид углерода, холодильные рассолы – водные растворы неорганических солей, например, KCl, NaCl, CaCl (их температурный диапазон зависит от концентрации)
При охлаждении холодильными рассолами и парами низкокипящих жидкостей пользуются холодильными установками

3) воздух
по сравнению с водой более доступен, хотя обладает значительно меньшим коэффициентом теплоотдачи и объемной теплоемкости, в современной технологии наблюдается тенденция к замене воды как охлаждающего агента воздухом. Воздух в отличие от воды не загрязняет поверхность теплоотдачи отложениями, не корродирует теплообменную аппаратуру, что положительно сказывается на увеличении срока службы воздушных холодильников.
Наиболее широко воздух в качестве охлаждающего агента используется в смесительных теплообменниках – градирнях, являющихся основным элементом оборудования водооборотного цикла.

Передача теплоты теплопроводностью

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через стенку толщиной 1 м и площадью 1 кв. м при разности температур ее поверхностей 1 К. Размерность этого коэффициента – Вт/м·К
Значение коэффициента теплопроводности зависит от природы вещества и его температуры.

Передача теплоты конвекцией
Различают
Естественную конвекцию – при которой движение частиц вызвано разностью плотностей газа и жидкости в различных точках объема вследствие разности их температур в этих точках.
Принудительную конвекцию – при которой перемещение газа или жидкости осуществляется специальными устройствами – мешалками, вентиляторами, насосами и др.

Согласно закону Ньютона количество теплоты Q, отдаваемой стенкой омывающей ее жидкости (или воспринимаемой стенкой от жидкости) в единицу времени, прямо пропорционально площади S поверхности стенки и разности температур Тст-Тж стенки и жидкости:
Q= α S(Тст-Тж)
α-коэффициент пропорциональности (теплоотдачи)

Коэффициент теплоотдачи
какое количество теплоты передается от 1 кв.м. поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к стенке) в течение 1 с при разности температур стенки и жидкости 1 К
Размерность – Вт/кв.м·К
Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для данного вещества или материала, а зависит от скорости перемещения жидкости вдоль поверхности теплообмена, размеров и формы этой поверхности, а также плотности, вязкости, теплопроводности, удельной теплоемкости и коэффициента объемного расширения движущейся жидкости.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от этих факторов очень сложна и не может быть установлена теоретическим путем. Поэтому для определения его значений прибегают к экспериментальным исследованиям, а опытные данные обрабатывают методом теории подобия, получая зависимости, справедливые для данного класса явлений, в пределах которого возможно обобщение данного отдельного опыта.
Из дифференциальных уравнений, описывающих конвективный теплообмен, с помощью теории подобия получены определенные комплексы, в которые входят тепловые величины, характеризующие основные случаи переноса теплоты. Эти комплексы называются критериями подобия.

К ним относятся:
число Рейнольдса
характеризует соотношение между инерционными силами и силами трения в подобных потокам
Re=vlρ/μ
v – скорость движения жидкости, м/с
l – характерный линейный размер, м
ρ – плотность жидкости, кг/куб.м
μ – динамическая вязкость жидкости, Па·с

2) число Нуссельта
характеризует интенсивность теплообмена на границе между стенкой и средой
Nu=αl/λ
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/кв.м·К
λ – коэффициент теплопроводности среды, Вт/м·К

3) число Пекле
характеризует соотношение между теплотой, переносимой путем конвекции, и теплопроводностью
Pe=vl/a
a - коэффициент температуропроводности, кв.м/с

4) число Прандтля
характеризует подобие физических свойств теплоносителей в процессах конвективного теплообмена
Pr=cμ/λ
c – удельная теплоемкость жидкости, Дж/кг·К

Передача теплоты излучением
Все тела способны излучать энергию в виде электромагнитных волн. Эта энергия поглощается другими телами, имеющими более низкую температуру, и превращается в теплоту.
Тепловое излучение соответствует инфракрасной, не видимой глазом части спектра электромагнитных колебаний с длиной волны 0,8 мкм.
Твердые тела обладают сплошным спектром излучения. Интенсивность теплового излучения резко возрастает с повышением температуры. При температуре, превышающей 600 °С, тепловое излучение приобретает доминирующее значение по сравнению с другими способами передачи теплоты.

Физические тела пропускают, отражают и поглощают тепловую энергию. В зависимости от способности тел пропускать, отражать и поглощать тепловую энергию различают
абсолютно прозрачные – пропускают всю поступающую энергию теплового излучения
абсолютно белые – полностью отражают энергию теплового излучения
абсолютно черные – поглощают всю подводимую энергию

Однако в природе не существует тел, обладающих такими идеальными свойствами. Все реальные тела способны лишь частично пропускать, отражать и поглощать подводимую энергию электромагнитного излучения. Их называют серыми.

Лучеиспускательная способность серого тела

Чтобы защитить от попадания излучения и нагрева какое-либо тело, между ним и излучателем устанавливают экран, изготовленный из материала с хорошими отражательными свойствами.
В отличие от твердых тел многоатомные газы СО2, SO2 и пары воды излучают и поглощают энергию не поверхностью, а объемом.
Кроме того, эти вещества испускают и поглощают электромагнитное излучение не во всем спектре, как твердые тела, а лишь при определенных значениях длины волны, т.е. имеют полосы излучения и поглощения.

