Промышленные способы подвода теплоты в химической аппаратуре. Теплоносители

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Промышленные способы подвода теплоты в химической аппаратуре. Теплоносители

План

1. Теплоносители. Требования, предъявляемые к теплоносителям

2. Общая характеристика промышленных теплоносителей

3. Водяной пар. Основные понятия и определения

1. Теплоносители. Требования, предъявляемые к теплоносителям

Под термином "теплоносители" в широком смысле понимаются вещества, участвующие в передаче теплоты. В более узком смысле применительно к тепловой аппаратуре теплоносителями считаются нагревающие агенты, т.е. вещества, используемые как источники теплоты для технологических целей. Теплоносители, применяемые в целях охлаждения, называются охлаждающими агентами или, сокращенно, хладоагентами.

Выбор теплоносителей зависит от технико-экономических показателей, из которых важнейшими являются:

- интервал рабочих температур,

- теплофизические свойства,

-коррозионная активность,

- токсичность и стоимость.

Интервал рабочих температур определяется требованиями технологии, а остальные показатели - природой теплоносителя. При сравнении теплоносителей по теплофизическим свойствам предпочтение отдается теплоносителю с меньшей вязкостью и большими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования, поскольку расход такого теплоносителя и затраты на его транспортировку при передаче одного и того же количества теплоты меньше.

Во многих случаях оказывается экономически целесообразным использовать в качестве теплоносителей технологические материальные потоки, так как это обеспечивает уменьшение энергетических затрат.

2. Общая характеристика промышленных теплоносителей

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар. Основное достоинство водяного пара - высокая теплота конденсации - при атмосферном давлении она равна 2,26·10³ кДж/кг. Основной его недостаток - быстрый рост давления с повышением температуры, что приводит к удорожанию аппаратуры из-за необходимости увеличения её прочности. Поэтому температуры, до которых можно производить нагрев в промышленных условиях, обычно не превышают 180-190°С, что соответствует давлению пара 1,0-1,5 МПа.

Для нагревания до температуры более 180 - 200°С используются высокотемпературные теплоносители. В качестве таких теплоносителей в технике применяются различные вещества: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения.

Верхний температурный предел воды как теплоносителя определяется её критическими параметрами: Р_кр ? 2,25 МПа и t_Kp = 374°С. Практически воду можно использовать для нагревания до 350°С. Однако необходимость работы при больших давлениях делает воду неконкурентноспособной по сравнению с другими теплоносителями.

Из расплавов солей наиболее часто используют нитрит-нитратную смесь, содержащую 40% нитрита натрия, 7% нитрата натрия и 53% нитрата калия. Температура плавления этой смеси 142,3°С. Она применяется для нагрева до температур 500 - 540°С. Однако углеродистая сталь коррозионно стойкая к этой смеси лишь до 450°С. При более высоких температурах требуются хромовые или хромо-никелевые стали. Для обеспечения хорошей теплоотдачи необходима принудительная циркуляция. Недостатками нитрит-нитратной смеси являются сравнительно высокая температура кристаллизации, а также то, что она является сильным окислителем. Контакт её с веществами, способными окисляться может привести к взрыву.

Ртуть и жидкие металлы (натрий, калий, свинец) - эффективные теплоносители при температурах 400-800°С. Однако их пары чрезвычайно ядовиты, что ограничивает их практическое использование.

Широко применяются органические теплоносители. Из них наибольшее распространение получила эвтектическая смесь дифенила (26,5%) и дифенилоксида (73,5%). Эта смесь называется даутерм-А (динил). Температура её кипения 257°С, а температура плавления 12°С.

Часто в качестве теплоносителя применяют смесь изомеров бензилбензола (температура кипения 280°С, нижний предел текучести -70°С).

В качестве жидких теплоносителей иногда используют минеральные масла. Их достоинством является текучесть при температурах ниже 0 °С. Минеральные масла можно применять при атмосферном давлении и температурах до 300°С, а под давлением и при более высоких температурах (до 350°С). Конечно, в процессе работы масла подвергаются крекингу, что приводит к увеличению их вязкости. Однако не это наибольший недостаток масел. Худшим является то, что они имеют относительно невысокие коэффициенты теплоотдачи.

3. Водяной пар. Основные понятия и определения

Водяной пар, как указывалось выше, широко применяется в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках. Кроме того, водяной пар идет на нужды отопления и вентиляции производственных зданий и на горячее водоснабжение.

При парообразовании в неограниченном пространстве вся жидкость может превратиться в пар. Если процесс парообразования происходит в закрытой емкости, то между процессами парообразования и обратного перехода пара в жидкость может наступить равновесие. Пар в таком состоянии принимает максимальную плотность при данной температуре и давлении и называется насыщенным. Следовательно, насыщенный пар - это пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он получается. При изменении температуры жидкости равновесие нарушается, что приводит к соответствующему изменению плотности и давления насыщенного пара.

При испарении всей жидкости получается сухой насыщенный пар, который не содержит частиц жидкой фазы. Температура и объем сухого насыщенного пара являются функциями давления, поэтому его состояние определяется лишь одним параметром -давлением или температурой.

Насыщенный пар, который содержит мельчайшие капельки жидкости, называется влажным насыщенным паром.

Отношение массы сухого насыщенного пара m_с, содержащегося во влажном паре, к общей массе (пар-жидкость) влажного насыщенного пара m_с + m_ж называется степенью сухости пара (паросодержанием) х, т.е.

х = m_c/(m_c + m_ж) = m_с/m_в, (5.1)

где m_в = m_с + m_ж - масса влажного пара; m_ж - масса жидкости во влажном паре.

Таким образом, степень сухости пара определяет долю сухого насыщенного пара во влажном паре.

Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности пара и равна (1 - х).

Степень сухости х может меняться в пределах от нуля до единицы. Например, для кипящей жидкости при температуре насыщения (температуре кипения при данном давлении) х = 0, а для сухого насыщенного пара х = 1.

Удельный объем влажного пара зависит от давления и от степени сухости и определяется из следующего уравнения:

v_x =v"·x + (l-x)·v', (5.2)

где v" - удельный объем сухого насыщенного пара; v'- удельный объем жидкости во влажном паре.

Из формулы (172) получаем значение степени сухости пара х

x = (v_x-v')/(v"-v') (5.3)

Для давлений до 30 ат и х ? 0,8 можно пренебречь последним членом равенства (172). Тогда удельный объем влажного насыщенного пара будет равен

v_x = v"·x (5.4)

Для больших давлений и малых х для определения удельного объема следует пользоваться формулой (172).

Удельная масса влажного пара определяется из равенства:

с _x = l/v_x = l/[v"·x + (l-x)·v'] (5.5)

или приближенно

с _x = 1/ v_x = l/(v"-x) = с "/x. (5.6)

где с " - удельная масса сухого пара.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то температура его будет возрастать и пар становится перегретым. Разность между температурой t_n перегретого пара и температурой t_s сухого насыщенного пара называется перегревом пара. Перегретый пар является ненасыщенным. При данном давлении его плотность меньше плотности сухого насыщенного пара, а удельный объем больше. Чем выше степень перегрева, тем больше по своим свойствам перегретый пар приближается к газу.

Перегретый пар имеет более высокую температуру t по сравнению с температурой tj сухого насыщенного пара того же давления. Следовательно, в отличие от насыщенного пара перегретый пар определенного давления может иметь различные температуры. Для характеристики состояния перегретого пара необходимо знать два его параметра: чаще всего это температура и давление.

Нагревание топочными газами

Рассмотренные выше способы нагревания водяным паром и парами высокотемпературных теплоносителей, а также горячими жидкостями предусматривают использование в качестве прямых источников тепловой энергии топочных (дымовых) газов, получаемых при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива. Топочные газы относятся к числу наиболее давно и широко применяемых теплоносителей, они обеспечивают надежное нагревание до температур, достигающих 1000-1100 "С.

Наиболее существенными недостатками этого способа являются: неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена; трудность регулирования температуры обогрева; низкие коэффициенты теплоотдачи or газа к стенке [не более 35-60 Вт/(м² К)]; возможность загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива (при непосредственном обогреве газами). Значительные перепады температур между топочными газами и нагреваемой средой создают жесткие условия нагревания, которые допустимы для многих продуктов, поскольку могут вызвать их перегрев.

Нагревание топочными газами производят в трубчатых печах - облицованных шамотом камерах сгорания, внутри которых размещены нагревательные элементы, состоящие из стальных трубок. Трубки либо соединяются в пучок, подвешенный в топочном пространстве, в котором проходят продукты сгорания, отдающие стенкам трубок основную часть своей теплоты, либо размещаются по стенам топочного пространства, полностью покрывая их. В этом случае трубки, воспринимая теплоту, которую излучают продукты сгорания и стены камеры, охлаждают эти стены. Охлажденные в экранированной камере продукты сгорания можно затем подавать в трубчатый пучок. Температура газов в пучке снова понижается, после чего продукты сгорания через дымовую трубу выходят в атмосферу. В печах сжигают жидкое или газообразное топливо, которое подают к горелкам различных конструкций, установленным в печи. Температура нагреваемой жидкости автоматически регулируется подачей топлива к горелке.

Трубчатые печи широко распространены в химической промышленности. Их применяют для нагревания жидкостей, в качестве генераторов теплоты для нагревания высокотемпературных тепло- носителей, для перегрева водяного пара или пара других жидкостей.

Нагреваемую жидкость обычно подают в трубки под давлением, которое обеспечивает ее перемещение с необходимой скоростью по всей системе. При этом жидкость не должна припекаться или пригорать на стенках трубок. Скорость движения продуктов сгорания должна быть такой, чтобы обеспечивать максимальную тепло- передачу при сравнительно небольшой потере давления.

На рис. 12-7 схематически изображен трубчатый нагреватель, в котором основная часть теплоты передается конвекцией и меньшая - излучением. Трубчатый пучок размещается над топочным пространством, продукты сгорания движутся в направлении, перпендикулярном трубкам. Скорость движения продуктов сгорания в некоторых случаях может быть увеличена с помощью кирпичных или металлических отражательных перегородок.

Температуру нагревания топочными газами регулируют частичной рециркуляцией отработанных газов. Возвращая дымососом или эжектором часть отработанных газов в печь и смешивая их с газа- ми, полученными в топке, снижают температуру газов и одновременно увеличивают объем газов, обогревающих теплообменные устройства. Увеличение объема газов приводит к возрастанию их скорости и соответственно к увеличению коэффициентов теплоотдачи от газов к стенке. Для уменьшения температуры греющих газов в топку печи дополнительно подводят воздух, смешиваемый с газами.

Расход топочных газов определяют из уравнения теплового баланса. Так, если расход топочных газов составляет D_c, а их энтальпии равны //, (на входе в теплообменник) и Н₂ (на выходе из теплообменника), то уравнение теплового баланса имеет вид

Откуда

теплоноситель нагрев топочный газ

Нагревание электрическим током

Наряду с топочными газами электрическая энергия представляет собой прямой источник тепловой энергии. При нагревании электрическим током может быть достигнут практически любой желаемый температурный режим, который легко поддерживать и регулировать. Нагревание электрическим током осуществляют в электро- печах.

В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепловую различают электропечи сопротивления, индукционные, высокочастотные, луговые. В свою очередь, электрические печи сопротивления делятся на печи прямого и косвенного действия.

В электропечах сопротивления прямого действия в электрическую цепь включается также и среда, которая нагревается при прохождении через нее электрического тока. На практике этот способ нагревания реализуют в аппарате, корпус которого является одним из электродов; другой электрод размещаю непосредственно в нагреваемой в данном аппарате среде.

В электропечах сопротивления косвенного действия теплота выделяется в специальных нагревательных элементах, по которым проходит электрический ток. При этом нагреваемой среде теплота передается как лучеиспусканием и теплопроводностью, так и конвекцией. В таких печах возможно осуществлять нагревание до температур на уровне 1000-1400°С. Принципиальная схема обогрева электропечи показана на рис. 12-8. Теплота выделяется при прохождении электрического тока через спиральные нагревательные элементы 2, уложенные в футеровке печи вокруг аппарата. Проволочные или ленточные нагревательные спирали изготовляют чаще всего из нихрома-сплава, содержащего 20% хрома, 30-80% никеля и 0,5-50% железа.

Нагревание в индукционных электропечах осуществляется индукционными токами. По сравнению с приведенной на рис. 12-8 схемой устройства электропечи сопротивления при индукционном способе нагревания сам обогреваемый аппарат является сердечником соленоида, обмотки которого охватывают аппарат. При пропускании по соленоиду переменного электрического тока вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, индуцирующее в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу и вызывающее появление вихревых токов Фуко, под действием которых и происходит разогрев всей массы аппарата. Индукционное нагревание обеспечивает равномерный обогрев при температурах, не превышающих обычно 400 ^СС.

Высокочастотное нагревание применяют для нагрева диэлектриков (пластмасс, резины, дерева, пищевых продуктов и др.). Принцип реализации этого способа показан на рис. 12-9. Нагреваемый мате- риал помещают в переменное электрическое поле частотой 10- 100 МГц и напряженностью 1000-2000 В/см. Под действием переменного электрического поля молекулы диэлектрика колеблются с частотой поля и при этом поляризуются. В результате внутренне- го трения между молекулами нагреваемого материала выделяется теплота.

Высокочастотное нагревание отличается следующими преимуществами: выделение теплоты происходи т во всей толще материала, в результате чего он прогревается равномерно; нагревание протекает с высокой скоростью; процесс легко регулируется и может быть полностью автоматизирован.

Нагревание в электродуговых печах происходи за счет того, что электрическая энергия превращается в теплоту, выделяемую пламенем дуги, возникающей между электродами. Электрическая дуга позволяет сконцентрировать большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в состояние плазмы. В результате этого возможно обеспечить нагревание до 1500-3000 °С, но лишь в отдельных, локальных областях, т. е. нагревание с помощью электрической дуги отличается неравномерностью и трудностью регулирования температуры.

Электродуговые печи на предприятиях химической промышленности можно встретить, например, в производствах карбида кальция. Наиболее широко их используют для плавки металлов.

Размещено на Allbest.ru