Нагревание и охлаждение:

    1) Теплообменники

    2) Охладители

    В химической промышленности на многих стадиях технологического процесса требуются подача или отвод тепла. Цели при этом могут быть самыми разными, в том числе:

    — настройка и соответственно поддержание заданных температур для достижения благоприятных условий протекания реакции (например, реакций в смесителях или каталитических реакций между газами);

    — использование изменений определенных физических свойств (например, вязкости) в зависимости от температуры;

    — изменение агрегатного состояния до уровня испарения, конденсации, расплавления и т. д.;

    — изменение агрегатного состояния для разделения смесей веществ путём перегонки, кристаллизации и проч.

Пересчёт единицы измерения тепла.

Водяной пар.

    Водяной пар, один из важнейших энергоносителей в химической промышленности, служит для осуществления процессов нагрева в ёмкостях разного рода и теплообменниках. Он находит применение также в качестве технологического пара и при эксплуатации топливных насосов.

    Особым достоинством водяного пара как носителя тепловой энергии считается большое количество тепла, которое аккумулировано в нём и освобождается при конденсации (рис. 7-5). Оно во много раз превышает количество тепла, которое может быть аккумулировано, например, в теплой воде. Кроме того, теплопередача конденсирующего водяного пара на нагреваемую поверхность чрезвычайно велика, так что даже при небольшой площади нагрева удаётся получить достаточно высокую теплопередачу.

Процессы при испарении

    Водяной пар — это испарившаяся газообразная вода. Для испарения необходимо, например, воду комнатной температуры нагреть до 100 °С (при атмосферном давлении). При дальнейшей подаче тепла вода закипает, и начинается парообразование (рис. 7-6). Образующийся водяной пар имеет температуру порядка 100 °С, если абсолютное давление в пространстве над жидкостью составляет 1,013 бар (атмосферное давление).

    Если паровое пространство (над кипящей водой) закрыто, то при продолжающейся подаче тепла в результате непрерывно испаряющейся воды создается избыточное давление пара. По мере возрастания давления в паровом пространстве дальнейшее испарение затрудняется, что повышает температуру кипения воды.

    Между температурой кипения и давлением пара устанавливается определённое равновесие: при низком давлении пара и температура кипения будет низкой, при высоком давлении пара — высокой. Эту зависимость между температурой кипения и давлением пара демонстрирует кривая в диаграмме давления пара (рис. 7-7).

Пар может быть нескольких видов.

Насыщенный пар

    Водяной пар, находящийся в равновесии с кипящей водой, из которой он поднимается, называется насыщенным паром. Он сухой, то есть не содержит жидкой воды в виде капель тумана, и невидим. Насыщенный пар имеет температуру и давление, соответствующие точке на кривой давления пара (см. рис. 7-7).

Пример:

    Насыщенный пар с температурой 130 °С обладает абсолютным давлением 2,8 бар.

    Состояние насыщенного пара неустойчиво, это некое граничное состояние. Даже незначительный отвод тепла приведет к конденсации части пара (влажный пар), в то время как дополнительная подача тепла перегревает насыщенный пар (перегретый, или острый пар).

Влажный пар

    Влажный пар образуется при охлаждении насыщенного пара — например, в отводных трубах парогенератора, ведущих к потребителю. В результате охлаждения часть газообразной воды превращается в жидкость, выступающую мелкими каплями тумана. Влажный пар проявляется в виде белого тумана. Процентное содержание насыщенного пара во влажном паре указывают через параметр х — удельное паросодержание (%).

Пример:

    Влажный пар с х= 0,8 означает: влажный пар, состоящий из 80 % насыщенного пара и 20 % жидкости.

Перегретый (острый) пар

    При нагреве насыщенного пара выше температуры кипения возникает перегретый пар (рис. 7-7). Он свободен от любой жидкой воды и не образует водяных капель при незначительном охлаждении. Именно поэтому его называют «сухим»; такой пар невидим.

    И только если охладить его до температуры кипения, из него начинает выступать вода в виде тумана. Чем сильнее перегрет пар, тем выше его температура и тем больше давление, под которым он находится.

Нагрев водяным паром

    Пар, чаще всего используемый в химических установках для целей нагрева, — это слегка перегретый пар с избыточным давлением от 2 до 3 бар. Его называют также паром низкого давления, а температура обычно находится в диапазоне от 130 до 150 °С.

    Давления пара от 2 до 3 бар вполне достаточно для транспортировки на средние расстояния, и при этом не нужны трубы с толстыми стенками. Легкий перегрев препятствует образованию конденсационной воды в трубопроводах и гарантирует в месте использования наличие почти насыщенного пара.

    Для целей нагрева более всего подходит именно насыщенный пар, поскольку теплопередача на основе конденсации пара на поверхности нагрева особенно велика, что позволяет обходиться минимальной её площадью. При нагреве пар приводится в соприкосновение с обогреваемой поверхностью — например, в рубашке бака с мешалкой (рис. 7-8). Пар охлаждается на обогреваемой поверхности и конденсирует, отдавая стенке бака своё тепло конденсации Q_Kond, вычисляемое по формуле: Q_Kond = m_D • r, где m_D есть масса пара, а r - его удельное тепло конденсации. Оно составляет, например, у насыщенного пара с температурой 100 °С (1,013 бар) около 2260 кДж/кг, а у насыщенного пара при 120 °С (около 2 бар) примерно 2200 кДж/кг.

    Конденсационная вода стекает на поверхность нагрева, продолжая охлаждаться, и покидает паровое пространство через конденсатоотводчик. Тепло, дополнительно отдаваемое при охлаждении, относительно невелико по сравнению с теплом конденсации (рис. 7-5).

    Для решения особых задач по нагреву потребуется насыщенный пар высокого давления. Это тот случай, когда подлежащий нагреванию материал приходится доводить до высоких температур. Температура греющего пара должна — в силу теплотехнических причин — на 20-40 °С превосходить максимальную температуру обрабатываемого продукта. Если таковая составляет, например, 140 °С, то при разности температур 40 °С потребуется температура греющего пара 180 °С. Это соответствует насыщенному пару с абсолютным давлением около 10 бар (рис. 7-7).

    Недостатком высокой температуры пара и, следовательно, его высокого давления является тогда обязательное толстостенное исполнение отопительных приборов. А это связано не только с повышением расхода материалов, но и с ухудшением теплопередачи.