2.8. Процессы нагревания, охлаждения и конденсации

Процесс нагревания широко применяется в химической технологии для ускорения многих массообменных процессов и химических превращений. Наиболее широкое распространение получили методы нагревания водяным паром, топочными газами, промежуточными теплоносителями, электрическим током.

Нагревание водяным паром. Для этих целей используют преимущественно насыщенный и перегретый водяной пар давлением до 1,2 МПа. Использование пара более высокого давления экономически неоправданно. В соответствии с применяемым давлением нагревание паром ограничено температурой 190 °С. В процессе нагревания перегретый пар охлаждается и конденсируется.

Широкому распространению нагревания водяным паром способствуют следующие достоинства этого метода:

высокая удельная теплота парообразования (конденсации) насыщенного водяного пара 19902260 кДж/кг;

высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара 500018000 Вт/(м²К);

равномерность обогрева поверхности, т.к. конденсация происходит при постоянной температуре.

Различают два способа нагревания «острым» и «глухим» водяным паром. При нагревании острым паром водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость, конденсируется с отдачей тепла, конденсат при этом смешивается с нагреваемой жидкостью.

При обогреве «острым» паром происходит разбавление нагреваемой жидкости конденсатом – водой. Этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.

Нагревание «глухим» водяным паром производят тогда, когда нельзя разбавлять нагреваемую жидкость образующимся конденсатом. В этом случае обогрев происходит через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, змеевиками и т.п.

Нагревание дымовыми газами – наиболее широко распространенный способ обогрева в химической промышленности. Этот способ используется для нагрева сред до температур 1801000 °С. Дымовые газы образуются при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в топках или печах различных конструкций.

К особенностям нагрева относятся следующие факторы: значительные перепады температур и небольшие коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к стенкам аппаратов 1535 Вт/(м²К).

При нагревании дымовыми газами обеспечиваются высокие тепловые нагрузки, но сам метод имеет ряд недостатков: трудность регулирования температуры процесса, из-за чего сложно добиться равномерности обогрева поверхностей; при разбавлении дымовых газов большим количеством воздуха происходит окисление металлов; огнеопасность самого метода.

Обогревание дымовыми газами осуществляется в трубчатых печах, печах реакционных котлов, автоклавах.

Нагревание промежуточными теплоносителями. При нагревании многих материалов с целью сохранения их качества или обеспечения безопасной работы бывает недопустимым даже кратковременный их перегрев. В этих случаях применяют промежуточные теплоносители, которые сначала нагреваются дымовыми газами, а затем передают воспринятое тепло обрабатываемому материалу.

В качестве промежуточных теплоносителей применяют водяной пар, перегретую воду, минеральные масла, высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), расплавленные смеси солей.

Нагревание электрическим током. При необходимости нагрева материалов выше 1000 °С применяют нагревание электрическим током в электропечах. По способу преобразования электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, индукционные и дуговые. Электрические печи сопротивления делятся на печи прямого действия и печи косвенного действия.

В электрических печах прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического тока.

В электрических печах сопротивления косвенного действия тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам. Выделяющееся тепло передается материалам лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В таких печах нагревание осуществляется до температуры 1100 °С.

В электрических индукционных печах нагревание осуществляется индукционными токами. Обогреваемый аппарат является сердечником обмотки, выполненной в виде соленоида, охватывающего аппарат. По соленоиду пропускают переменный ток, при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата.

В дуговых печах нагревание материалов до температур 13001500 °С осуществляется электрической дугой. Электрическая дуга возникает в газообразной среде. В дуговых печах при больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и точное регулирование температуры.

Процессы конденсации получили широкое распространение в химической технологии для сжижения различных веществ за счет отвода от них тепла. Эти процессы осуществляются в аппаратах, называемых конденсаторами.

Различают два вида конденсации – поверхностную и конденсацию смешением. В конденсаторах, обеспечивающих поверхностную конденсацию, конденсирующиеся пары разделены стенкой, и конденсация паров происходит на внутренней или внешней поверхности холодной стенки. В конденсаторах смешения конденсирующиеся пары непосредственно соприкасаются с охлаждающим агентом.

Процесс охлаждения. При проведении химико-технологических процессов довольно часто появляется необходимость в охлаждении перерабатываемых материалов. Для этих целей наиболее распространены и общедоступны вода и воздух. В зависимости от времени года и климатических условий охлаждение водой и воздухом осуществляется до 2030 °С. В зимний период охлаждение водой и воздухом возможно до более низких температур. Вода, отбираемая из артезианских скважин, имеет температуру 812 °С.

Охлаждение водой и воздухом производят в теплообменных аппаратах. При этом теплоносители могут быть разделены стенкой либо контактировать непосредственно друг с другом.

Для охлаждения технологических потоков ниже температуры окружающей среды применяют искусственное охлаждение.