Количество теплоты, отдаваемое или воспринимаемое стенкой 1 кв.м. за счет излучения в течение 1 с при разности температур 1 К называется коэффициентом лучеиспускания αл, Вт/кв.м·К

Процесс теплопередачи
В большинстве технологических процессов теплообмен между теплоносителями происходит через некоторую поверхность раздела. Этот вид теплообмена называется теплопередачей.

Основное уравнение теплопередачи
Количество теплоты, передаваемой в единицу времени, определяется основным уравнением теплопередачи
Q=KS(T1-T2)
Численное значение коэффициента К определяется количеством теплоты, которое передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку площадью 1 кв.м в течение 1 с при разности температур теплоносителей 1 К.
Размерность коэффициента теплопередачи – Вт/кв.м·К

Термическое сопротивление теплопередачи
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередачи R, а величина δст/λст - термическим сопротивлением стенки.
R = 1/α1+ δст/λст +1/α2

Движущая сила тепловых процессов
разность температур взаимодействующих сред
В промышленной аппаратуре теплопередача обычно протекает при переменной температуре теплоносителей.
Значение температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности разделяющей их стенки, поэтому в расчетах используют среднюю разность температур ΔТср, которая и должна войти в основное уравнение теплопередачи

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через поверхность при теплообмене, пропорционально средней разности температур.
Таким образом, основное уравнение теплопередачи принимает вид
Q=KS ΔТср

Один из теплоносителей охлаждается от температуры Т1н до Т1к, другой нагревается от Т2н до Т2к.
При прямотоке разность температур теплоносителей на входе в теплообменник ΔТб=Т1н-Т2н, а на выходе из теплообменника ΔТм=Т1к-Т2к.
При противоточном движении теплоносителей значения ΔТб и ΔТм находят по начальным и конечным значениям температуры горячего и холодного теплоносителей.

При ΔТб/ΔТм<2 средняя разность температур определяется как среднеарифметическая величина
ΔТср=(ΔТб+ΔТм)/2
При более интенсивном теплообмене в больших значениях разности температур, средняя разность температур будет среднелогарифмической величиной
ΔТср=(ΔТб-ΔТм)/ln(ΔТб/ΔТм)

При перекрестном токе теплоносителей и смешанном токе в многоходовых теплообменниках
ΔТср=εТΔТср прот
εТ – поправочный коэффициент к средней разности температур ΔТср прот , рассчитанной для случая противоточного движения теплоносителей

Выпаривание
процесс концентрирования нелетучих или малолетучих веществ путем удаления летучего растворителя в виде пара при температуре кипения
Выпаривание отличается от испарения тем, что испарение происходит с поверхности при различных температурах (даже ниже температуры кипения), а выпаривание происходит из всего объема кипящего раствора

Выпаривание используется для повышения концентрации раствора или для получения чистых труднолетучих растворов. Скорость процесса выпаривания определяется скоростью подвода тепла.
Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Однако в большинстве случаев в качестве греющего агента при выпаривании используют насыщенный водяной пар, который называют греющим, или первичным.
Первичным служит пар, получаемый из парогенератора, либо отработанный пар, либо пар промежуточного отбора паровых турбин. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.

Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводят через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых случаях концентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.
Таким образом, выпаривание является типичным процессом переноса тепла. Основное отличие процесса выпаривания от тепловых процессов заключается в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.

Процесс выпаривания
может проводиться
под атмосферным давлением
под вакуумом
под избыточным давлением
Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара

Под атмосферным давлением
В случае выпаривания под атмосферным давлением вторичный пар чаще всего выбрасывается в атмосферу и не используется.
Такой способ является простым, но экономически невыгодным.

Под вакуумом
Выпаривание под вакуумом позволяет уменьшить температуру кипения раствора, поэтому можно выпаривать нетермостойкие растворы, можно выпаривать растворы с высокой температурой кипения, например, растворов щелочей, а также концентрировать растворы с использованием теплоносителя (пара) невысоких параметров; увеличивается полезная разность температур, а следовательно, уменьшается поверхность теплообмена.
Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки, что снижает расход первичного пара и, следовательно, затраты на проведение процесса.
Недостатки - необходимость конденсации вторичного пара и применение вакуум-насоса для откачки неконденсирующегося пара, что ведет к увеличению эксплуатационных расходов и удорожанию установки.

Под избыточным давлением
В случае выпаривания под давлением выше атмосферного вторичные пары имеют повышенные параметры и их можно использовать как для выпаривания, так и для других нужд, не связанных с процессом выпаривания. Если этот пар используется для посторонних нужд, то его называют экстра-паром. Отбор экстра-пара позволяет лучше использовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако подобное выпаривание сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данный способ применяется лишь для выпаривания термостойких веществ. Кроме того, для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокой температурой.

Виды выпаривания
а) простое однокорпусное выпаривание
б) многократное(многокорпусное выпаривание) -это выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус
в) выпаривание с тепловым насосом, применение которого позволяет сэкономить первичный пар.

Два последних способа энергетически выгодны при больших производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого раствора в час и выше), что характерно для промышленности, где выпаривание проводят по непрерывному принципу.
В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, то есть в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения, поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи.