Тепловые процессы: нагревание, охлаждение, конденсация и выпаривание

Нагревание широко применяют в химической технике для ускорения многих массообменных процессов и химических пре­вращений. В зависимости от температурных и других условий проведения процесса применяют различные методы нагрева­ния – для каждого конкретного процесса наиболее оправдан­ный в технологическом и экономическом отношении метод.
Наибольшее распространение в химической технике полу­чили следующие методы нагревания: водяным паром, топочны­ми газами, промежуточными теплоносителями, электрическим током.

Для нагревания применяют преимущественно насыщенный водяной пар давлением до 1–1,2 МПа. Использование пара более высокого давления обычно экономически неоправданно. Соответственно указанному давлению нагревание насыщенным водяным паром ограничено температурой 190°С. В процессе нагревания насыщенный пар конденсируется. При этом выде­ляется тепло, равное теплоте испарения жидкости.
Широкому распространению нагревания водяным паром способствуют достоинства этого метода обогрева, а именно:
большое количество тепла, выделяющегося при конден­сации единицы массы водяного пара (2260–1990 кДж на 1 кг конденсирующегося пара при давлениях соответственно 0,1–1,2 МПа);
высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке – порядка 5000–18 000 Вт/(м2-°С);
равномерность обогрева (так как конденсация пара происходит при по­стоянной температуре).
НАГРЕВАНИЕ ВОДЯНЫМ ПАРОМ

Нагревание «острым» паром
При та­ком способе водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жид­кость; конденсируясь, он отдает жидкости тепло, а конденсат смешивается с этой жидкостью.
Для нагревания и одновременного перемешивания жидкости пар вво­дят через барботер – трубу с рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали или колец (паровой барботер: 1 – резервуар; 2 – барботер; 3 – паропровод; 4 – запорный вентиль).
Расход «острого» пара при периодическом нагревании жидкости определяют из уравнения теплового баланса.
При обогреве «острым» паром происходит неизбежное раз­бавление нагреваемой жидкости конденсатом – водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных раство­ров.
Устройство для нагревания жидкости «острым» паром: 1 – резервуар; 2 – паровая труба; 3 – запорный вентиль; 4 – обратный клапан; 5 – продувочный вентиль

Нагревание «глухим» паром.
В том случае, когда нагревае­мая жидкость может взаимодействовать с водой, или контакт между ними недопустим, или же нельзя разбавлять нагревае­мую жидкость, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, со змеевиками и т. д.
Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводит­ся из парового пространства нагревательного аппарата в виде конденсата. Температуру конденсата можно с достаточной точностью принять равной температуре насыщенного греюще­го пара.
Расход «глухого» пара при непрерывном нагревании жид­кости также определяют из уравнения теплового баланса.

НАГРЕВАНИЕ ТОПОЧНЫМИ ГАЗАМИ
Нагревание топочными газами – самый старый способ обогре­ва в химической промышленности. Этим способом осуще­ствляется нагревание до температур 180–1000 °С. Дымовые (топочные) газы образуются при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива (преимущественно при атмосфер­ном давлении) в топках или печах различной конструкции.
Особенностью нагрева дымовыми газами являются «жест­кие» условия нагревания: значительные перепады температур и небольшие коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к стенкам обогреваемых аппаратов 15–35 Вт/(м2-°С). Благода­ря большим температурным перепадам при нагревании дымо­выми газами достигаются высокие тепловые нагрузки. Однако этот метод нагревания имеет ряд недостатков: трудно регули­ровать процесс и избежать перегрева материалов из-за нерав­номерности обогрева; при разбавлении дымовых газов боль­шим количеством воздуха происходит окисление металлов; и, наконец, следует отметить огнеопасность обогрева дымовыми газами.
Для изготовления нагревательной аппаратуры при нагре­вании до 420 °С применяют обычные углеродистые стали, до 420–520 °С – легированные стали, до 520–1000 °С – спе­циальные жаростойкие и жаропрочные стали.
Непосредственное нагревание топочными газами осуществ­ляется в трубчатых печах, а также в печах для реакционных котлов или автоклавов.

НАГРЕВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ
При нагревании многих материалов для сохранения качества продуктов или обеспечения безопасной работы недопустим да­же кратковременный их перегрев. В этих случаях для обогре­ва применяют промежуточные теплоносители, которые сначала нагреваются топочными газами, а затем передают воспринятое тепло обрабатываемому материалу.
В качестве промежуточных теплоносителей применяют ми­неральные масла, перегретую воду, высокотемпературные орга­нические теплоносители (ВОТ), расплавленные смеси солей и др.
Нагревание топочными газами через жидкостную баню от­носится к простейшим способам нагревания промежуточными теплоносителями.
В случае нагревания на масляной бане (до температур 200–250 °С) аппарат снабжают рубашкой, заполненной мас­лом. Топочные газы омывают рубашку и передают тепло мас­лу, а масло через стенки аппарата – обрабатываемым мате­риалам. Рубашка соединена трубопроводом с расширительным бачком, в который перетекает часть масла, когда объем его увеличивается при нагревании. В этот же бачок выбрасывается масло при бурном вскипании влаги (почти всегда содержащей­ся в свежем масле) в случае нагревания масла выше 100–120 °С.
Нагревание через жидкостные бани не обеспечивает высо­ких коэффициентов теплопередачи, так как в рубашке в жид­ком промежуточном теплоносителе возникают только очень слабые конвекционные токи. Для повышения коэффициентов теплопередачи используют установки с циркулирующим жид­ким промежуточным теплоносителем.
Нагревание дымовыми газами с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем. Этот процесс осуществляется на установках с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.

ОХЛАЖДЕНИЕ
В химической технике очень часто возникает необходимость охлаждать газы, пары и жидкости. Для их охлаждения обычно используют наиболее распространенные и доступные теплоно­сители – воду и воздух. Охлаждение происходит в результате теплообмена между охлаждаемой и охлаждающей средами, при этом температура охлаждающей среды должна быть ниже температуры охлаждаемой.
В зависимости от времени года и климатических условий охлаждение воздухом осуществляется до 25–30 °С. Водой удается охладить теплоносители до более низких температур. Обычно температуру охлаждающей воды, которая также за­висит от времени года и климатиче­ских условий, принимают равной 15– 25 °С. Вода, отбираемая из артезиан­ских скважин, имеет температуру 8–12 °С.
Охлаждение водой и воздухом осуществляют в различных теплооб­менниках, при этом охлаждающая и охлаждаемая среды либо разделены стенкой (если контакт между этими средами по каким-либо причинам недопустим), либо непосредственно контактируют между собой.
Кожухотрубчатый теплообменник, в котором охлаждение водой производится через стенку, показан на рисунке. Охлаж­дающая вода вводится в нижнюю часть межтрубного простран­ства теплообменника и выводится из верхней. Охлаждаемый теплоноситель вводится в верхнюю часть трубного простран­ства и выводится из нижней. При таком направлении движе­ния конвекционные токи, вызываемые изменением плотностей жидкостей при изменении температур, совпадают с направле­нием потоков.
Wcвt1
Gctк
Gctн

КОНДЕНСАЦИЯ
В химической технике широко распространены процессы кон­денсации (ожижения) паров различных веществ путем отвода от них тепла. Эти процессы осуществляют в аппаратах, назы­ваемых конденсаторами.
Различают два вида конденсации: 1) поверхностную (или просто конденсацию), при которой конденсирующиеся пары и охлаждающий агент разделены стенкой и конденсация паров происходит на внутренней или внешней поверхности холодной стенки; 2) конденсацию смешением, при которой конденсирую­щиеся пары непосредственно соприкасаются с охлаждающим агентом.
Поверхностная конденсация осуществляется в теплообмен­никах – поверхностных конденсаторах. В общем случае в по­верхностный конденсатор поступает перегретый пар. Очень ча­сто охлаждающим агентом является вода.
Конденсация смешением. Если конденсации подвергаются пары жидкостей, не растворимых в воде, или пар, являющийся не­используемым отходом того или иного процесса, охлаждение и конденсацию этих паров можно проводить путем непосредственного смешения с водой. Этот процесс осуществляется в аппаратах, называемых конденсаторами смешения.
В зависимости от способа вывода из аппаратов потоков различают мокрые и сухие конденсаторы смешения.

ВЫПАРИВАНИЕ
Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего раствори­теля в виде паров. Сущность выпаривания заключается в пере­воде растворителя в парообразное состояние и отводе получен­ного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Вы­паривание обычно проводится при кипении, т. е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.
Процесс выпаривания относится к числу широко распро­страненных. Последнее объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных раство­ров, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.
В химической технике используют следующие основные способы выпарива­ния: простое выпаривание, проводимое как непрерывным, так и периодическим методами, многократное выпаривание, осуще­ствляемое только непрерывно, и выпаривание с применением теплового насоса. Два последних способа проведения процесса обеспечивают значительную экономию тепла и поэтому имеют преобладающее значение.
Все перечисленные процессы проводят как под давлением, так и под вакуумом, в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов.

ПРОСТОЕ ВЫПАРИВАНИЕ
Простое выпаривание осуществляется на установках неболь­шой производительности, когда экономия тепла не имеет боль­шого значения. Кроме того, простое выпаривание на установ­ках периодического действия оправдано в случае выпаривания растворов, отличающихся высокой депрессией.
Как было указано, простое выпаривание проводят либо не­прерывным методом, либо периодическим. Проведение перио­дического процесса возможно двумя приемами: с одновремен­ной загрузкой исходного раствора и с порционной загрузкой. Схема установки простого выпаривания непрерывным методом представлена на рисунке.
1 – емкость;
2,5 – насосы;
3 – подогреватель;
4 – выпарной аппарат;
6 – сборник го­тового продукта;
7 – барометрическая труба;
8 – ловушка;
9 – барометрический конден­сатор

Материальный баланс простого выпаривания может быть выражен двумя равенствами:
Gн = Gк + W , Gн хн = Gк хк
где Gн – количество поступающего раствора, кг/ч; Gк – количество упаренного раствора, кг/ч; W – количество выпариваемой воды, кг/ч; ха и хк – соответственно начальная и конечная концентрации раствора, % (масс).

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Аппараты, предназначенные для проведения тепловых процес­сов, называют теплообменными. Эти аппараты имеют разнооб­разное конструктивное оформление, которое зависит от характе­ра протекающих в них процессов и условий проведения этих процессов. По принципу действия теплообменные аппараты де­лят на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В рекуперативных аппаратах – рекуператорах – теплоноси­тели разделены стенкой и тепло передается от одного теплоноси­теля к другому через эту разделяющую их стенку.
В регенеративных аппаратах – регенераторах – одна и та же поверхность твердого тела омывается попеременно различными теплоносителями. При омывании твердого тела одним из тепло­носителей оно нагревается за счет его тепла; при омывании твер­дого тела другим теплоносителем оно охлаждается, передавая тепло последнему. Таким образом, в регенераторах, кроме теп­лоносителей, обменивающихся теплом, необходимо наличие твердых тел, которые воспринимают тепло от одного теплоноси­теля и аккумулируют его, а затем отдают другому.
В смесительных аппаратах передача тепла происходит при непосредственном соприкосновении и смешении теплоносителей.

РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Существенным для теплообменных аппаратов рекуперативного типа является наличие стенки из теплопроводного материала разделяющей потоки теплоносителей. Эта стенка служит по­верхностью теплообмена, через которую теплоносители обмени­ваются теплом.
В зависимости от конструктивного выполнения поверхности теплообмена рекуператоры разделяют на теплообменники – кожухотрубчатые, двухтрубчатые, змеевиковые, спиральные, ороси­тельные, специальные – и на трубчатые выпарные аппараты.
Кожухотрубчатые теплообмен­ники – наиболее распространен­ный в химической технике тип теплообменной аппаратуры. Они допускают создание больших поверхностей теплообмена в одном аппарате, просты в изготовлении и надежны в работе.

Кожухотрубчатый вертикальный теплообменник с неподвижными трубными решетками
Теплообменник состоит из цилиндри­ческого кожуха 1, к которому с двух сторон приварены трубные решетки 2. В трубных решетках плотно закреплен пу­чок труб 3. К кожуху с помощью фланцев присоединены болтами 7 днища (камеры) 5. Уплотнение создается прокладкой 8. Для ввода и вывода теплоносителей к кожуху и днищам прива­рены патрубки. Теплообменник устанавливают на опорных ла­пах 6. Один поток теплоносителя (I) направляется через патру­бок в нижнюю камеру, проходит по трубкам и выходит через патрубок в верхней камере. Другой поток теплоносителя (II) вводится через верхний патрубок на кожухе в межтрубное про­странство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводит­ся через нижний патрубок. Тепло от одного теплоносителя дру­гому передается через стенки труб. В отличие от показанного на рисунке противоточного движения теплоносителей может осу­ществляться параллельный ток.
Узел А

Теплообменники типа «труба в трубе»
Тепло­обменники этого типа представляют собой батарею из нескольких теплообменных элементов, расположен­ных один под другим. Каждый из элементов состоит из внутренней трубы 1 и охваты­вающей ее наружной трубы 2. Внутренние трубы отдельных элементов соединены последовательно коленами (калачами) 3. Наружные трубы соединены также последовательно патрубка­ми 4. Теплоноситель I движется по внутренним трубам, тепло­носитель II – по кольцевым каналам между трубами 1 и 2.
Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки внутренних труб. В двухтрубчатых теплообменниках обеспечиваются высокая скорость теплоносителей (даже при малых расходах) и высокая интенсивность теплообмена. Одна­ко эти теплообменники громоздки и металлоемки; поэтому их применяют преимущественно для проведения процессов нагре­вания или охлаждения при высоких давлениях. При необходи­мости создания больших поверхностей теплообмена устанавли­вают несколько параллельно соединенных батарей.